Kvalitetssikring av polymerisolerte HVDC kabler ved hjelp av spenningsprøving

Shell Eco-marathon Europe ble første gangen arrangert i 1985 og går ut på at studenter fra høyskoler og universiteter i Europa konkurrerer om å bygge den mest energieffektive bilen. NTNU stilte i år med sitt første bidrag i konkurransen i klassen Urban Concept. Studentene som har stått for byggingen av bilen er tverrfaglig gruppe fra fem institutter og har hatt prosjektet som masteroppgave våren 2008. Shell Eco-marathon 2008 ble avholdt "Paul Armagnac Race Circuit" utenfor Nogaro i Sør-Frankrike. Data for banen er hentet inn, og sammen med PureChoice kjøretøyets parametre ble det gjort beregninger for effektområdet for elektrisk motor til bruk i fremdriftssystem. Beregninger viste at det var hensiktsmessig med kraftig akselerasjon ved start, og effektbehovet her ble dimensjonerende for motorens størrelse. Ulike motortyper gir ulike muligheter. Etter en del vurderinger rundt teknologier og behov ende valget på børsteløs likestrømsmotor. Motorer av denne typen er separatmagnetisert ved hjelp av permanentmagneter og komuterer ved bruk av motordrift med komuteringslogikk og vekselretterbro. BLDC-motorer har høyt forhold mellom effekt og vekt, noe som var spesielt gunstig i denne situasjonen. Testing av fremdriftssystemet i laboratoriet har vist forskjellen i virkemåte for ulike former for tilbakekobling av rotorposisjon. Både løsning med Hallsensor og metode for måling av mot-indusert spenning er prøvd ut. Målinger gjort for de ulike motorenes virkningsgrad avgjorde hvilken modell som ble brukt i fremdriftssystemet. I løpet av april og mai ble PureChoice kjøretøyet satt sammen og ferdigstilt for deltakelse i Shell Eco-marathon den 22. til 24. mai 2008. Ved montering av fremdriftssystemet i kjøretøyet ble det lagt vekt på så enkle løsninger som mulig. Med dette menes at det ikke ble lagt til funksjoner utover det som var behovet for et funksjonelt fremdriftssystem. Resultatet ble et ryddig og oversiktlig motorrom som var lett å feilsøke og endre på. Virkningsgraden for fremdriftssystemet avgjør hvor langt det er mulig å kjøre på energiinnholdet i en liter bensin.

TrønderEnergi ønsker å undersøke om innsetting av et tredje aggregat i Svorkmo kraftverk vil gi økt produksjonsgevinst, bedret totalvirkningsgrad ved lave vannføringer og mer fleksibel drift av vassdraget. Svorkmo kraftverk har i perioder om sommeren for lav vannføring til å drifte de to eksisterende aggregatene på en optimal måte. Produksjon på lav virkningsgrad og periodevis behov for ekstra tapping av magasinvann om sommeren, gir tapte inntekter. Hypotesen er at et nytt mindre aggregat i Svorkmo kraftverk vil bedre denne situasjonen. Den matematiske beskrivelsen av Svorkmo kraftverk kompliseres av store falltap og bekkeinntak som påvirker falltapene i stor grad. God modellering av virkningsgradsbeskrivelsen i dette kraftverket har vært helt essensielt, spesielt modellering av bekkeinntak. Vansimtap er brukt til simulering av forventet drift av vassdraget både med og uten et tredje aggregat i Svorkmo. Liten mulighet for detaljert beskrivelse av totalvirkningsgraden i Svorkmo kraftverk i Vansimtap, gav et behov for verifisering av resultater i SHOP hvor detaljgraden er vesentlig høyere. Simuleringene i Vansimtap viste at en innsetting av et tredje aggregat i Svorkmo kraftverk gir en produksjonsgevinst på 4,322 GWh. En gjennomsnittlig markedspris på 39 Euro/MWh, gir en økning i produksjonsverdien på 0,164 M Euro. Det totale magasinnivået, minker ved innstetting av aggregat 3 pga mulighet for økt tapping av magasinvann med mindre risiko for overløp. Produksjonsgevinsten kommer i hovedsak fra økt kapasitet i Svorkmo kraftverk, og dermed bedre utnyttelse av høyt tilsig. På sommervannføring vil et tredje aggregat bedre totalvirkningsgraden til kraftverket. Verifisering av fem produksjonssituasjoner i SHOP viste at Vansimtap og SHOP får omtrent lik effekt av et tredje aggregat. Modellbeskrivelsen i Vansimtap kan antas god nok til bruk i videre analyser, men usikkerhet i beregningsresultater og verifisering av flere situasjoner må vurderes før resultatene tas i bruk. Lønnsomheten i prosjektet med å sette inn et tredje aggregat i Svorkmo kraftverk, er avhengig av fremtidige priser på kraft og kostnadene relatert til utbyggingen. En følsomhetsanalyse bør gjennomføres for å se hvor stor risiko det er knyttet til avvikende verdi for produksjonsgevinst. Dette kan avgjøre hvor stor betydning usikkerhetene i beregningene vil ha for avgjørelsen om prosjektet settes i verk eller ikke.

