1. EXAMENSARBETE
Högskoletekniker med inriktning mot elkraft (TGEAT)
Institutionen för ingenjörsvetenskap
2011-05-27
Lokal kompensering av kapacitiv
jordfelsström.
Andreas Lundell Jakob Kadesjö
2. EXAMENSARBETE
i
Lokal kompensering av kapacitiv jordfelsström.
Sammanfattning
Allt eftersom att kraven på driftsäkerhet ökar väljer företagen att kablifiera
mellanspänningsnätet på landsbygden. Detta medför problem med kapacitiva
jordfelsströmmar, då de ökar kraftigt vid kablifiering. För att följa föreskrifter måste dessa
strömmar kompenseras bort. Kompenseringen görs med hjälp av en spole som genererar
en induktiv ström, vilket är i motsatt rikting mot nätets kapacitiva jordfelsström.
Kompenseringen kan ske med hjälp av två metoder, antingen med central kompensering i
fördelningsstationen eller med lokal kompensering i nätstationen på utgående ledningar
från fördelningsstationen. Författarna bakom denna rapport har fått i uppdrag av Kungälv
Energi AB att ta fram förslag på placering av reaktorer för lokal kompensering. Rapporten
beskriver grundläggande teorier som bör kännas till, förklaring på olika kompenserings-
metoder och tillvägagångssätt för att komma fram till optimal placering. Resultatet av
denna rapport blev ett förslag till placering av tre reaktorer ämnade för lokal kompensering.
Datum: 2011-05-27
Författare: Andreas Lundell, Jakob Kadesjö
Examinator: Ulf Sandberg, Högskolan Väst, ulf.sandberg@hv.se
Handledare: Gert Risberg, Kungälv Energi AB
Program: Elanläggningsteknik
Huvudområde: Elektroteknik Utbildningsnivå: Grundnivå
Poäng: 15 högskolepoäng
Nyckelord: Kapacitiv, Jordfelsström, nollpunktsreaktor, kompensering, lokal kompensering
Utgivare: Högskolan Väst, Institutionen för ingenjörsvetenskap,
461 86 Trollhättan
Tel: 0520-22 30 00 Fax: 0520-22 32 99 Web: www.hv.se
3. BACHELOR’S THESIS
ii
Local compensation of capacitive earth fault current
Summary
As the requirements for reliability increases, the companies choose to wire medium voltage
network in rural areas. This entails that the problem of capacitive earth fault currents is
increasing sharply. Comply with regulations; the capacitive earth fault currents must be
compensated. The compensation is done with a coil that generates a current in opposite
direction to the networks capacitive earth fault currents. The compensation can be done in
two ways, one is central compensation in the distribution station, and the second one is a
local compensation of the substation out of line. The writers behind this report have been
requested of Kungälv Energi AB to make suggestions on placement of reactors for local
compensation. The report describes some basic theories that should be known, explanation
of various compensation methods and procedure to come up with optimal position. The
result was a proposal to deploy three reactors for compensation on a power line.
Date: May 27, 2011
Author: Andreas Lundell, Jakob Kadesjö
Examiner: Ulf Sandberg, Högskolan Väst, ulf.sandberg@hv.se
Advisor: Gert Risberg, Kungälv Energi
Programme: Power System Technology
Main field of study: Electrical Engineering Education level: first
Credits: 15 HE credits
Keywords Capacitive, Local compensation, neutral reactor, Ground fault current
Publisher: University West, Department of Engineering Science,
S-461 86 Trollhättan, SWEDEN
Phone: + 46 520 22 30 00 Fax: + 46 520 22 32 99 Web: www.hv.se
4. Jordfelsströmmar vid kablifiering av landsbygdsnät
iii
Förord
Detta Examensarbete vid Högskolan Väst har utförts på uppdrag av Kungälv Energi AB.
Vi vill tacka Kungälv Energi AB för visat förtroende.
Ett speciellt tack till:
Gert Risberg, Kungälv Energi AB
Magnus Hermansson, Kungälv Energi AB
Göran Sandberg, Kungälv Energi AB
Ulf Karle, Kungälv Energi AB
Arne Berlin, Vattenfall Power Consulting/ Högskolan Väst.
