9789147114351

Page 1

Elkrafthandboken

Elkraftsystem 2

ELKRAFTHANDBOKEN är ett verk i tre delar som behandlar elproduktion, distribution, elanvändning, mätteknik och elmaskiner. Den är ett referensverk inom det elkrafttekniska området och ett lämpligt utbildningsmaterial på högskolenivå och annan högre teknisk utbildning. De tre delarna är: • Elmaskiner och elektriska drivsystem • Elkraftsystem 1 • Elkraftsystem 2 Elkraftsystem 2 omfattar bland annat elkraftanvändning, framtagning av nyanläggning, systembyggnad och dokumentation, driftsäkerhet, elkraftekonomi, elkraftberäkningar, EMC, mätteknik, provning och simulering, kraftsystem i IT-åldern, utvecklingstendenser, formler och data. Några av nyheterna i denna upplaga: • Helt omarbetade kapitel om driftsäkerhet, smarta elnät och utvecklingstendenser. • Ett helt nyskrivet kapitel om systemuppbyggnad och dokumentation. • Uppdaterade, kompletterade och utökade kapitel om elkraftanvändning, elkraftberäkningar, EMC och mätteknik.

KARL AXEL JACOBSSON är ingenjör med elkraftteknisk lärarutbildning från KTH. Han har tidigare verkat inom gymnasieoch högskolan och även som konsult inom industrin. Mångårig läroboks- och fackboksförfattare.

STIG LIDSTRÖM är högskoleingenjör inom elkraft med lång erfarenhet från Vattenfall avseende driftledning, allmänna kontrollanläggningsfrågor, igångkörning, reläskyddsplanering, störningsanalyser och nätutredningar. Han har även flera års erfarenhet från ABB GA Products, teknisk applikationssupport inom reläskydd för HV- och EHV-system, teknisk marknadsföring samt utbildning. Han är medlem i Cigré där han har medverkat i ett antal internationella arbetsgrupper.

CARL ÖHLÉN är civilingenjör inom elkraft från KTH och författare i Elkrafthandboken sedan första upplagan. Han har 40 års internationell erfarenhet inom elkraftbranschen genom arbete för Vattenfall, ABB, Programma, Ripasso Energy och STRI. Under senare år har han för Energimyndigheten varit aktiv inom IEA/ISGAN samt som expert för EC DG-ENERGY i Bryssel.

Elkrafthandboken

Elkraftsystem 2

Jacobsson Lidström Öhlén

Redaktion: Karl Axel Jacobsson Stig Lidström Carl Öhlén

Best.nr 47-11435-1 Tryck.nr 47-11435-1

9789147114351c1c.indd 1

24/05/16 11:18 AM


ISBN 978-91-47-11435-1 © 2016 Författarna och Liber AB Förläggare: Peter Rajan Redaktör: Lennart Köhler Formgivning och omslag: Björn Larsson Sättning: Björn Larsson Produktionsledare: Jürgen Borchert Illustrationer: OKS Prepress Services Pvt Ltd.

Fjärde upplagan 1 Repro: OKS Prepress Services, Indien Tryck: People Printing, Kina, 2016

KOPIERINGSFÖRBUD Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares och elevers begränsade rätt att kopiera för undervisningsbruk enligt BONUS-avtal, är förbjuden. BONUS-avtal tecknas mellan upphovsrättsorganisationer och huvudman för utbildningsanordnare, t.ex. kommuner och universitet. Intrång i upphovsmannens rättigheter enligt upphovsrättslagen kan medföra straff (böter eller fängelse), skadestånd och beslag/förstöring av olovligt framställt material. Såväl analog som digital kopiering regleras i BONUS-avtalet. Läs mer på www.bonuscopyright.se. Liber AB, 113 98 Stockholm tfn 08-690 90 00 www.liber.se kundservice tfn 08-690 93 30, fax 08-690 93 01 e-post: kundservice.liber@liber.se


III

FÖRORD Elkrafthandboken består av de tre delarna Elkraftsystem 1, Elkraftsystem 2 och Elmaskiner - Elektriska drivsystem. Serien är avsedd för elkraftteknisk ingenjörsutbildning och annan högre teknisk utbildning. Den är också lämplig som ett referensverk inom det elkrafttekniska området, och bör vara av intresse för alla som arbetar med planering, projektering, konstruktion, tillverkning, installation, drift och underhåll. Den nya upplagan innebär en kraftig omarbetning av tidigare upplagor, med tillägg av flera nya kapitel med ett stort antal kontroll- och övningsuppgifter till de flesta kapitlen. Elkraftteknik är en relativt mogen teknik, som bygger på välkänd, välbeprövad teori och praktik om exempelvis roterande maskiner, transformatorer, ledningar och ställverk. Trots detta sker en betydande utveckling inom flera områden med bland annat en digitalisering av kraftsystemet med ökad användning av kraftelektronik samt information och kommunikationsteknik (IKT). Utvecklingen av elkraftsystemen i Sverige och världen i övrigt har accelererat under de senaste åren med ökande investeringar som följd. Inom Europa finns tre huvudorsaker: · Kraven på fossilfri ren energi, som ökat utbyggnaden av sol- och vindkraft inkluderande havsbaserad (off-shore) vindkraft · Kraven på leveranssäkerhet inom hela energisektorn, vilket gett ökad fokusering på driftsäkerhet · Kraven på en öppen europeisk inre energimarknad, vilket gett nya regelverk. Detta innebär enligt International Energy Agency (IEA), att världens framtida och rena energisystem med minimerade koldioxidutsläpp kommer att se en mycket större andel elektricitet som energibärare. Utvecklingen inom tillväxtmarknader som Brasilien, Indien och Kina har medfört en kraftig utbyggnad av dessa länders kraftsystem med bland annat en stor satsning på högspänd likström. Behoven av mer effektiv och snabbare övervakning och styrning av kraftsystemet har inneburit, att många länder bygger vad som brukar kallas för Smart Grids eller smarta elnät. I samband med att arbetet med nyutgåvan av Elkrafthandbokens tre delar påbörjades, konsulterades högskolor och universitet med teknisk utbildning. Detta sågs som ett viktigt arbete och att Elkraftshandboken på svenska kompletterade engelskspråkig och mer teoretisk litteratur. När det gällde önskemål om ändringar, så påpekades just att IKT, vindkraft, driftsäkerhet och smarta elnät skulle behandlas mer utförligt. Den nya Elkraftshandboken har därför uppdaterats för att spegla utvecklingen och önskemålen enligt ovan. Elkraftsystem 2 behandlar hur vi använder elen i industrin, hur vi tar fram nya anläggningar – hur vi dokumenterar dessa anläggningar. Driftsäkerhet och elkraftekonomi kommer in. Ett stort kapitel är elkraftberäkningar. EMC, mätteknik, provning och simulering är andra delar. Vidare visar kapitlen Smarta elnät och Utvecklingstendenser framtidens elkraftsystem. Sist hamnar ett gemensamt kapitel för Elkraftsystem 1 och 2: Formler och data.