Skagerak Energi AS eier og drifter mesteparten av regionalnettet og kraftverkene i Telemark og Vestfold. Med denne oppgaven ønsker de å bedre samdriften av kraftverkene og regionalnettet i området. Arbeidet skulle resultere i en oversikt over optimal produksjon av reaktiv effekt i kraftverkene i tillegg til en oversikt over spenningsprofilen i nettet. Optimaliseringsverktøyet som ble brukt i denne oppgaven var MATPower som inneholder forskjellige algoritmer for løsning av generelle lastflyter og optimale lastflyter. Året ble delt i to perioder, hvor tunglastperioden utgjør tidsrommet fra og med desember til og med februar, mens resten av året ble modellert med sommerbelastning. Optimaliseringen tar utgangspunkt i en minimalisering av taps- og produksjonskostnader, men i tunglastperioden ble det i tillegg inkludert kostnader forbundet med uttak av reaktiv effekt fra sentralnettet. Sammenligningsgrunnlaget er en optimalisering uten uttak av reaktiv effekt fra kraftverkene, noe som er i nærheten av dagens drift. De andre optimaliseringene ble sammenlignet med denne og viste at en optimalisering av reaktivt uttak fra kraftverkene ga en stor kostnadsbesparelse. Kostnaden ved uttak av reaktiv effekt fra sentralnettet er den som reduseres mest ved optimalisering av reaktivt effektuttak ved kraftverkene. Kostnadene ble redusert ved optimaliseringer både med og uten kostnaden for uttak av reaktiv effekt fra sentralnettet. Taps- og produksjonskostnadene ble også redusert i forhold til sammenligningsgrunnlaget. Sammenligningsgrunnlaget ga de høyeste kostnadene uansett belastning og produksjonsnivå.

I denne masteroppgaven har det blitt arbeidet med NTNUs deltagelse i Shell Eco-marathon våren 2009. Med utgangspunkt i bilen fra 2008 og simuleringer og analyser fra forprosjektet høsten 2008, har arbeidet vært fokusert på å bygge opp et elektrisk framdriftssystem med hovedfokus på effektivitet. 9-fase motordrift Det ble først utredet og startet som smått på arbeidet med å bygge en veldig eksperimentell motorstyring for å teste ut et nytt motorkonsept. Etter en stund måtte dette arbeidet avbrytes på grunn av at det trengtes resurser til å bygge opp et styresystem til en ny brenselcellestack, som hadde et mye større potensial til å bedre energieffektiviteten i systemet. Brenselcellestyring En brenselcellestack som hadde potensial til å bli en del av et ekstremt effektivt brenselcellesystem, var utgangspunktet for dette arbeidet. Det ble bygd opp hydrogenforsyning, viftesystem og elektronisk styring for brenselcellestacken. Systemet ble først testet grundig på lab med blant annet lastsimuleringer, slik at hydrogenforsyning og viftestyring kunne optimeres for bilen. Deretter ble systemet implementert i bilen. Resultatet var et brenselcellesystem med en virkningsgrad på rundt 60%. Med dette som utgangspunkt for resten av framdriftsystemet, ble Shell Eco-marathon 2009 en stor suksess for NTNU.