5. Jordfelsströmmar vid kablifiering av landsbygdsnät
iv
Innehåll
Sammanfattning .................................................................................................................................i
Local compensation of capacitive earth fault current .................................................................ii
Summary.............................................................................................................................................ii
Förord................................................................................................................................................iii
Nomenklatur.....................................................................................................................................vi
1 Inledning......................................................................................................................................1
1.1 Bakgrund/problembeskrivning......................................................................................1
1.2 Kungälv Energi AB .........................................................................................................1
1.3 Syfte/ mål/avgränsningar...............................................................................................1
2 Bakgrundsteori............................................................................................................................2
2.1 Jordfelsströmmar .............................................................................................................2
2.2 Kompensering av jordfelsströmmar..............................................................................3
2.2.1 Central kompensering........................................................................................4
2.2.2 Lokal kompensering...........................................................................................4
2.3 Starkströmsföreskrifter....................................................................................................6
3 Olika typer av utlokaliserade spolar.........................................................................................7
3.1 Utanpåliggande spole.......................................................................................................7
3.2 Transformator med inbyggd spole................................................................................8
3.3 Hexaformer transformator med inbyggd spole...........................................................8
4 Tillvägagångssätt.........................................................................................................................9
4.1 Steg 1, avstämning av nollpunktsreaktorer...................................................................9
4.1.1 Resultat ..............................................................................................................10
4.1.2 Analys.................................................................................................................10
4.2 Steg 2, nätberäkningar ...................................................................................................10
4.2.1 Metod 1 Facilplus.............................................................................................11
4.2.2 Metod 2 Manuella beräkningar.......................................................................11
4.3 Jämförelse av resultat.....................................................................................................12
4.4 Kompenseringsbehov vid reservmatning...................................................................12
5 Förslag till kompensering........................................................................................................13
5.1 Nätstation, 6038 Silversväg...........................................................................................13
5.2 Nätstation, 5092 Norra Aröd.......................................................................................14
5.3 Nätstation, 6053 Kolekärr ............................................................................................14
6 Resultat ......................................................................................................................................14
6.1 Driftomläggning.............................................................................................................14
6.2 Ekonomi..........................................................................................................................14
7 Slutsats .......................................................................................................................................16
Källförteckning................................................................................................................................17
Bilagor
A. L604
B. Reservmatning
C. Områden för kompensering
7. Jordfelsströmmar vid kablifiering av landsbygdsnät
vi
Nomenklatur
𝐼0𝑐 Ledningens kapacitiva tomgångsström (A)
𝐼𝑐𝑗 Kapacitiv jordfelsström, i detta fall 𝐼𝑐𝑗 = 3 ∙ 𝐼0𝐶
𝐼𝑟𝑗 Nollpunktsmotståndets ström (A)
𝐼 𝑥𝑗 Nollpunktsreaktorns ström (A)
𝐼𝑗 Totala jordfelsströmmen (A)
𝑋 𝑛 Nollpunktsreaktor
𝑅 𝑛 Nollpunktsmotstånd
8. Jordfelsströmmar vid kablifiering av landsbygdsnät
1
1 Inledning
Denna rapport beskriver ett arbete om lokal kompensering av kapacitiva
jordfelsströmmar i 10 kV nätet ägt av Kungälv Energi AB.
1.1 Bakgrund/problembeskrivning
Allt eftersom kraven på leveranssäkerheten ökar väljer energibolagen att övergå från
luftledning till markkabel i mellanspänningsnäten på landbygden. Detta görs för att
vädersäkra nätet. Markkabel är inte känslig för vädrets påverkan, då den ligger
skyddad i marken. Med denna metod fås ett mer driftsäkert nät jämfört med
luftledning som vid till exempel stormar ofta drabbas av driftstörningar.
När kablifieringen av näten ökar, framför allt på landsbygden, ökar också de
kapacitiva jordfelsströmmarna kraftigt. Jämfört med en luftledning genererar en
markkabel upp till 50 gånger högre kapacitiv ström.
För att följa starkströmsföreskrifterna (se stycke 2.2) måste dessa strömmar
kompenseras för att begränsa beröringsspänningen som kan uppstå i jordade delar vid
jordfel. På Kungälv Energi AB sker denna kompensering med nollpunktsreaktorer ute
i fördelningsstationerna.
1.2 Kungälv Energi AB
Kungälv Energi AB är ett kommunalt energibolag i Kungälvs kommun. Bolaget har
tre affärsområden, Elnät, Värme och Bredband. El-distributionsområde innefattar
Kungälvs Kommun (utom Marstrand), Jörlanda i Stenungsunds kommun och
Torskog i Lilla Edets kommun. Kungälv Energis nät är anslutet till Vattenfalls
överliggande regionnät via två mottagningsstationer, M1 i Kungälv och M9 i Rollsbo.
I dessa stationer transformeras regionledningens spänning på 130 kV ned till 10- och
20 kV. Kungälv Energi AB har fem stycken fördelningsstationer (M2-M6) som matas
med ett 20 kV slingnät. Transformeringen i dessa stationer är 20/10 kV.
1.3 Syfte/ mål/avgränsningar
Detta examensarbete går ut på att dimensionera nollpunktsreaktorer ute i
fördelningsstationerna, samt utplacering av reaktorer för lokal kompensering av
kapacitiva jordfelsströmmar. Hänsyn ska tas till framtida utbyggnad och reserv-
matning. Med rätt placerade reaktorer skall omkoppling mellan fördelningsstationerna
inte innebära något behov av justering av nollpunktsreaktorerna i fördelnings-
stationern. Målet är att se över nätet från fördelningsstationen M6 i Kode.
Steg ett - beräkna och analysera vilken sträcka som genererar störst kapacitiv
felström.
9. Jordfelsströmmar vid kablifiering av landsbygdsnät
2
Steg två - undersöka optimal placering av lokal kompensering.
Rapporten innehåller inte några djupare ekonomiska aspekter. Någon geografisk
planering av kabelförläggning kommer inte göras.
2 Bakgrundsteori
Kapitlet beskriver grundläggande teorier som är nödvändig att känna till för att förstå
denna rapport.
2.1 Jordfelsströmmar
Varje isolerad ledare placerad i närheten av jord erhåller en kapacitiv koppling likt en
kondensator [9]. Detta medför att det kommer flyta en kapacitiv tomgångsström (𝐼0𝑐)
i ledningen oberoende om ledningen är belastad eller ej, se Figur 2.1.
Figur 2.1. Figuren visar de kapacitiva tomgångsströmmarna vid normal drift.