IV

Förord

Huvudförfattare till delen Elkraftsystem 2 Jacobsson, Karl Axel, Elkraftingenjör, elkraftteknisk lärarutbildning från KTH

Har tidigare verkat inom gymnasie- och högskolan. Har haft konsultuppdrag och uppdragsutbildning inom industrin. Mångårig läroboks- och fackboksförfattare.

1.1–1.4, 3, 6 (rev. kap.) 7.5–7.9, 8.12.13, 12

Lidström, Stig, högskoleingenjör

Deltagare i Cigré, högskoleingenjör inom elkraft med lång erfarenhet från Vattenfall avseende bland annat driftledning, allmänna kontrollanläggningsfrågor, störningsanalyser och nätutredningar. Även flera års erfarenhet från ABB GA Products.

2, 5

Öhlen, Carl, civ.ing, KTH

Har lång internationell erfarenhet inom elkraftteknik från bland annat Vattenfall, STRI, Programma (Megger), Ripasso Energy och ABB. Även erfarenhet från internationellt arbete inom IEA/ISGAN samt som expert för EC DG Energy. Han har varit medarbetare i Elkrafthandboken sedan starten.

4, 6.12 9–11 9, 12–13

Övriga författare Axelberg, Peter civ.ing.

Universitetslektor vid Högskolan i Borås

1.5

Hagelberg, Jan Olof, tekn. magister

Undervisar vid Luleå Tekniska Universitet i Skellefteå

4.1, 6.1, 7.1–7.4. 8, 12 (delvis)

Lindgren, Christer, civ.ing.

Banskolan i Ängelholm

1.6

Lundmark, Martin, civ.ing.

Undervisar vid Luleå Tekniska Universitet i Skellefteå

4.1, 6.1, 7.1–7.4. 8, 12 (delvis)

Wallin, Lars, civ.ing.

Tidigare verksam vid driftavdelningen, Svenska Kraftnät.

6.9

Winell. Lennart, civ.ing.

Har undervisat vid högskolan i Kalmar, tidigare lektor vid Lars Kaggskolan i Kalmar

6 (urspr. författare)

Elkraftsystem 1

Elkraftsystem1 omfattar följande 15 kapitel: Historia – om den osynliga elektriciteten, DC – AC, Analys av trefassystemet, Elsäkerhet, Lagstiftning och standardisering, Sveriges energiförsörjning, Elproduktionsanläggningar, Överföring med högspänd växelström, Överföring med högspänd likström, Distributionsanläggningar, Lokal kontrollutrustning, Automatisering och fjärrstyrning, Skydd av olika systemdelar, Lokalkraftanläggning, Drift och Underhåll. Elmaskiner – Elektriska drivsystem

Elmaskiner – Elektriska drivsystem omfattar följande 10 kapitel: Transformatorer, Elektromekanisk energiomvandling, Asynkronmaskiner, Synkronmaskiner, Likströmsmaskiner, Övriga maskiner, Strömriktare, Elektriska drivsystem samt Standarder och EU-direktiv.


V

INNEHÅLL

1 Elkraftanvändning 11 1.1 Allmänt 11 1.2 Lågspänningsfördelning 11 1.3 Elkraftdistribution inom företag och fastigheter 1.4 Elanvändning inom industrin 25 1.5 Elkvalitet 34 1.6 Speciella krav på strömförsörjning 39 Referenser till kapitel 1 42 Övningsuppgifter till kapitel 1 43

22

2 Framtagning av nyanläggning 45 2.1 Begreppet elanläggning 45 2.2 Processen för anskaffning av nyanläggning 46 Referenser till kapitel 2 50 Övningsuppgifter till kapitel 2 51

3 Systembyggnad och dokumentation 53 3.1 Allmänt 53 3.2 Anläggningsdokumentation för industri – scheman/tabeller 54 3.3 För en villainstallation 64 Referenser till kapitel 3 64 Övningsuppgifter till kapitel 3 65

4 Driftsäkerhet 67 4.1 Driftsäkerhetsteknikens grunder 67 4.2 Kraftsystemets driftsäkerhet 71 4.3 RCD och RCM 75 4.4 Uppföljning 78 Referenser till kapitel 4 80 Övningsuppgifter till kapitel 4 81


VI

Innehåll

5 Elkraftekonomi 83 5.1 Teknisk-ekonomisk dimensionering 83 5.2 Prissättning 94 Övningsuppgifter till kapitel 5 99

6 Elkraftberäkningar

101

6.1 Allmän introduktion 101 6.2 Allmänt om elkraftberäkningar 102 6.3 Impedanser i ledningar och apparater 107 6.4 Kortslutningsberäkningar 111 6.5 Förluster och uppvärmning 134 6.6 Spänningsfallsberäkningar 151 6.7 Faskompensering 162 6.8 Jordslutningsberäkningar 167 6.9 Jordfelsströmmar i storkraftnät 184 6.10 Nätstabilitet – högspänningsanläggning 189 6.11 Större anläggningsexempel – lågspänningsanläggning 6.12 Beräkningsexempel på skydd 194 6.13 Mekanisk dimensionering av luftledningar 197 Referenser till kapitel 6 202 Övningsuppgifter till kapitel 6 203

7 EMC

190

205

7.1 Allmänt 205 7.2 Hur störspänningar uppkommer 205 7.3 Olika kretsar och störspänningarnas inverkan 207 7.4 Åtgärder för skydd mot störspänningar 207 7.5 EMC-direktivet – 2004/108/EG 208 7.6 Elmiljöegenskaper 209 7.7 Om jordfelsbrytare i kombination med filter 213 7.8 Statisk elektricitet/electrostatic discharge (ESD) 214 7.9 Ett urval av CENELEC-standarder kopplade till EMC 216 Referenser till kapitel 7 217 Övningsuppgifter till kapitel 7 218

8 Mätteknik 221 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6

Mätmetodik 221 Mätfel och felberäkningar 223 Inverkan av olika kurvformer 225 Exempel på fallgropar inom elmättekniken 226 Klassiska elmätinstrument 229 Moderna elmätinstrument 230