Sammendrag Det er flere nye likestrømsforbindelser under planlegging mellom Norge / NordEl og det kontinentale Europa / UCTE. Foruten NorGer-prosjektet har også Statnett SF om en ny forbindelse fra Kristiansand til Danmark. Stor importkapasitet på HVDC-forbindelsene setter spesielle krav til tilstanden i området hvor eksisterende konverterstasjonene er etablert. Eventuelle nye forbindelser gir opphav til økte utfordringer, spesielt i situasjoner hvor man har høy import samtidig med et lavt forbruk. En slik situasjon kan innebære lav produksjon i Sør-Norge, slik at systemtilstanden med hensyn på kortslutningsytelse kan karakteriseres svak. Kortslutningsytelsen sett i forhold til total importkapasitet kan si noe om forventninger til driften av likestrømsforbindelsene. Situasjonen som beskrevet i forrige avsnitt kan også være kritisk med tanke på stabilitet i kraftsystemet. Bortfall av import kan oppstå som følge av lav spenning på konverterterminalene. Det er således en sammenheng mellom stabilitet i AC-kraftsystemet, spenningsstabilitet og polhjulsvinkelstabilitet, og forutsetningene for feilfri drift av HVDC-systemene.. Teori vedrørende stabilitet i kraftsystemer, karakteristikk av AC-kraftsystem, konverterteknologi og vindkraft innleder dette dokumentet, der hensikten er å beskrive de viktigste momenter i forhold til problemstillingen. Det utarbeidet et analysegrunnlag på bakgrunn av antagelser vedrørende forventet last- og produksjonsutvikling, samt kapasitetsøkninger som kan forventes frem mot en eventuell idriftsettelse av NorGer. Det er tatt utgangspunkt i konsesjonssøknader og meldinger tilgjengelig via NVE og konklusjoner fra en studie mottatt fra Statnett SF vedrørende nettutvikling forutsatt nye likestrømsforbindelser. Import og vindkraft er balansert ved å ta utgangspunkt i en historisk situasjon for Sør-Norge med lav kortslutningsytelse. Likestrømsforbindelsene NorGer, samt Skagerrak12, Skagerrak4 og NorNed, er modellert og etablert med tilhørende reaktive komponenter i kraftsystemmodellen over Norge. NorGer er tilknyttet 420 kV-nett i Tonstad sammen med et vindkraftanlegg. Det er utført kortslutningsberegninger for å identifisere linjeutfall i 420/300 kV-nettet i Sør-Norge som kan ha konsekvens for driften av konverterstasjonene. Bortsett fra dobbeltutfall av forbindelsen Tonstad-Feda, hvor en mulig kritisk systemtilstand er identifisert for NorNed, viser resultatene at systemet kan karakteriseres moderat sterkt for alle gjennomførte (N-1) utfall med gjennomførte forsterkningstiltak. En dynamisk stabilitetsanalyse er gjennomført med PSS/E, der simuleringer er gjort på bakgrunn av lastflytresultatene. Systemet er transient stabilt for alle gjennomførte simuleringer, men det er identifisert svakheter i modelleringen av enkelte statiske reaktive komponenter. Vindparkens konsekvens for NorGer har vist seg vanskelig å identifisere. En fordel synes å ligge i at et vindkraftanlegg kan være i drift på tross av lave kraftpriser, ettersom vind ikke kan magasineres. For videre arbeid anbefales en studie av prinsipiell karakter for å lettere kunne fastslå konsekvensen.