Storleken på den kapacitiva tomgångsströmen för markkabel kan beräknas med
samband (1)
𝐼0𝑐 = 𝜔𝐶𝑈𝑓 (1)
Där
𝜔 = 100𝜋
𝐶 = 𝑙𝑒𝑑𝑛𝑖𝑛𝑔𝑒𝑛𝑠 𝑘𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑎𝑛𝑠
𝐼0𝑐 för luft ledning räknas ut med sambandet nedan
𝐼0𝑐 = 𝑈ℎ
𝐿
300
(2)
Där
𝑈ℎ = ℎ𝑢𝑣𝑢𝑑𝑠𝑝ä𝑛𝑛𝑖𝑛𝑔𝑒𝑛 𝑖 𝑘𝑉
𝐿 = 𝑘𝑎𝑏𝑒𝑙𝑙ä𝑛𝑔𝑑𝑒𝑛 𝑖 𝑘𝑚
𝐼0𝑐
𝐼0𝑐
𝐼0𝑐
10. Jordfelsströmmar vid kablifiering av landsbygdsnät
3
Vid ett jordfel i en markkabel blir den kapacitiva jordfelsströmmen (𝐼𝑐𝑗) tre gånger
större än den kapacitiva tomgångsströmen.
2.2 Kompensering av jordfelsströmmar
Storleken på jordfelsströmmen i ett icke direktjordat nät bestäms av nätets kapacitiva
koppling samt systemets nollpunktskoppling till jord. För att minska den kapacitiva
jordfelsströmmen i nätet ansluts en nollpunktsreaktor (𝑋 𝑛) till transformatorns
nollpunkt. Vid ett jordfel genererar nollpunktsreaktorn en ström (𝐼 𝑥𝑗) i motsatt
riktning mot nätets kapacitiva jordfelsström (Figur 2.2). Detta medför att den totala
resulterande jordfelsströmmen 𝐼𝑗 minskar kraftigt [3].
Normalt finns ett motstånd (𝑅 𝑛) inkopplat parallellt med 𝑋 𝑛, för att generera
tillräckligt stor utlösningsström så att reläskydden ska kunna detektera fel [8]. 𝑅 𝑛
genererar en aktiv ström (𝐼𝑟𝑗) som också matas mot felstället. Följden av 𝐼 𝑥𝑗 och 𝐼𝑟𝑗
blir att jordfelsströmmen genom felstället minskar.
Figur 2.2. Schemat visar de olika strömmarna vid jordfel.
Den resulterande jordfelsströmmen efter kompensering kan beräknas med följande
samband (3).
𝐼𝑗 = √ 𝐼𝑟𝑗
2
+ (𝐼𝑐𝑗 − 𝐼 𝑥𝑗)
2
(3)
𝐼0𝑐 𝐼0𝑐
𝐼𝑐𝑗 = 3 ∙ 𝐼0𝑐
𝑋 𝑛 𝑅 𝑛
𝐼𝑗
𝐼𝑥𝑗
𝐼𝑟𝑗
11. Jordfelsströmmar vid kablifiering av landsbygdsnät
4
2.2.1 Central kompensering
Med central kompensering menas att reaktorn är placerad i fördelningsstationen.
Reaktorn, också kallad Petersénspole, är parallellkopplad med ett nollpunktsmotstånd.
Reaktorn är en variabel reaktans som ställs in manuellt eller automatiskt beroende på
typ.
En manuell reaktor ställs in för hand genom att på plats skruva på regleranordningen
med hjälp av en vev. Automatisk inställbar reaktor känner av nätets kapacitiva bidrag
och ställer in sig automatiskt efter nätets behov. Kungälv Energi AB använder i
dagsläget central kompensering i fördelningsstationerna. Reaktorerna som används är
manuella och måste därmed manövreras på plats.
2.2.2 Lokal kompensering
Allt eftersom markkabelnätet ökar räcker inte befintliga central kompensering till.
Istället för att köpa in en ny större nollpunktreaktor för central kompensering kan
metoden med lokal kompensering tillämpas.
Lokal kompensering innebär att en spole motsvarande 10 – 15 A induktiv
kompenseringsström placeras ut i distributionstransformatorns nollpunkt på
högspänningssidan.
Rent teoretisk skulle metoden med lokal kompensering kunna ersätta den befintliga
centrala kompenseringen. Lokal kompensering fungerar i praktiken som ett
komplement till den befintliga centrala kompenseringen.
Det finns två huvudmotiv till varför lokal kompensering används:
Minska 𝐼𝑟-strömmen vid långa markkabellängder
Stabilisera reglering av kompensering vid sektionering
Enligt en analys som gjorts i examensarbetet skrivet av Lars Andersson [2], är det inte
gynnsamt att placera spolarna nära fördelningsstationen. Genom att istället placera
spolarna längre ut på ledningen kan ”transportsträckan” av 𝐼𝑟-stömmen minska.
Om ett fel uppstår långt ut på en ledning och ingen lokal kompensering finns, blir
transportsträckorna av den reaktiva kompenseringsströmmen långa. Detta orsakar
aktiva förluster i nätet vilket försämrar känsligheten hos nollspänningsskydden.
Varje utlokaliserad nollpunktsreaktor antas ha ett nollföljdsförhållande (R/X) som är
2 – 2,5 %. Detta medför att varje utlokaliserad nollpunktsreaktor ger ett tillskott på
aktiv ström. Denna aktiva ström kan oftast försummas eftersom
”transportsträckorna” är för korta för att visa någon effekt. Lars Anderssons [1]
studier visar också att:
”en utledning inte ska kompenseras fullt ut. En underkompensering på cirka 20 A är det
ideala”.