Innehåll

VII

8.7 Signalbehandling 232 8.8 Mätning av spänning 234 8.9 Mätning av ström 244 8.10 Exempel på ström- och spänningsmätning 8.11 Mätning av resistans och reaktans 252 8.12 Mätning av effekt 262 8.14 Mätning av övriga elstorheter 285 8.15 Mätning av icke-elektriska storheter 289 Referenser till kapitel 8 293 Övningsuppgifter till kapitel 8 294

9 Provning och simulering

250

297

9.1 Underhållsplanering 297 9.2 Provningsmetoder 298 9.3 Brytare – provning och analys 298 9.4 Reläskydd – provning, simulering och analys 301 9.5 Transformatorer 308 9.6 Batterier – provning och underhåll 310 Referenser till kapitel 9 311 Övningsuppgifter till kapitel 9 312

10 Smarta elnät 315 10.1 Definition av smarta elnät 316 10.2 IKT i kraftsystem 319 10.3 Digitalisering av kraftsystemet 323 10.4 Smartare apparater 337 10.5 Exempel på projekt 339 Referenser till kapitel 10 342 Övningsuppgifter till kapitel 10 343

11 Utvecklingstendenser 345 11.1 Elektriciteten får ännu större roll

345

11.2 Exponentiella trender och klimatpåverkan 348 11.3 Global energiförsörjning 354 11.4 Energiscenarier, perspektiv och ”roadmaps” 360 11.5 Energiskiftet 376 11.6 Elnätens utveckling 392 11.7 Varierande lösningar i olika länder 416 Referenser till kapitel 11 430 Övningsuppgifter till kapitel 11 431


VIII

Innehåll

12 Formler och data

433

12.1 Svensk standard beträffande storheter och enheter 12.2 Storheter och SI-enheter 434 12.3 Symboler med mera 435 12.4 Ström, spänning, elektriska fält 440 12.5 Resistorer 442 12.6 Strömkretsar 444 12.7 Kapacitans 446 12.8 Elektrisk energi och effekt 447 12.9 Magnetiska fält 448 12.10 Magnetiska material 451 12.11 Den magnetiska kretsen 454 12.12 Induktion och induktans 455 12.13 Magnetisk energi 457 12.14 Växelström, grunder 457 12.15 Visardiagram 461 12.16 Växelströmseffekt 465 12.17 Enfastransformatorn 467 12.18 Symmetriska trefassystem 468 12.19 Komplexa metoden 471 12.20 Data för olika likriktarkopplingar 473 12.21 Matematik 474 12.23 Elektriska isolermaterial 475 12.24 Data för ledningar 479 12.25 Data för skenor i ställverk 483 12.26 Kabelbeteckningar 484 12.27 Omräkningsfaktorer 488 Referenser till kapitel 12 489 Övningsuppgifter till kapitel 12 490

433

Svar och anvisningar till övningsuppgifter 492 Register 494



1


1

Elkraftanvändning

11

ELKRAFTANVÄNDNING 1.1 Allmänt

MCCB

Molded case circuit-breaker. Isolerkapslad effektbrytare.

Elanvändningens fördelning på olika förbrukargrupper har presenterats i Elkraftsystem 1, kapitel 6 – Sveriges energiförsörjning. I det här kapitlet behandlas följande aspekter på elkraftanvändning: • lågspänningsfördelning, med tonvikt på olika spänningssystem, ställverk för distribution, säkringar, kablar och kabelförläggning, • elkraftdistribution inom företag och fastigheter, • elanvändning inom industrin, • elkvalitet, med tonvikt på övertoner, kondensatoranläggningar, vagabonderande strömmar och flicker, samt • speciella krav på strömförsörjning, där avbrottssäker matning, reservkraft och frekvensomvandling behandlas.

PE PE-ledare

Protection earth = skyddsjord. Skyddsledare. Ledare för anslutning av utsatt del, som – vare sig den är ansluten till systemets neutralpunkt eller ej – uteslutande är avsedd för skyddsjordning. Ledaren ska vara färgmärkt ”grön/gul”.

PEN-ledare

Jordad ledare som har gemensam funktion som skyddsledare och neutralledare. Ledaren ska vara färgmärkt ”grön/gul” med blå tilläggsmärkning.

Selektivitet

Med selektivitet menas ett skydds förmåga att enligt uppgjord plan, en selektivplan, utvälja felbehäftad anläggningsdel. Ett skydd verkar på ett visst skyddsobjekt eller skyddsområde. Selektivitet kan åstadkommas på principiellt fyra olika sätt: genom funktionsselektivitet, tidsselektivitet, riktningsselektivitet eller

För ett mer ingående studium av olika elanvändningar – till exempel belysning, elvärme och datorstyrd tillverkning – hänvisas till speciallitteraturen.

absolut selektivitet.

Tillämpbara standarder: SEK handbok 444 innehåller Installationsreglerna - SS 436 40 00,

Elkraftanvändning – definitioner

med kommentarer. Standarden ger de regler som krävs för projektering, montering och kontroll av elinstallationer, så att personer,

Elkopplare

Apparat avsedd att sluta och öppna en eller flera strömbanor medelst öppningsbara kontakter eller på elektronisk väg.

Elintensiv

Hit räknas: gruvindustrin, massa- och

industri

pappersindustrin, kemisk basindustri samt järn- och stålverk.

Lågspän-

eller upp till och med 1 500 V likspänning mellan poler.

MCB

uppstå vid användning av elinstallationer. På köpet ges det goda förutsättningar för en ändamålsenlig funktion hos dessa installationer.

1.2 Lågspänningsfördelning

Anläggning för nominell spänning upp till och

ningsanlägg- med 1 000 V växelspänning mellan fasledare ning

husdjur och egendom skyddas mot de faror och skador som kan

Miniature circuit-breaker; dvärgbrytare.

Högspänningsfördelning inklusive nätstationer för allmän eldistribution behandlas i Elkraftsystem 1 kapitel 10 Distributionsanläggningar. Här ska vi studera lågspänningsfördelning, där de vanligast förekomman-


12

1

de spänningarna är 400,500 och 690 V, 50 Hz (500 och 690 V gäller industrin).

Elkraftanvändning

Andra bokstaven:

T = apparater, direktjordade oberoende av nätets jordning. N = apparater, jordade direkt till nätets jord.

1.2.1 Olika spänningssystem Lågspänningsnät utformas på ett antal principiellt olika sätt:

L1

TN/TT-nät, direktjordade system:

L2

TN-C-nät TN-S-nät TN-C-S-nät

L3

4-ledarsystem, figur 1.1 A. 5-ledarsystem, figur 1.1 B. Kombinerade 4- och 5-ledarsystem, figur 1.2. Direktjordat 4-ledarsystem, figur 1.3. Separat jordning av apparater.

