145 KV GASSISOLERT ANLEGG MED TEKNISK REN LUFT SOM ISOLASJONSMEDIUM OG VAKUUM EFFEKTBRYTER

Transkript

1 145 KV GASSISOLERT ANLEGG MED TEKNISK REN LUFT SOM ISOLASJONSMEDIUM OG VAKUUM EFFEKTBRYTER Av Erik F. Haagensen, SIEMENS AS Medforfattere Terje Rønningen og Leif Ingar Stadheim, SIEMENS AS. Sammendrag SF 6 -gass har vært enerådende som bryter- og isolasjonsmedium i gassisolerte høyspenningsanlegg (>72,5 kv) siden 60-tallet. SF 6 -gass er også en meget sterk klimagass. Utslipp av 1 kg SF 6 -gass tilsvarer et utslipp på ca kg CO 2. Siemens lanserte i august 2016 et 145 kv-anlegg med teknisk ren luft som isolasjonsmedium og vakuum effektbryter. Dette er banebrytende teknologi som gjør at en nå får et reelt alternativ til bruk av SF 6 gass for spenningsnivåer opp til 145 kv.rapporten viser hvordan anlegget er bygget opp med bruk av teknisk ren luft som isolasjonsmedium og vakuum effektbryter. 1.INNLEDNING Koblingsanlegg er en viktig del av kraftsystemet. De vanligste regional- og sentralnettspenningene i Norge er 72,5, 145 og 420 kv. For koblingsanlegg i dette spenningsnivået skiller vi mellom luftisolerte (AIS) og gassisolerte anlegg (GIS). Gassisolerte anlegg ble utviklet på 60-tallet med SF 6 -gass som bryter- og isolasjonsmedium. SF 6 -gass utgjør ingen klimabelastning så lenge den ikke slippes ut i omgivelsene. Normene setter krav om at utslippene av SF 6 skal være <0,5 % pr. gassrom pr. år. I dag har moderne produksjonsmetoder gjort at anleggene er praktisk talt tette. Noen produsenter har nå typetestede anlegg med en lekkasjerate på <0,1 % pr. år. Minimale mengder svinn er det også ved tømming og påfylling, da dette ble kraftig redusert etter at det ble krav om bedre vakuumpumper. Fra begynnelsen av 2000 tallet ble det satt fokus på SF 6 -gassens klima-påvirkning, og leverandørene har forsket på alternativer til bruk av SF 6 -gass både som isolasjon- og brytermedium. I Norge tok bransjen tidlig ansvar og inngikk en avtale med myndighetene allerede i 2002 med formål å redusere utlippene av SF 6 fra

2 elektroprodukter. Brukergruppen for SF 6 -anlegg forpliktet seg til å tilby medlemmene: Et administrativt verktøy (PC-basert databasesystem) de kan anvende for å spore endringer i beholdningen av SF 6 i sine anlegg. Opplæring i hvordan drift, vedlikehold og annet arbeid på SF 6 - anlegg kan gjennomføres uten at det fører til uakseptable utslipp av SF 6. Anleggetets fysiske dimensjoner og mengde av SF 6 -gass i moderne anlegg er kraftig redusert sammenlignet med de første anleggene som kom på 60 tallet, se eksempel i figur 1. Figur 1: Utvikling av Siemens 145 kv GIS 2.SF6-ANLEGG 2.1 Bakgrunn SF 6 -gass er mye brukt i den elektriske industrien på grunn av sine fysiske egenskaper. SF 6 -gass har svært gode isolasjon- og slukkeegenskaper og er derfor velegnet som brytermedium. SF 6 -gass under trykk brukes for sikker og pålitelig drift av gassisolerte koblingsanlegg noe som gjør det mulig å redusere anleggets størrelse og installere det også på steder med begrenset plass.