12. Jordfelsströmmar vid kablifiering av landsbygdsnät
5
Med underkompensering menas att ledningen inte kompenseras fullt ut från
fördelningsstationen. De första 20 Amperen kompenseras centralt medans resterande
kompenseras med utlokaliserade reaktorer. se Figur 2.3.
Figur 2.3 visar principen med underkompensering av en ledning.
En stor fördel med lokal kompensering är att sektioneringsområdet blir själv-
kompenserande, vilket innebär att nollpunktsreaktorn i matande fördelningsstation
inte påverkas.
Carl Evaldsson har i sitt examensarbete [3] kommit fram till två egenskaper för att
lokal kompensering ska kunna användas på ett så ekonomiskt och problemfritt sätt
som möjligt. Dessa egenskaper är:
”Effektbehovet för stationen ska helst inte överstiga 100 kVA”
”Reaktorn ska helst inte placeras i en station som matas av luftledning. Luftledningen är
störningskänsligare och där med är det större risk att reaktorn försvinner ur nätet om en
storm skulle inträffa.”
Anledningen till att effektbehovet inte bör överskrida 100 kVA är att det inte är
ekonomiskt försvarbart för företaget att köpa in större transformator då prisskillnaden
är stor.
Området för
underkompensering, 20 A
10 A 10 A20/10 kV
Nollpunktsutrustning
i fördelningsstationen
Distributionstransformator med 10 A
spole för kompensering
Område för lokal kompensering
13. Jordfelsströmmar vid kablifiering av landsbygdsnät
6
2.3 Starkströmsföreskrifter
Enligt Kap 5 § 6 [1] finns inget krav på bortkoppling för endast markkabel i nät med
25 kV nominell spänning. Men krav på automatisk signalering finns.
Enligt Kap 5 § 4 - 5 [1] ska frånkoppling vara säkerställd, beroende på ledningstyp, för
resistansvärden 3000 respektive 5000 ohm.
I tabell 2.4 [1] visas högsta tillåtna spänningssättning av utsatta delar och längsta tid
innan automatisk frånkoppling av anläggningen.
Tabell 2.4 Högsta tillåtna värden vid spänningssättning av jordade delar [1].
Anläggningsdel Högsta tillåtna värden vid enpoligt jordslutning
Frånkoppling automatiskt
inom
Signalera
automatiskt
2 Sekunder 5 sekunder
Skyddsledare och PEN-ledare
som tillhör något annat
ledningssystem anslutet över
transformator i vilket en punkt
är direkt jordad (TN-system)
- vid gemensam jordning 100 V 100 V 50 V
- vid skilda jordningar 200 V 200 V 100 V
Utsatta dela i driftrum eller på
sådana platser där människor
ofta vistas
400 V 300 V 100 V
Övriga delar 800 V 600 V 200 V
Eftersom Kungälv Energi AB nät är samjordat kan ur Tabell 2.4 fås att högsta
spänning vid enpoligt jordfel inte får överskrida 100 V. Som nämnts tidigare måste
den kapacitiva jordfelsströmmen kompenseras för inte spänningen ska överskrida 100
V. Ur sambandet nedan kan det ses att beröringsspänningen är beroende av storleken
på strömmen genom felstället och jordtagets resistans.
𝑈𝑗 = 𝑅𝑗 ∙ 𝐼𝑗
Beröringsspänningen är alltså den potentialskillnad som kan uppstå mellan jordade
och ojordade delar. Till exempel mellan spisen och diskbänken i köket.
Genom att kompensera bort delar av strömmen kan en högre resistans i jordtaget
tillåtas utan att spänningen överskrider maxvärdet.
14. Jordfelsströmmar vid kablifiering av landsbygdsnät
7
3 Olika typer av utlokaliserade spolar
Detta kapitel behandlar tre olika utföranden av lokal kompenseringsutrustning. De tre
utförandena är transformator med utanpåliggande spole, transformator med inbyggd
spole och Hexaformer-transformator med inbyggd spole. Transformatorerna med
lokal kompenseringsutrustning finns i storlekarna 50 kVA – 315 kVA. De flesta
fabrikaten som erbjuder distributionstransformatorer för lokal kompensering har en
inbyggd Petersénspole.
3.1 Utanpåliggande spole
En äldre variant av reaktor är nollpunktsinduktor [8]. Denna typ av reaktor består av
en luftisolerad kopparspole monterad mellan två gavlar av isolermaterial.
Transformatorn har ingen järnkärna och ingen deltalindning, vilket medför sämre
elektriska egenskaper.
Reaktorn kopplas till högspänningssidans nollpunkt i en transformator med
kopplingstyp YNzn [8]. Nackdelen med denna reaktor är att vid ett isolationsfel blir
systemet direktjordat och jordfelsströmmen ökar då kraftigt, från cirka 10 A till 5-10
kA. Bild 3.1 visar hur en nättransformator med inkopplad nollpunktsinduktor ser ut.
Bild 3.1 bilden visar en nättransformator med inkopplad nollpunktsinduktor.
Nollpunktsinduktorn är den röd-gula spolen till vänster i bilden.
15. Jordfelsströmmar vid kablifiering av landsbygdsnät
8
3.2 Transformator med inbyggd spole
En distributionstransformator med inbyggd spole bygger på principen med en trebent
transformator där en Petersénspole kopplas mellan transformatorns nollpunkt och
jord på högspänningssidan.