TT-nät

IT-nät, icke-direktjordade system:

PEN PEN

Figur 1.1 A TN-C-system.

Nät enligt figur 1.4 med isolerad neutralpunkt eller impedansjordat nät. Separat jordning av apparater.

L1 L2 L3

Bokstavskombinationernas förklaring enligt IEC 60 364 är:

N N

PE PE

Första bokstaven:

T = direktjordad neutralpunkt (T från terra – jord). I = isolerad eller impedansjordad neutralpunkt. Figur 1.1 B TN-S-system. TN-C-S-system TN-C-system

TN-S-system L1 L2 L3 N PE

PEN

TN-C Figur 1.2 TN-C-S-system.

TN-S

TN-S


1

Elkraftanvändning

13

Övriga bokstäver:

S = N-ledare och PE-ledare är separerade (S som i separate). C = N-ledare och PE-ledare bildar en gemensam PEN-ledare (C som i common).

TN-C-nät

Mittpunkten jordas Ansluten ledare tjänstgör

TN-S-nät

En pol jordas

som PEN-ledare Apparater jordas via PEledare TN-C-S-nät En pol jordas

Ansluten PEN-ledare separeras – PE-ledare och

För batterianläggningar – DC – finns motsvarande system (enligt DIN), se figur 1.5–1.7:

-pol TT-nät

En pol jordas

Apparater jordas till separat jordtag

IT-nät

Apparater jordas till separat jordtag

L1 L2 L3

L+ PEN L–

N

N

PE

Figur 1.3 TT-system. Figur 1.5 A TN-C-system. L1 L+ L– PE

L2 L3

PE

Figur 1.4 IT-system.

Figur 1.5 B TN-S-system.

PEN

Figur 1.5 C TN-C-S-system.

L+ PE L– M

PEN

L+ PE L–


14

1

Elkraftanvändning

Industri L+ M L–

PE

Figur 1.6 TT-system.

L+ M L–

PE

Figur 1.7 IT-system.

1.2.2 Ställverk för distribution

Lågspänningsställverk inom industrin uppdelas i två huvudgrupper: • Huvudfördelningar. Dessa placeras normalt i speciella ställverksrum. För ökad personsäkerhet bör i varje fack placeras ljusbågsvakter. Signal från ljusbågsvakt bör gå till snabb effektbrytare. Ljusbågsvakter behandlas i Elkraftsystem 1 kapitel 4 Elsäkerhet. • Underfördelningar. Dessa placeras ute i anläggningen. På grund av sin placering kräver de ofta högre kapslingsklass än de ställverk som placeras i ställverksrum. Underfördelningarna kan utgöras av: – ställverk för motordrifter, MCC (motor control center), – ställverk för belysning m.m., – kapslade centraler. Komponenter som ska kunna betjänas bör ej placeras lägre än 0,4 m eller högre än 2 m över betjäningsplanet (golvet). Anslutningar bör ej placeras lägre än 0,2 m över betjäningsplanet.

Detta avsnitt behandlar ställverk inom industri och fastigheter.

Figur 1.8 A Lågspänningsställverk ABB.

B Enskild modul i lågspänningsställverk ABB.


1

Elkraftanvändning

Grupper i ställverket kan bestå av: • startkopplare för motorer, kontaktorer, överlastrelä, säkringar, • isolerkapslade effektbrytare (MCCB) – se följande avsnitt, • frekvensomriktare, • mjukstartare med mera. Mer om frekvensomriktare och mjukstartare, se kapitel 7. Om elkraftberäkningar, se kapitel 6. Om smältsäkringar

Vi skiljer mellan: – diazedsäkringar (proppsäkringar), finns i storlekarna DII (E27/2 - 25 A) - DIII (E33/3563 A) och DIV (80–100 A) – knivsäkringar (greppsäkringar), finns i storlekarna 000–4, för märkströmmar 16–1 250 A. Båda typerna av säkringar kan ha olika egenskaper, till exempel snabba eller tröga, för helområdes- respektive

15

delområdesskydd av typ gB eller typ aM. Läs mer om smältsäkringar i kapitel 6.5.7. Ställverken ska vara konstruerade så att de tål de mekaniska, elektriska och termiska påkänningar som kan förekomma vid de driftförhållanden som ställverket är konstruerat för. Så får till exempel inte dörrar och luckor kunna flyga upp på grund av övertryck inne i ställverket. Beroende på kravet på tillgänglighet skiljer man mellan: • fast monterade grupper, • borttagbara grupper, • utdragbara grupper. Utdragbar del ska kunna förreglas och låsas samt vara försedd med anordning som säkerställer att delen kan dras ut och/eller återställas endast efter det att dess huvudströmbana har öppnats. Speciellt inom processindustrin – där tillgänglighet och säkerhet är A och O – är de plug-in-anslutna kopplingarna mot kabelanslutningarna viktiga detaljer. Ett stillestånd i sådana anläggningar kostar stora summor, varför det är av högsta vikt att snabbt komma i gång igen efter en störning.

Figur 1.9 Säkringslastbrytare (säkringslister) finns i ställverksutförande och i golvutförande med vertikala säkringslastbrytare ABB.


16

1

Fastigheter

Lågspänningsfördelningen i fastigheter består normalt av: • kapslade centraler, • säkringslastbrytare, se figur 1.9, A och B. • normkapslingar.

1.2.3 Säkringslös teknik

Elkraftanvändning

Detta kan ske med hjälp av: • Dvärgbrytare/miniature circuit breaker Dessa är avsedda för mindre kortslutningseffekter – normalt 3-, 6- och 10 kA. Dvärgbrytarna finns med olika utlösningskarakteristik. Normala utlösningskarakteristikor är B–C–D. Andra karaktärer är bland annat: K, L och Z (för skydd av halvledare och elektronikkretsar). MCCB-brytare karakteriseras av:

Bygger man upp en anläggning med säkringar som överströmsskydd måste en säkring bytas efter överlast. Ibland kan det vara problem med att hitta en trasig säkring. Säkringsbyte vid knivsäkringar kan om det görs på ett felaktigt sätt även orsaka både personoch materielskador. Säkringar för lågspänningsanläggningar behandlas i kapitel 6 Elkraftberäkningar, avsnittet 6.4.7. Ett sätt att slippa byte av säkring, få en säkrare anläggning och att snabbt få i gång driften efter en störning, är att utnyttja säkringslös teknik.