3 2.2 Historie SF 6 -gass var allerede kjent i Westinghouse holder det opprinnelige patent for bruk av SF 6 som brytermedium, og deres ingeniører utviklet den første applikasjonen for brytere og effektbrytere tidlig i 1950-årene. Verdens første SF 6 -isolerte koblingsanlegg ble installert i Paris i I Norge kom det første 145 kv SF 6 -anlegget i drift i Skjomen kraftverk i Dette anlegget ble plassert inne i en fjellhall siden det ikke fantes egnet område for å bygge et konvensjonelt anlegg utendørs. De første SF 6 -anleggene på 300 kv ble tatt i bruk i i henholdsvis Solhom kraftverk (Sira-Kvina) og i Smestad transformatorstasjon til Oslo Lysverker. Deretter fulgte flere 300 kv anlegg før de første 420 kv anleggene ble installert i Nore og i Halden i Da NVE satte i idrift det første anlegget i 1973 hadde allerede prototyper på SF 6 -anlegg vært i drift i en 10-årsperiode. SF 6 -gassens svært gunstige elektrotekniske egenskaper var da allerede godt kjent. Institutt for elkraftteknikk ved NTH var tidlig ute med forskning og utvikling innen dette feltet, og det ble lagt ned et grunnleggende arbeid som kom til nytte for både norsk og internasjonal industri da SF 6 -anlegg ble anskaffet og installert i det norske kraftsystemet. Stikkord som bakgrunn for SF 6 -anleggenes inntreden og utbredelse: Svært plassbesparende. Høy personsikkerhet. Kapslingen hindrer elektriske felter. Ikke utsatt for miljøpåkjenninger (salt, støv etc.). Høy driftssikkerhet. Lave driftskostnader og lang teknisk levetid. Koblingsanleggene kan anlegges nærmere belastningstyngdepunkt. Dette gir reduserte overføringstap. Noen spesielle utfordringer med SF 6 -anlegg: Korte skinneføringer, som kan gi kompliserte bølgerefleksjoner ved overspenningsbølger. Kompliserer isolasjonskoordineringen. Generering av høyfrekvente overspenninger ved bryting av kapasitive strømmer ved skillebrytere og jordkniver. Sirkulerende strømmer i jordingsmaskenettet ved store primærstrømmer (>10 ka).

4 Økt jordingsmotstand siden arealet av maskejordingsnettet normalt blir vesentlig lavere ved SF 6 -anlegg kontra konvensjonelle friluftsanlegg. Det kan være lang reparasjonstid ved feil. Utfordring med lagring av reservedeler. Utvidelse kan være utfordrende. 2.3 SF6-gass og klimapåvirkningen SF 6 -gass er en usynlig, luktfri og ikke-giftig gass. Figur 2: SF6 gass molekyl [1] Som tidligere nevnt er også SF 6 en klimagass som har nesten ganger så stor oppvarmingseffekt som CO 2. Det er derfor viktig å begrense utslipp av SF 6 -gass. Mengden energi som benyttes for å produsere og transportere et SF 6 - anlegg er lavere enn for produksjon/transport av alle komponentene som trengs i et konvensjonelt luftisolert anlegg. Cigre utarbeidet for noen år siden en egen rapport vedrørende dette som konkluderte med at SF 6 -anlegg totalt sett ga mindre klima fotavtrykk enn konvensjonelle anlegg [2]. Det er nå på vei et nytt F-gass-regulativ hvor målet er å redusere utslippene på hydrofluorkarboner (HFK), perfluorkarboner (PFK) og svovelheksafluorid (SF 6 ) med to tredjedeler innen 2030.