Det finns två huvudfabrikat som rapporten beskriver. Det är transformatorer med
inbyggd spole från ABB och Transfix. Transformatorer med inbyggd spole från
Transfix har en inbygg deltakopplad utjämningslindning med kopplingstyp Znyn.
Utjämningslindningen, även kallad deltalindning, används för att sänka
nollföljdsimpedansen i transformatorn.
Transfix har även en inbyggd högspänningssäkring, vilket gör transformatorn
självskyddande. Spolen ger ett lågt bidrag av aktiv ström. Transformator med inbygg
spole, från Transfix, finns i storlekarna 100- och 200 kVA. ABB har en transformator
med liknande lösning.
3.3 Hexaformer transformator med inbyggd spole
Kungälv Energi AB har valt att köpa in tre transformatorer av märket Hexaformer.
Hexaformer är en oljeisolerad 3-fas transformator med inbyggd Petersénspole,
konstruktionen av transformatorn skiljer sig från andra tillverkar med sin udda
konstruktion[7].
Spolarna som används är 10 A för 11 kV system och 15 A i 22 kV system [7].
Transformatorns finns i utförande från 100 kVA – 315 kVA. Transformatorn har ett
R/X förhållande på <2,5 % [7].
Transformatorn är tringelformad och är av kopplingstyp ZNzn (se figur 3.2), vilket
medför att utjämningslindning i Petersénspolen inte behövs [7]. Fördelen med den här
konstruktionen är att nollpunkten på primärsidan förblir stabil även vid ojämn
belastning mellan faserna på sekundärsidan [7]. Petersénspolen blir endast aktiv vid
jordfel på högspänningssidan.
Figur 3.2. visar uppbyggnad av Hexaformers transformator med inbyggd 10 A Petersénspole. [7]
16. Jordfelsströmmar vid kablifiering av landsbygdsnät
9
4 Tillvägagångssätt
Två steg har används för att komma fram till optimal placering av nollpunkts-
reaktorerna. Första steget är avstämning av nollpunktsreaktorer i fördelnings-
stationerna. Syftet med avstämningen är att få rätt avstämda nollpunktsreaktorer samt
få en tydlig bild på vilken fördelningsstation som är högst belastad av kapacitiva
jordfelsströmmar. Steg två är nätberäkningar. Nätberäkningarna görs på
fördelningsstationens utgående ledningar.
4.1 Steg 1, avstämning av nollpunktsreaktorer
Vid avstämning av centrala nollpunktreaktorer utnyttjas den befintliga
driftosymmetrin vilket främst uppkommer vid olika steg på nollpunktsreaktorn.
Denna spänning bildar en resonanskurva där nollpunktsspänningen är en funktion av
reaktorströmmen. När reaktorn är avstämd mot nätets kapacitiva jordfelsström fås en
resonanspunkt. För att få en tydligare resonanspunkt kan nollpunktsmotståndet
kopplas ur under mätningen.
Figur 4.1 diagrammet visar typisk resonanskurva.
En annan metod för att ställa in nollpunktreaktorn är att beräkna den optimala
inställningen, metoden bygger på att en ströminjiceringsutrustning används i
nollpunkten för att injicera en ström och därmed förändrar nätets symmetri. Genom
att mäta ström och spänningsförändring vid injicering kan resonanspunkten beräknas
fram. Denna metod har inte används då ströminjiceringsutrustning inte fanns att tillgå
på Kungälv Energi AB.
0,76
0,78
0,80
0,82
0,84
0,86
0,88
0,90
47 48 49 50 51 54 56 57 58 59 60
U0
Inställt strömvärde på central nollpunktsreatorn [A]
Serie1
Resonanspunkt
17. Jordfelsströmmar vid kablifiering av landsbygdsnät
10
Det inställda värdet på reaktorn bör ligga några Ampere från resonanspunkten, detta
för att få en liten snedavstämning. Snedavstämning innebär alltså att reaktorn inte är
helt inställd efter nätets behov. Ur detekteringssynpunkt krävs en viss snedavstämning
för att inte nollföljdsspänningen ska bli för liten för att reläskydden ska kunna
detektera fel. Resultatet efter avstämning visas i Tabell 4.1.
4.1.1 Resultat
Tabell 4.1 visar värden på reaktorstorlek och inställt värde efter avstämning utförd genom mätningar
på reaktorerna.
Station Inställt värde [A] Reaktorstorlek
[A]
M1-T1 68 126
M1-T2 >80 80
M1-T3 49 126
M2 22 63
M3 89 126
M4 54 63
M5 48 63
M6 >63 63
M9-T1 57 80
M9-T2 31 80
4.1.2 Analys
Avstämningen visar att nollpunktsreaktorn i fördelningsstationerna M6 i Kode och
M1-T2 i Kungälv är inställd på ett värde större än reaktorns storlek. M1-T2 är
planerad att bytas ut mot en större reaktor. För att undgå byte av reaktorn i
fördelningsstation M6 kommer lokal kompensering av utgående ledningar från M6
tillämpas. Rapporten kommer här efter att behandla utgående ledningar från M6.
4.2 Steg 2, nätberäkningar
Detta kapitel behandlar två metoder som används vid nätberäkningar. Metod ett
utfördes med hjälp av programmet Facilplus, metod två gjordes med manuella
beräkningar. Utgående mellanspänningsnät från fördelningsstationen M6 består av
fyra stycken ledningar, L601-L604. Varje ledning består i sin tur av ledningssträckor
med olika förläggningssätt och kabeltyper.