– inställbart överlastskydd av bimetalltyp – normalt inställbart kortslutningsskydd av magnetisk typ, med eller utan tidsfördröjning (för selektivitet) – brytförmåga 50–100 kAeff. MCCB-brytarna finns i olika utföranden, bland annat: – för fast montage, – i ”plug-in”-utförande. Typical operating characteristic of an asynchronous motor t [c] L Class

ta

c

Tid t 300

Minuter

60

I1

MCB Karakteristik B, C, D enligt SS-EN 60 898 Referenstemperatur 30$C

I2

B C D 1,13 = I N 1,13 = I N 1,13 = I N I1 (t >1 h) 1,45 = I N 1,45 = I N 1,45 = I N I2 (t <1 h) 5 = IN 10 = I N I 4 (t 0,1 s) 3 = I N 10 = I N 20 = I N I 5 (t < 0,1 s) 5 = I N

10

1

m U t6 R t5 tP

I I6

Sekunder

10

C

D

I5

0,1

I4

I4

I1

I3

I5

I IP 3

I [A]

Figur 1.10 B Om MCCB. Skyddskurva för MCCB. Förklaringar till beteckningar för variabla inställningar motorskyddsbrytare:

1 B

Ia

I5

I5

I4

L = skydd mot överlast R = Skydd mot låst rotor

0,01 1

2

3

4

6

8 10

20 30 40 60 80 100 = Märkström

Figur 1.10 A Utlösningskarakteristik för dvärgbrytare MCB.

I = Skydd mot kortslutning – momentan utlösning U = Skydd mot strömosymmetri och fasbortfall. c = Exempel på utlösningskurva för MCCB med elektronisk utlösning. m = typisk tid-strömkurva vid direktstart av asynkronmotor.


1

Elkraftanvändning

Utlösningskarakteristik för B-, C- och D-karaktär visas i figur 1.10. För vägledning vid bland annat dimensionering, koordinering mellan dvärgbrytare/smältsäkring och annat, se ”SEK Handbok 414 - Dvärgbrytare, Vägledning för val och installation”. MCCB – Kompakt isolerkapslad effektbrytare (molded case circuit breaker).

Vid användning av säkringar kan selektivitetsproblem uppstå. Begreppet selektivitet är utförligt behandlat i Elkraftsystem 1, avsnitt 13.2.4. I de fall vi talar om här är önskemålet att endast den anläggningsdel som ligger närmast felstället ska kopplas bort. Då varken säkringar eller MCB är inställbara uppstår problem vid koordinering mellan dessa apparater. För att klara dessa problem återfinns i produktkataloger från olika tillverkare koordinationstabeller för koordinering mellan: • olika dvärgbrytare (MCB) av samma fabrikat, • smältsäkring och dvärgbrytare (MCB).

17

Kabeldimensionering

Vid dimensionering ska följande beaktas: omgivningstemperatur, förläggningssätt, kontinuerlig belastning, korttidsström, spänningsfall och utlösningsvillkor. Elinstallationsreglerna, SS 436 40 00, anger endast generella krav på installationen. Dimensioneringen lämnas helt åt projektörer och installatörer. Som komplement till starkströmsföreskrifterna har därför SEK sammanställt en handbok, SEK handbok 421. Den innehåller tillämpande standarder som ger råd och anvisningar för hur kablar kan dimensioneras med hänsyn till utlösningsvillkoret och för att klara belastningarna de kan bli utsatta för. Handboken innehåller följande standarder: SS 424 14 04

SS 424 14 06

1.2.4 Kablar och kabelförläggning SS 424 14 24 Typbeteckning på kabel sker än så länge i Sverige efter två olika system: • CENELEC-beteckningar – typbeteckningar enligt SS 424 17 02. Detta är ett system som används inom EU-området. Typbeteckningar enligt CENELEC återfinns i avsnitt 12.21.1. Speciellt vid exportorder inom Europa är det viktigt att man använder kablar som är tillverkade enligt harmoniserad europastandard och att kabeln har en harmoniserad märkning. Exempel: H05VV-U H07RN-F H07V-R • Nationella svenska beteckningar – typbeteckningar enligt standarden SS 424 17 01. Detta är ett beteckningssystem som normalt sett endast svenskar kan tolka. Även dessa svenska typbeteckningar presenteras i kapitel 12, Formler och data. Exempel: RKK RDOT FK

Ledningsnät för max 1 000 V. Dimensionering med hänsyn till utlösningsvillkoret. Enkel kabel i direkt jordat nät, skyddad av dvärgbrytare. Ledningsnät för max 1 000 V. Dimensionering med hänsyn till utlösningsvillkoret. Enkel kabel i direkt jordat nät, skyddad av säkring. Kraftkablar. Dimensionering av kablar med märkspänning högst 0,6 – 1 kV med hänsyn tillbelastningsförmåga, skydd mot överlast och skydd vid kortslutning. Anm: Samma utgångsdata gäller för omgivningstemperaturer som gäller i SS 436 40 00: för kablar i luft 30 °C; för kablar i mark: 20 °C. Vidare gäller för markens termiska resistivitet värdet 2,5 K · m/W.

Färger på ledare

Enligt starkströmsföreskrifterna ska en PE-ledare vara grön/gul (GNYE), en PEN-ledare grön/gul med blå tilläggsmärkning. För N-ledare rekommenderas blå (BU) ledare.


18

1

Enligt SS-EN 60 204-1, Maskinsäkerhet, Maskinutrustning. Del 1: Allmänna fordringar, rekommenderas följande ledarfärger: Kraftkrets AC/DC Manöverledningar AC Manöverledningar DC Styrkrets – för förregling – allmänt AC/DC Mittledare (M) i styrkrets DC

svart röd blå orange blå

Kabelförläggning

Blanda inte elektriska kablar med andra typer av ledningar, till exempel tryckluft och vatten. Vid förläggning på kabelstege eller kabelhylla bör man inte blanda kraft- och manöverkablar. Kraftkablar bör förläggas i endast ett plan. Kablar ska förläggas så att de inte blir utsatta för tryck (på grund av till exempel för liten böjradie, felaktig klamring eller najning, tryck mot skarpa hörn), då detta efter någon tid kan ge upphov till kallflytning, med genomslag och eventuellt brand som följd. Det är viktigt att ledningsförläggning görs med hänsyn till EMC. Med det ökade antalet elektroniska apparater av olika slag (gasurladdningslampor, datorer, elektroniska mjukstartare, frekvensomriktare med flera) kommer också problem vid ledningsförläggning. Ett sätt att få en bra installation är att se till att installationen får rätt jordning – att få potentialutjämning (LF och HF) mellan utsatta delar. För detta måste man skapa ett jordplan genom att sammankoppla alla metallstrukturer i byggnaden till jordningssystemet. Typexempel visas i figur 1.11. För att inte sprida störningar är det viktigt att bland annat tänka på följande: • Blanda inte känsliga givarkablar med kraftkablar på samma kabelhylla. Oskärmade manöverkablar och kraftkablar bör ligga på olika hyllor. Ju längre kabelväg, desto större måste avståndet mellan kablarna vara. Varje oanvänd ledare i mångledarkablar, reserv eller övertaliga, måste alltid jordas i båda ändar.