En stor andel av distribusjonsnettet verden over begynner å nå, eller allerede har passert, sin tekniske levetid. I Nord-Amerika er over 20 % av kabelanleggene i distribusjonsnettet (mellomspenningsnettet) eldre enn sin tekniske levetid [1]. Feilstatistikken øker i takt med alderen på anleggene, samtidig som nettselskapene står ovenfor strengere krav til leveringssikkerhet. Vanntrær er sett på som hovedårsaken til feil og havari på kabelanlegg i distribusjonsnettet. De senere årene har det i tillegg til havari som følge av vanntrær også blitt avdekket svært mange feil knyttet til kabelskjøter. Spesielt gjelder dette kabelskjøter fra kabelanlegg satt i drift tidlig på 1980 tallet. Aldringsmekanismene for kabelskjøter er i dag ikke helt fastlagte. Mye av tidligere forskningen har vært knyttet til varmgang i skjøtehylsen på grunn av høy kontaktmotstand. Arbeidet i dette prosjektet er basert på feltaldrede kabelskjøter. Kabelskjøtene er hentet fra kabelanlegg som under tidligere feltdiagnostisering viste svært lave resistansverdier (lavohmige) og høye dielektriske tap. Partielle utladninger ble målt, og lokalisert til kabelskjøter. På bakgrunn av disse resultatene er to trefaseskjøter tatt ut av drift og studert videre i laboratoriet. I tillegg er to havarerte kabelskjøter fra det samme nettområdet studert. I laboratoriet er skjøtene karakterisert ved blant annet megging (isolasjonsresistivitet), dielektrisk spektroskopi og måling av partielle utladninger. Resultatene fra dette prosjektet konkluderer med at kontaktmotstand kan ha vært årsak til havari for de to havarerte kabelskjøtene. For skjøtene studert i laboratoriet tyder mye på at vanninntregning i løpet av alle årene i drift alene kan føre til havari. Den ene av skjøtene ble utsatt for tørking ved høy temperatur. Tørkingen førte til at de partielle utladningene detektert før tørkingen, med tennspenning like over driftsspenning, forsvant. I tilegg ble isolasjonens ledningsevne og dielektriske tap drastisk redusert. En av skjøtene ble utsatt for aldring over en lengre periode påsatt konstant høyspenning. Skjøten sto spenningssatt i totalt åtte uker, og ble med jevne mellomrom testet for partielle utladninger. De studerte skjøtene viste et svært intermitterende utladningsbilde. Både størrelse og varigheten på utladningene varierte svært hurtig.

Målet med masteroppgaven er å bygge en allerede planlagt transformator, samt videreutvikle et påbegynt testoppsett. Det arbeidet som tidligere er gjort kan finnes i prosjektoppgaven [1] (denne ligger vedlagt i vedlegg 1). Testoppsettet skal brukes til å teste den planlagte likespenningen med en overlagret transient, samt en AC-kilde brukes for å teste kabelen slik at resultatene kan sammenlignes. Bakgrunnen for målet stammer fra prosjektoppgaven og lyder: ”ønske om å teste innvirkningen transiente spenninger har på kryssbundne polyetylen (PEX) kabler som opererer i et høyspent DC-system (HVDC). For å generere den ønskede spenningen på 100 kV ± 10 kVrms er det uarbeidet en krets. Det har vist seg at testoppsettet fungerer bra til gjennomslaget skjer. Gjennomslaget fører til at AC-kilden får for høy spenning, som resulterer i at IGBT-omformeren ødelegges. De testede spenningene gir et gjennomslag på 70 kV ± 7 kVrms ved bruk av en nåleavstand som gir en isolasjonstykkelse lik 0,9 mm. Tiden var i gjennomsnitt 3,5 min, noe som tilsvarer en gjennomslagsspenning lik 15 til 17 kV AC, med samme kabeloppsett.