18. Jordfelsströmmar vid kablifiering av landsbygdsnät
11
4.2.1 Metod 1 Facilplus
För att utföra beräkningar på nätet använder sig Kungälv Energi AB av programmet
Facilplus. Där fås bland annat information om geografisk placering av ledningsnätet,
kabellängder, kabeltyper, förläggningssätt samt nätstationens typ och utförande.
Facilplus gör nätberäkningar med hänsyn tagen till bland annat kabeltyp, förläggnings-
sätt och spänningsnivå. Resultatet efter gjorda beräkningar i Facilplus redovisas i
Tabell 4.2
4.2.1.1 Resultat
Tabell 4.2 visar vad varje ledning ut från fördelningsstationen M6 genererar i kapacitiv jordfelsström
samt det totala värdet.
Ledning 𝐼𝑐𝑗 [A]
L601 20.5
L602 3.9
L603 6.6
L604 40.1
Totalt 71.1
4.2.1.2 Analys
Som tabell 4.2 visar är den totala kapacitiva jordfelsström för fördelningsstationen M6
71.1 A. Det höga kapacitiva bidraget beror på att stor del av ledningarna är utförd
som markkabel. Som kan ses ur tabellen är L604 den ledning som genererar högst
kapacitiva jordfelsström, 40,1 A, detta beror på att stor del av ledningen, 18.2 km, är
utförd som markkabel.
4.2.2 Metod 2 Manuella beräkningar
För manuella beräkningar används samband (1, 2). Hänsyn vid manuella beräkningar
är tagen till kabeltyp, kabelarea, förläggningssätt och driftspänning. Beräkningar valdes
att göras på ledning L604 då den genererar högst kapacitiva jordfelsström enligt
tidigare analys. Fabrikatet på kablarna som används vid manuella beräkningar är
Ericsson och Prysmian [4-6], kabeldata visas i Bilaga D. Resultatet av beräkningarna
vid driftspänning 10.7 kV redovisas i tabell 4.3.
19. Jordfelsströmmar vid kablifiering av landsbygdsnät
12
4.2.2.1 Resultat
Tabell 4.3 visar L604 totala längd och totala kapacitiva strömbidrag.
Ledning Total längd [km] Totalt 𝑰 𝒄𝒋 [A]
L604 36,3 41,4
4.2.2.2 Analys
Efter gjorda manuella beräkningar på ledning L604 kan det konstateras att resultatet
av beräkningarna inte helt stämmer överens med resultatet från beräkningar med
Facilplus.
4.3 Jämförelse av resultat
När metoderna jämfördes konstaterades det att resultatet inte helt stämmer överens.
(se tabell 4.4). Vidare studier gjordes då i Facilplus. Vid beräkningar i Facilplus
används en märkspänning som är satt till 10,5 kV, verkliga driftspänningen på
Kungälv Energi AB är 10,7 kV. Resultatet av beräkningarna i Facilplus blir då något
felaktiga. Metod 2 är där med att föredra.
Tabell 4.4 visar resultatet av uträkningar på ledning L604.
Beräkningsmetod 𝑰 𝒄𝒋 för ledning L604
[A]
Metod 1 40,1
Metod 2 41,4
4.4 Kompenseringsbehov vid reservmatning
För att få ett självkompenserande nät måste hänsyn tas till frånskiljningspunkter i
nätet [8]. Placering bör ske mellan två frånskiljningspunkter och storleken på
mellanliggande nät bör generera en total kapacitiv jordfelsström som motsvarar
storleken på den utlokaliserade spolen.
Detta medför att vid reservmatning från en annan fördelningsstation kommer inte
grundinställningarna påverkas hos nollpunktsreaktorn i matande fördelningsstation.
L604 kan reservmatas från två olika punkter (Bilaga B), antingen från ledningen L503
från fördelningsstationen M5 eller från ledning L601 från fördelningsstationen M6.
När matning från M5 sker påverkas för närvarande inställningarna på
nollpunktsreaktorn. Utan lokal kompensering på L604 skulle M5 vid reservmatning få
ett tillskott på kapacitiv jordfelsström på 41,4 A, detta innebär att nollpunktreaktorn i
M5 skulle få en kraftig snedavstämning.
20. Jordfelsströmmar vid kablifiering av landsbygdsnät
13
5 Förslag till kompensering
Efter gjorda beräkningar på utgående ledningar från fördelningsstationen M6 har
ledning L604 valts att kompenseras. Dels för att denna ledning generar en hög
kapacitiv jordfelsström samt att den kan reservmatas från en annan fördelningsstation.
Bilaga A visar L604:s utbredning. Heldragen linje visar luftledning och streckad linje
visar markkabel.
Vid placering av lokal kompensering bör hänsyn tas till:
Sektioneringspunkter
Transformatorns storlek
Inkommande matning
Placering på ledning
För att kompensera ledning L604 finns två alternativ. Ett alternativ skulle vara att byta
ut nuvarande nollpunktsreaktor i M6 mot en större nollpunktsreaktor. För att inte
problemet med stor snedavstämning, vid reservmatning, ska kvarstå skulle det då
behövas köpas in ytterligare en nollpunktsreaktor, med automatik, till fördelnings-
stationen M5. Detta för att klara föreskriftskraven vid reservdrift.