Elkraftanvändning

Skärm bör normalt jordas i båda ändar. Förbindningar i ändan av skärmningen måste ha god metallisk kontakt runt om. Lång skärmad kabel kan behöva ha ett stort antal mellanförbindelser till chassijord. Viktigt är också att hyllplanen är riktigt jordade.

Allmänt EMC

Man skiljer mellan olika klasser: – Class A – industrimiljö – Class B – bostadsmiljö – Sätt in filter för kablar till utrustningar som orsakar störningar i den punkt där de kommer ut ur skåpet. Filtret måste placeras i skåpet och skruvas fast i chassit. Se figur 7.4. – Sätt in filter för kablar som orsakar störningar i den punkt där de kommer in i skåpet. Filtret måste placeras där kabeln kommer in i skåpet och skruvas fast i chassit eller jordplanet i skåpets botten. Den inkommande kabeln får inte löpa bredvid den utgående kabeln, ty då kan den fånga upp störningar. – Se till att ledare och kablar för signal respektive kraft korsar varandra i rät vinkel. – Se till att få samma potential mellan varje jordplan, mellan två skåp, maskiner eller apparatenheter. – Placera alla ledare mot jordplanet hela vägen. – Håll isär ”störande” och ”känsliga” komponenter, speciellt kablar, till exempel genom att placera dem i olika skåp. SEK Handböcker

Kompletterande handledning finns även i bland annat: • SEK Handbok 413 - Skyddsutjämning i byggnader. • SEK Handbok 415 - Tillfälliga anläggningar - Vägledning vid planering, utförande och underhåll.


1

Elkraftanvändning

19

Figur 1.11 A Jordning i byggnad med tanke på EMC.

L

L’ Cx

PE’

PE

L2 N’

Cx Cx Cx

Symmetric interference Asymmetric interference Figur 1.11 B EMC-filter för inkommande kabel.

N

Cy PE’

R L2

N

Cx

L’ L1

Cx

R

PE

L

L1

Cy N’


20

1

Elkraftanvändning

Brandklasser för kablar

Brandtekniska klasser för lokaler

Enligt SS 424 14 75 – Kablar – Provning av egenskaper vid brand delar man in kablar efter deras brandtålighet i klasser, F1–F4:

Klass för indelning av material, beklädnader, ytskikt och byggnadsdelar med avseende på brandtekniska egenskaper. Betecknas med: • bokstav (klass), följd av • två alternativt tre siffror (tidskrav).

F1 F2 F3, F4

icke-svårantändlig motsvarar IEC 60 332-1 svårantändlig, där F4 är mest svårantändlig.

Den vanligaste brandklassen på kablar är F3, F4. Det vanligaste isoler- och mantelmaterialet är PVC, polyvinylklorid. Materialet har god resistens mot de flesta kemikalier och lösningsmedel. Materialet är självslocknande och därmed minskas risken för brandspridning i kabelförband. Nackdelen är dock att när PVC brinner utvecklas kraftig rök som innehåller giftiga och korrosiva gaser. Röken kan ge personskador och svåra sekundärskador på grund av de korrosiva gaserna. Viktigt vid brand i PVC-kablar är att så snart som möjligt efter branden sanera anläggningen. Korrosions- och rostangreppen kan annars bli mycket omfattande och kostsamma. Sanering utförs av specialutbildad personal, normalt efter hänvisning från försäkringsbolag. På platser där människor dagligen vistas och där evakuering kan vara tidsödande rekommenderas halogenfria så kallade low-smokekablar. Exempel på användning för low-smoke-kablar är i: • datoranläggningar, • tåg, bussar, flygplan, väntsalar etc., • industri med dyr maskinpark, • sjukhus, hotell, restauranger, kontor etc., • offshore-anläggningar och fartyg. I speciella anläggningar, till exempel hissar, krävs brandresistenta kablar. Förutom att vara funktionssäkra vid brand är de också svåra att antända och medverkar således till att begränsa en uppkommen brand. Brandresistenta kablar förekommer dels som installationsoch styrkabel, dels som kraftkabel.

Klassbeteckningar:

• • •

R (bärförmåga) E (integritet) I (isolering)

Sifferkombinationen anger minimitider i minuter som funktionen ska uppehålla. Standardvärden är: 15, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240 och 360 minuter. Typexempel på brandtekniska klasser:

EI 30, EI 60 väggar som effektivt hindrar temperaturhöjning på den från branden vända sidan. Typexempel: betong. Klassificeringen kan kombineras med: • M särskild hänsyn till mekanisk påverkan måste tas • C för dörrar med automatisk stängning. Äldre beteckningssystem: • A brännbart material saknas • B brännbart material förekommer. Kabeltätning mot brand och EMC

För att minska risken för brandspridning mellan olika byggnadsdelar via kabelförband ska tätning av genomföringar göras. Tätning ska även utföras under byggnadstiden – tillfälligt eller permanent så tidigt som möjligt – eftersom brandrisken då är som störst. En väl genomförd brandcellsuppdelning med brandsäkra genomföringar kan rädda liv, stora ekonomiska värden och förbättra miljön rent allmänt.


1

Elkraftanvändning

21

Brandtätningen ska bland annat: • Förhindra brandspridning mellan två brandceller. För att klara detta ska genomföringen vara brandklassad. Typexempel på brandklasser: EI 30 och EI 60, där sifferkombinationen anger minimala tiden i minuter som funktionen ska uppehållas. • Under brand motstå rök, gas och släckmedel. • Efter brand tåla förekommande sanering. Dessutom ska brandtätningen vara enkel att montera och tillåta ändringar. Med hänsyn till ökad störkänslighet hos olika apparater krävs allt oftare att anläggningen ska ha ett EMC-skydd. Här räcker det inte att enbart använda skärmade kablar. En störningsväg är genomföringar. Ofta kombineras därför brandskydd med EMC-skydd. Då störningar kan induceras i bland annat skärmen, är det viktigt att skärmen kommer i kontakt med det i det kombinerade brand- och EMC-skyddet. Typexempel visas i figur 1.12 A och B.