5 Veldig mye av forordningen handler om reduksjon av HFK. Kravene angående SF 6 er følgende: Krav til lekkasjetesting; sannsynligvis er dagens rutiner og tetthetsvoktere vi har på anleggene langt på vei tilfredsstillende. Sertifiseringskrav; dette har vi allerede, men det utvides til å gjelde også fylling. Regnskap og rapporteringskrav på forbruk og utslipp; Dette har vi allerede, men også leverandører vil få et større ansvar. Dette vil derfor få begrenset betydning for vår bransje. 3.SIEMENS ALTERNATIVE LØSNING For å kunne ha et alternativ til SF 6 isolerte anlegg for 145 kv har Siemens utviklet et nytt anlegg med navn 8VN1. Anlegget benytter kapslingene for et standard 170 kv SF 6 -isolert anlegg, men benytter vakuum-effektbryter og komprimert teknisk ren luft som isolasjonsmedium. Alle tekniske data er som for et standard 145 kv SF 6 -anlegg. 3.1 Vakuumbryteren Vakuumbryteren ble utviklet på 70-tallet for mellomspenningsanlegg. I dag er vakuumteknologien dominerende med over 80 % markedsandel for effektbrytere på mellomspenningsnivå (1-40,5 kv). Ved hjelp av forskning og utvikling har øvre spenningsnivå for vakuumbrytere blitt hevet. Siemens utviklet et vakuumrør for 72,5 kv i 2010 og for 145 kv i Japanske bryterprodusenter har imidlertid levert vakuumbrytere for >100 kv i flere tiår [3].

6 Figur 3: Siemens vakuumrør, utvikling Figur 4: Siemens vakuumrør for 145 kv

7 3.2 Siemens blue GIS, type 8VN1 Ved hjelp av vakuumrøret for 145 kv og intensiv forskning, har Siemens utviklet et anlegg som isoleres med teknisk ren luft, altså en blanding av 80 % N 2 og 20 % O 2, renset og fri for fuktighet. Fordelen med å bruke teknisk ren luft: Globalt oppvarmingspotensial (Global warming potential, GWP) = 0 Ikke giftig Stabilt Ikke brennbar Ozonnedbrytende potensiale (ODP) = 0 Anlegget som er utviklet baserer seg på et gassisolert anlegg for 170 kv. I anlegget har vi de samme komponentene som et SF6-anlegg og har fått navnet 8VN1 [4]. Figur 5: Siemens Clean Air GIS, 8VN1

8 Figur 6: Tekniske data 8VN1 Figur 7: Clean Air GIS 8VN1 til venstre, SF6 GIS 8DN8-5 til høyre Figur 8: Clean Air GIS 8VN1 med konvensjonelle måletransformatorer til venstre og med ikke konvensjonelle måletransformatorer (NCIT) til høyre

9 Figur 9: Ikke konvensjonell måletransformatorer (NCIT) 4.KONKLUSJON/OPPSUMMERING SF 6 -isolerte anlegg kommer sannsynligvis til å være dominerende som kompakte GIS-anlegg i mange år fremover. Siemens (i likhet med mange andre produsenter) jobber med å finne alternativer til bruk av SF 6 for de spenningsnivåer hvor dette er mulig. Selv med bruk av ny teknologi (i dette tilfellet komprimert teknisk ren luft som isolasjonsmedium og vakuum effektbryter) må det tilstrebes å utvikle løsninger som ivaretar den høye driftssikkerheten vi gjennom de siste 40 årene har oppnådd med SF 6 -isolerte anlegg. Elektrisk infrastruktur blir viktigere og viktigere for det moderne samfunn. Solide og pålitelige løsninger må dermed veie svært tungt også ved utvikling og valg av teknologi. At det nå er utviklet et høyspent GIS-anlegg for 145 kv som ikke benytter SF 6 er et betydelig skritt i riktig retning. Det ligger nok fortsatt lengre frem i tid å finne tilsvarende løsninger for de høyeste spen-

10 ningsnivåene. All ny teknikk krever omfattende uttesting, ikke bare i laboratorier, men også i reelle driftssituasjoner over en lengre tidsperiode. Ved å ta i bruk det nye Siemens blue GIS koblingsanlegget 8VN1 vil bruken av SF 6 gass bli redusert. 5.REFERANSER [1] Wikipedia [2] Cigre C3-102 Electrical Power Supply using SF6 Technology an Ecological Life Cycle Assessment [3] Foredrag av Magne Runde Sintef Energi på Forum for koblingsanlegg [4] Siemens: /?press=/en/pressrelease/2016/energymanagement/pr emen.htm