Ur både tekniska och ekonomiska aspekter bedöms inte detta som rimligt. Därför
kommer här presenteras tre förlag på placering av transformatorer med inbyggd spole
för lokal kompensering.
5.1 Nätstation, 6038 Silversväg
6038 Silversväg är en markstation som matas med en 11 kV markkabel. Stationen har
tre utgående lågspänningsledningar. Transformatorn i stationen är på 315 kVA och är
belastad till 36 % vid höglast.
Efter beräkningar i Facilplus kunde det konstateras att den befintliga transformatorn
på 315 kVA kunde ersättas med en transformator på 100 kVA med inbyggd 10A
spole.
Belastningsgraden med den nya transformatorn kommer vid höglast att ligga på
87,1%. Hänsyn vid beräkningar har tagits till planerad utbyggnad. En 10 A reaktor
beräknas kompensera den rödmarkerade sträckan i bilaga A figur 4.
21. Jordfelsströmmar vid kablifiering av landsbygdsnät
14
5.2 Nätstation, 5092 Norra Aröd
5092 Norra Aröd är också en markstation, stationen matas även den av en 11 kV
markkabel med har fyra utgående lågspänningsledningar. Befintlig transformator i
stationen är på 200 kVA och är belastad till 87 % vid höglast.
Här ges ett förslag på att byta ut befintlig transformator på 200 kVA till en Hexaform-
transfomator på 100 kVA. Belastningsgraden vid höglast bli 106,5 %.
Detta bedöms rimligt då en transformator kan belastas upp till 120 % under en vis tid.
En 10 A reaktor beräknas kompensera den blåmarkerade sträckan i bilaga A figur 4
5.3 Nätstation, 6053 Kolekärr
6053 Kolekärr, markstation med tre utgående lågspänningsledningar. Stationen är
matad med en 11 kV markkabel och transformatorn som transformerar ner
spänningen till 0,4 kV är på 100 kVA.
Befintlig 100 kVA transformator byts ut mot en 100 kVA transformator med 10 7A
spole. Belastningsgraden i detta fal blir oförändrad. En 10A reaktor beräknas
kompensera den grönmarkerade sträckan i bilaga A figur 5.
6 Resultat
Detta kapitel redovisar konsekvenserna av placeringen av de utlokaliserade
nollpunktsreaktorerna.
Resultatet av kompenseringen blir att cirka 28 A av den kapacitiva jordfelsströmmen
kommer att kompenseras lokalt ute på ledningen, resterande 13,28 A kompenseras via
den centrala nollpunktsreaktorn.
Det medför också att det inställda värde, >63, på den centrala nollpunktsreaktorn i
M6, kan minskas. Enligt Facilplus genererar utgående mellanspänningsnätet från
fördelningsstationen M6 en kapacitiv ström på 70,1 A, med lokal kompensering av
L604 skulle denna ström minska till 42,1 A.
6.1 Driftomläggning
Genom att utnyttja lokal kompensering av ledning L604 blir stor del av ledningen
självkompenserande. Fördelen med detta blir att nollpunktsreaktorn i M5 vid
reservmatning inte får lika stor snedavstämning.
6.2 Ekonomi
Ur ekonomiska aspekter kan det vara lönsamt att använda reaktorer för lokal
kompensering. Alternativt skulle den centrala nollpunktsreaktorn kunna bytas ut mot
en ny större.
22. Jordfelsströmmar vid kablifiering av landsbygdsnät
15
Som nämndes tidigare i rapporten behövs då två nya centrala nollpunktsreaktorer med
automatik köpas in, för att inte problemet med stor snedavstämning vid
reservmatning ska kvarstå. Kungälv Energi AB har valt att köpa in tre stycken
transformatorer, från Hexaformer, med inbyggd Petersénspole för lokal
kompensering. De har ett styckpris på 88 250 kronor (prisuppgifterna är hämtade ur
fakturor på Kungälv Energi AB).
En ny större central nollpunktsreaktor med automatik till fördelningsstationen kostar
cirka 290 000 kronor/styck. I priset ingår en nollpunktsreaktor med reglerområde 20-
200 A, ett 5 A nollpunktsmotstånd, ströminjiceringsutrustning och utrustning för
automatik.
Tabell 6.1 tabellen visar en ekonomisk jämförelse mellan central- alternativt lokal kompensering.
Typ styckpris antal totalt
Central kompensering 290 000 kr 2 580 000 kr
Lokalkompensering 88 250 kr 3 246 750 kr
Prisskillnad 333 250 kr
Som kan ses ovan är lokal kompensering i detta fall en billig lösning på att minska
problemen med kapacitiv jordfelsström vid förläggning av markkabel.
23. Jordfelsströmmar vid kablifiering av landsbygdsnät
16
7 Slutsats
Lokal kompensering är en säker, enkel och robust metod att kompensera kapacitiva
jordfelsströmmar. Denna rapport visar även at det är ekonomiskt försvarbart att
använda denna metod. Andra fördelar med lokal kompensering är:
Den aktiva strömmen minskar
”Transportsträckan” av kapacitiv jordfelsström minskar
Snedavstämningen vid reservmatning från annan fördelningsstation minskar.
Lokal kompensering är ett komplement till central kompensering. Dock måste hänsyn
tas till vissa punkter som nämnts tidigare.
Vid placering av lokala reaktorer eftersträvas självklart att få en så optimal placering
som möjligt. Det är inte alltid möjligt beroende på stationens utförande eller
transformatorns effekt. Istället placeras då transformatorn, med inbyggd spole, så nära
den optimala placeringen som möjligt.