Figur 1.12 A Exempel på kombinerat brand- och EMC-skydd.

Optokabel

Ett sätt att komma ifrån störningar är att ersätta standardkablar för manöver med optokabel. Då den inte kan störas av elektriska kablar kan en optokabel samförläggas med kraftkablar. En annan fördel är att den tar liten plats och väger lite. Optokabeln består dels av en kärna (normalt av glas eller plast), dels av ett så kallat optiskt hölje. I en kabel kan man ha en eller flera optofibrer. I kablar finns dessutom normalt dels dragavlastare för att ta upp axiella krafter, dels någon form av mantel som mekaniskt skydd. Optofibrer förekommer i olika utförande: • singelmodfiber för långdistanskommunikation, kärnans diameter ≈ 10 mm, • multimodfiber används i lokala nätverk, kärnans diameter typiskt 62,5 mm. Fibern märks med kärnans diameter (mm)/ledningens ytterdiameter (mm), till exempel 62,5/125.

Figur 1.12 B En modul i skyddet i figur 1.12 A. Anpassning sker bland annat med ledande tejp.

Normalt har en PVC-mantlad kabel grön yttermantel när den innehåller multimodfibrer och blå yttermantel när den innehåller singelmodfibrer.


22

1

Svensk standard för tele- och optiska kablar är SS 424 16 75. Standarden anger hur dessa kablar ska betecknas. Beteckningarna bygger på hur kabeln är uppbyggd och vilka material som ingår. Manteln märks med kabeltyp enligt beteckningssystemet, vilket är återgivet i slutet av kapitel 12 Formler och data. Där anges också exempel på märkning av optokabel. Av märkningen framgår även antal fibrer, typ av fiber, typ av sekundärskydd, svensk standard om sådan finns. Normalt har kablarna också metermärkning.

1.3 Elkraftdistribution inom företag och fastigheter Elinstallationer i byggnader ska distribuera elkraft till alla de ställen där den behövs. Detta ska ske med hänsyn tagen till ekonomi och elsäkerhet. För installationer i byggnader gäller bland annat nedan angiven svensk standard, men dessutom starkströmsföreskrifterna, ELAMA, anvisningar utgivna av boverket och landstinget, med mera. En viktig synpunkt vid planering av installationer är önskemål om att få stor flexibilitet med tanke på omflyttning av utrustningar, flyttning av väggar vid omorganisationer, ändrade behov av elkraft etc. Det här avsnittet kommer väsentligen att behandla installationer med inriktning på flexibilitet. För elinstallation i byggnader gäller bland annat följande standarder: SS 430 01 10 SS 436 40 00 SS 437 01 40 SS 437 01 45 SS 437 01 51

Mätarskåp Elinstallationer i byggnader – Utförande för elinstallation i byggnader Anvisningar för anslutning av lågspänningsinstallationer till elnätet. Elinstallationer i byggnader – Grundläggande dimensioneringsregler. Elinstallationer i byggnader – Införing av el- och telekabel i byggnader.

SS 437 01 52

Elkraftanvändning

Elinstallationer i byggnader – Utrymme för el- och teleutrustning i flerbostadshus.

1.3.1 KNX – intelligent installation KNX – det intelligenta installationssystemet – är en ersättare till bland annat installationsbussen EIB (European installation bus). Det arbetar med en buss – en tvåledare som knyter samman en fastighets alla tekniska funktioner och kan förmedla och utbyta information parallellt med den ordinarie strömförsörjningen. Till bussen anslutna sensorer kan vara strömställare, rörelsedetektorer, ljusmätare, vindmätare, termostater med mera. Till bussen anslutna anläggningar och utrustningar (aktorer) kan vara belysning, ställmotorer för gardiner eller markiser, luftkonditioneringsanläggning, låsanordningar, till- och frånkoppling av elektriska apparater som kopiatorer och kaffebryggare, med mera. Energi kan sparas genom tids- och närvarostyrning. Ventilationen kan styras av behovet eller den kan kopplas av och på, beroende av närvaro i rummet. Man kan bestämma maximalt energiuttag och systemet kan programmeras att koppla bort olika apparater efter olika önskemål. Prioritering av favoriserad kraft vid driftavbrott kan göras. Varje enhet i systemet har en dator med sin speciella adress. Detta gör att de sinsemellan – utan en centralenhet – kan utbyta information. Typexempel på anläggningar: • anläggningar med komplexa reglerfunktioner, • anläggningar med långa kabellängder, • anläggningar, där komponenter bör kunna användas till fler funktioner, • anläggningar med upprepat eller kontinuerligt behov av funktionsändringar, • anläggningar avsedda för vård och rehabilitering.


1

Elkraftanvändning

Eftersom KNX kan kopplas både i serie, som stjärna eller i fria kombinationer, kan tvåledaren gå den enklaste vägen. Genom att utnyttja möjligheten till trådlös styrning via fjärrkontroll och IR-detektorer kan man ytterligare minska ledningsdragningen. All programmering sker med hjälp av en dator och ett ISO-baserat nätverkskommunikationsprotokoll ISO/IEC 14 543. I händelse av moderniseringsåtgärder respektive ändrat rumsutnyttjande måste man i konventionella anläggningar förändra eller utöka hela installationen. Detta innebär omfattande ledningsdragning.

Figur 1.13 A Kanalskensystem för kraft.

Figur 1.13 B

23

Med installationsbussen behöver man bara dra energi respektive bussledning till de nyinkopplade komponenterna utan att ändra den tidigare installationen.

1.3.2 Ledningsdragning Viktigast här är att göra installationen så flexibel som möjligt då verksamheten ofta varierar och det kommer nya maskiner som kräver ny strömförsörjning. Det gäller såväl belysnings- som kraftinstallationen.


24

1

Elkraftanvändning

Figur 1.14 A Kanalskensystem för belysning.

L1 L2 L3 N Figur 1.15 Exempel på flexibelt uppbyggt samlingsskenesystem.

Figur 1.14 B

Den flexibla strömförsörjningen erhålls normalt med olika typer av kanalskensystem. Typexempel visas i figur 1.13 och 1.14. Till den flexibla installationen hör även ett väl utbyggt system med ledningsstegar eller ledningsrännor. Figur 1.16 A Typexempel på ellistsystem.