Denne masteroppgaven er en del av et prosjekt finansiert av Forskningsrådet, Statkraft, Statnett, Nortroll og SINTEF Energiforskning samt flere E-verk. Hovedmålet i prosjektet er å utvikle måleutstyr som kan detektere fuktighetsnivå, fritt vann og konduktivitet i oljefylte kabeltermineringer i felt. I den anledning er det interessant å skaffe mer kunnskap rundt hvilke fenomener som leder frem til havari. Det er flere hypoteser knyttet til hendelsesforløpet. Studier av havarerte termineringer viser at gjennomslagstedet ligger et stykke over konus. Ettersom det mest sannsynlige stedet for vanninntrengning er toppakningen antas at vannet glir ned langs kabelen og legger seg toppen av konus. Om vanndråper alene vil kunne gi en stor nok feltforsterkning til at havari kan forekomme er usikkert. For å skaffe mer kunnskap om hendelsesforløpet gjennomføres følgende forsøk: •Fullskalaforsøk av en vannlekkasje i en oljefylt kabelterminering. Målet med forsøket er visuelt å undersøke hvordan fritt vann i oljeisolasjonen vil bevege seg og etter hvert samle seg i termineringen. Underveis måles utladningsaktiviteten slik at den kan sammenlignes direkte med de observerte fenomener. • Modellforsøket der det studeres hvordan en jordet vannfilm som ligger rundt kabelisolasjonen nederst i oljen vil påvirkes(visuelle observasjoner og utladningsmålinger) av det elektriske feltet. Forsøket utføres både med målinger like etter at spenningen er slått på og også som et aldringsforsøk. Observasjoner gjort under fullskalaforsøket viser at dråpene har to karakteristiske bevegelsesmønstre. I tilfelle der dråpene har en viss avstand til andre dråper trekkes de inn mot konusområdet etter hvert som de synker nedover i oljen. Dersom to eller flere dråper kommer i nært nok slås det enten sammen eller støttes bort fra hverandre. Dråpene løser seg i liten grad i oljen, men fester seg på konus og veggene i termineringshuset. Utladningsmålinger gjort under forsøket viste lite utladningsaktivitet de første 1400 timene selv om to liter vann ble dryppet inn i denne perioden. Fra 1400-2000 timer etter oppstart var utladningsnivået i området 50 pC-1nC. Utladningene ble lokalisert til neddel/ nedsiden av konus. Sammen med observasjoner kan dette tyde på at vanndråpene har flyttet potensialet nedover konus ved å danne elektriske kontakt med oversiden. Langtidsforsøk på modellkabler viste stor statistisk spredning på når havari inntreffer. Utladningsnivået ved relevante feltstyrker var også begrenset.

Denne rapporten omhandler dynamiske analyser av et vannkraftverks respons på kortslutninger i nærliggende transmisjonslinjer og større endringer i nettopologi. Hovedfokuset i analysene har vært å studere hvordan vannkraftverkets respons på forstyrrelsene endres når en vindmøllepark kobles inn i nettet. Hovedformålet har vært å tilegne seg kunnskap om kraftsystemsimuleringer og interaksjonen mellom generatorer. De sentrale delene i denne oppgaven er: •Teori om de vanligste vindturbintypene og stabilitetsteori. •Etablering av dynamisk vindturbinmodell •Dynamiske analyser av generatorresponser under endinger i systemet med forskjellige vindparker og lastflytløsninger. •Vurdering av hvordan integrasjon av vindturbiner kan påvirke kraftsystemets transiente polhjul- og spenningsstabilitet. DFIG- vindturbiner forbedrer spenningsstabiliteten i nettet ved å bidra med reaktiv støtte. Samtidig fører aktiv spenningsregulering fra DFIG- vindturbinene til større spenningsvariasjoner i vindparkens tilknytningspunkt. Integrasjon av vindparken fører til endret lastflyt i nettet. Denne lastflytforandringen endrer vannkraftverkets transiente respons på forstyrrelser i systemet. Innkobling av vindparken fører til tettere elektrisk kobling mellom vannkraftverket og atomkraftverket på samleskinne 151. Den elektriske koblingen mellom vannkraftverket og de resterende kraftverkene i systemet blir svakere når vindparken integreres. Dette fører til at verdien på vannkraftgeneratorens polhjulsvinkel i det transiente svingeforløpet øker. Integrasjon av vindkraft øker den roterende massen i kraftsystemet. Dette kan føre til reduserte frekvensendringer ved forstyrrelser dersom ikke andre enheter kobles ut i den aktuelle driftssituasjonen. Vindkraftverket kan ikke øke energiproduksjonen ved produksjonsunderskudd. Integrasjon av vindkraft fører til avbelastning av andre kraftverk, som dermed får økt roterende reserve. På denne måten bidrar vindkraftverket indirekte til økt roterende reserve i kraftsystemet.