I detta fall har optimal placering inte kunnat tillämpas fullt ut. Stationen 5092 Norra
Aröd blir vid höglast något överbelastad men vald placering bedöms ändå som rimlig.
Lokal kompensering av L604 ses vara den mest effektiva och mest ekonomiska
metoden att minska kapacitiv jordfelsström i fördelningsstationen M6.
24. Jordfelsströmmar vid kablifiering av landsbygdsnät
17
Källförteckning
1. Elsäkerhetsverket (2008). ELSÄK-FS 2008:1. [Elektronisk] Elsäkerhetsverket.
Tillgänglig:
<http://www.elsakerhetsverket.se/Global/F%C3%B6reskrifter/2008-1.pdf>
[2011-04-12]
2. Andersson, Lars (2006). Analys av systemegenskaper vid kablifiering av
mellanspänningsnät. [Elektronisk] Högskolan Väst, Institutionen för teknik,
matematik och datavetenskap. Tillgänglig <http://hv.diva-
portal.org/smash/record.jsf?searchId=4&pid=diva2:214934> [2011-04-18]
3. Evaldsson, Carl (2010). Kompensering av kapacitiva jordfelsströmmar i 10 kV kabelnät.
Högskolan Väst, Institutionen för teknik, matematik och datavetenskap.
4. Ericsson.com (2010). AXCEL-LT (12)kV. [Elektronisk] Ericsson.com.
Tillgänglig <
http://archive.ericsson.net/service/internet/picov/get?DocNo=3/28701-
FGC101681&Lang=EN > [2011-05-04]
5. Ericsson.com (2010). AXCEL, AXCEK 6/10(12)kV. [Elektronisk]
Ericsson.com. Tillgänglig <
http://archive.ericsson.net/service/internet/picov/get?DocNo=7/28701-
FGC101681&Lang=EN&HighestFree=Y > [2011-05-04]
6. Ericsson.com (2010). AXKJ 6/10(12)kV. [Elektronisk] Ericsson.com. Tillgänglig
< http://archive.ericsson.net/service/internet/picov/get?DocNo=9/28701-
FGC101681&Lang=EN&HighestFree=Y > [2011-05-04]
7. Hexaformer Produktion AB (2010). 3 Phase transformers with Petersén coil, 11kV.
[Elektronisk]. Hexaformer Produktion AB. Tillgänglig <
http://www.hexaformer.com/ExternaDokument/Petersen-coil-11kV-
version2.1.pdf > [2011-05-16]
8. Sveriges elleverantörer (1998). Jordningsteknik och jordfelsströmmar vid kablifiering av
landsbygdsnät. Stockholm: Arne Löfgren Offset
9. Svenska Elföreningen (1992). Jordfelsteknik. Emmaboda: Åkesson
25. Jordfelsströmmar vid kablifiering av landsbygdsnät
Bilaga A:1
A. L604
Figur A.1. Visar hur ledning L604 breder ut sig. Figuren är hämtad ur Facilplus.
26. Jordfelsströmmar vid kablifiering av landsbygdsnät
Bilaga B:1
B. Reservmatning
Figur B.1. Schema visar punkter för reservmatning av ledning L604. Figuren är hämtad ur Facilplus
Punkten för
reservmatning från L601
Punkt för reservmatning
från L503,
fördelningsstation M5
27. Jordfelsströmmar vid kablifiering av landsbygdsnät
Bilaga C:1
C. Områden för kompensering
Figur C.1 visar område A (rödmarkerat) och B (blåmarkerat) i schemaform. Figuren är hämtad ur Facilplus.
Placering av
utlokaliserade spolar
med 10 A
kompensering i
stationen 6038 och
5092
28. Jordfelsströmmar vid kablifiering av landsbygdsnät
Bilaga C:2
Figur C.2. Visar område C (grönmärkt) i schemaform. Figuren är hämtad ur Facilplus.
Placering av utlokaliserad spole
med 10 A kompensering, 6053
29. Jordfelsströmmar vid kablifiering av landsbygdsnät
Bilaga D:1
D. Kabeldata
Tabell D.1. kabeldata på det kablar som används vid beräkning
Resistans
(ohm/km) Induktans Kapacitans
Jordfelsström vid 10,7
kV
Kabel beteckning Ledare Skärm (mH/km) (Uf/km) (A/km)
AXCEL 3x95/16 0,32 1,2 0,3 0,28 1,63
AXCE-LT 1x50/16 0,641 1,2 0,4/0,72 0,23 1,339
AXCE-LT 1x95/16 0,32 1,2 0,36/0,66 0,3 1,747
AXCE-LT 1x150/25 0,206 0,8 0,34/0,62 0,35 2,038
AXKJ 1x50/16 0,641 1,2 0,4/0,72 0,23 1,339
AXAL-TT 3x50/25AL 0,641 1,2 0,37 0,16 0,932
AXAL-TT 3x240/35AL 0,125 0,8 0,29 0,27 1,57
AXLJ-F LT 3x50/16 F1 0,641 1,2 0,33 0,24 1,397
AXLJ-F LT 3x95/16 F1 0,32 1,2 0,3 0,3 1,747
AXLJ-F LT 3x150/25 F1 0,206 0,8 0,29 0,36 2,096
AXLJ-F LT 3x240/25 F1 0,125 0,8 0,27 0,44 2,562