1.3.3 Centraler och driftrum Till ett flexibelt system hör även centraler som är flexibelt uppbyggda. Till denna grupp kan man hänföra byggnation med samlingsskenesystem. På detta monteras knivsäkringslastfrånskiljare, diazedsäkringselement och apparatadaptrar med påmonterade valfria apparater. Typexempel visas i figur 1.15. Kraft och tele får ofta – speciellt i kontorsbyggnader – sin inmatning till ett speciellt driftrum, normalt placerat i byggnadens källar- eller bottenplan. Härifrån går kablar och ledningar via ett eller flera vertikala elschakt till de olika våningsplanen. Inom elschaktet placeras säkringscentraler på de olika våningsplanen. Den matande huvudledningen kan i stället för att utgöras av kablar utformas som kanalskensystem. Från elschakten

Figur 1.16 B Typexempel på uttagsstavar.


1

Elkraftanvändning

sprids kraft och tele ut till de olika rumsenheterna – olika beroende på vald systemlösning. Till den flexibla installationen hör: • ledningsstegar, ledningsrännor i undertak, • olika typer av installationskanalsystem och ellister, • uttagsstavar. I kanalisationen kan monteras ledningar för • lågspänning 230 V, • snabbtelefon, • rikstelefon, • terminal. Typexempel på ellistsystem och uttagsstavar visas i figur 1.16 och 1.17.

25

1.4 Elanvändning inom industrin Det här avsnittet ger exempel på data för vissa typiska elutrustningar och synpunkter på val av utrustning inom industrin. En typ av utrustning är för upphettning där det främst gäller elektrostålugnar med ljusbågsprincip eller induktionsprincip. Inom kemisk industri behövs el för elektrolys, speciellt vid aluminiumframställning. Massa- och pappersindustrin är ett område som kräver mycket el. Inom verkstadsindustri och träindustri används olika typer av eldrivna bearbetningsmaskiner. Inom de flesta typer av industrier behövs utrustning för förflyttning av materiel, till exempel pumpar, fläktar, kranar, transportörer. I vissa fall används pneumatiska verktyg som kräver eldrivna kompressorer. Allmänt gäller att elmotorer behandlas utförligt i Elkrafthandbokens del Elmaskiner.

1.3.4 Teleanläggningar Omfattningen av de teletekniska anläggningarna är mycket olika och synnerligen verksamhetsberoende. Det kan gälla kontor och förvaltningsbyggnader, sjukhus och vårdcentraler, skolor, dag- och fritidshem och bostäder. Här anges exempel på möjliga teletekniska anläggningar: • nödsignalanläggning för handikapptoaletter, vilrum, bastu, kyl och frysrum samt hissar, • personsökaranläggning, trådlös eller trådbunden, • manöveranläggningar för styrning av belysning, elslutbleck, • kodlåsanläggning, • rikstelefonanläggning, • porttelefonanläggning, • centralantennanläggning, • automatiskt brandlarm, • inbrotts- och överfallslarm, • terminaler, • tidgivningsanläggning, • upptagetmarkering, • kallelsesignal, • orderhögtalare med rastsignal (speciellt skolor).

1.4.1 Elektrostålugnar Elektrostålugnar används för att framställa bland annat rostfritt stål. De viktigaste typerna är ljusbågsugn och induktionsugn. Ljusbågsugnar används normalt när det gäller framställning av stora kvantiteter stål. Typisk ugnsstorlek är 20–200 ton. Förloppet sker satsvis med typisk produktionshastighet av 70 ton per timme. Energiåtgången är ca 430 kWh per ton stål. Typiskt värde för

Figur 1.17 Ljusbågsugn.


26

1

en ljusbågsugn är 60 MVA vid ett cos φ av 0,8. Den i Sverige normala konstruktionen är trefas växelström med tre grafitelektroder. Induktionsugnar används normalt vid mindre satser från 10 kg till några tiotals ton för specialkvaliteter av stål. Frekvensen ligger normalt i området 300–500 Hz men även 50 Hz förekommer. Typisk energiåtgång är 600 kWh/ton. Induktionsugnen innehåller en primärspole, medan sekundärkretsen utgörs av själva smältan. Uppvärmningen sker genom virvelströmmar i materialet. En induktionsugn är även försedd med ett kondensatorbatteri, vilket gör att effektfaktorn kan hållas mycket nära 1.

1.4.2 Aluminiumframställning Aluminium framställs normalt genom extraktion, rening och torkning av bauxit följd av elektrolys av den bildade aluminiumoxiden. Vid elektrolysen används en elektrolysugn bestående av ett stålkar fodrat med kol, som bildar katod vid elektrolysen. Vid elektrolysen bildas smält aluminium på karets botten. Typiska värden på strömförsörjningen är 5 V spänning, ström på 100 à 250 kA och strömtäthet i elektrolyten på 0,7 A/cm2. I elektrolysprocessen åtgår ca 500 kg kol per ton aluminium när elektroderna förbränns under elektrolysen. I moderna elektrolysverk åtgår ca 14 MWh elenergi per ton aluminium. Den svenska produktionen av aluminium är ca 150 000 ton per år.

släpringade asynkronmotorer. Dessa ger lägre startströmmar och därmed mindre påfrestningar (= lägre spänningsfall) på nätet. Med dessa motorer kan man även erhålla en viss varvtalsreglering. De kan ge bättre fliskvalitet än de kortslutna asynkronmotorerna.

Likströmsmotorer och synkronmotorer används sällan i dessa sammanhang. Raffinörer

Raffinörer används till att mala den flis som kommer från flishuggen. Efter detta förs fibrerna in i en kokare för att man ska få massa. Som motor till raffinörer används synkronmotorer, storlek från 6–8 MW upp till ca 20 MW. Direktstart utnyttjas. Motorerna är normalt fyrpoliga. Pappersmaskiner

Figur 1.18 visar en pappersmaskin. Sedan pappersmassan kokat pumpas den upp i en inloppslåda. Där kommer massan ut på en vira för att föras in i ett parti där vattnet sugs bort och massan pressas ihop. Därefter kommer ett torkparti där massan torkar antingen genom att passera över ett stort antal varma valsar eller genom varmluft mellan de olika valsarna innan papperet lindas upp. Som motorer till vakuumpumpar används kortslutna asynkronmotorer med en effekt av 1–3 MW.

1.4.3 Massa- och papperstillverkning De komponenter vi tar upp här är flishuggar, raffinörer och pappersmaskiner. Flishuggar

Flishuggar används för att hugga upp och finfördela inkommande virke till flis. Som motorer till flishuggar används • kortslutna asynkronmotorer på ca 1,5 MW. Då industrin har relativt starka nät kan direktstart normalt accepteras.

Elkraftanvändning

Figur 1.18 Pappersmaskin.


1

Elkraftanvändning

ACV 700

27

ACV 700

ACV 700

Figur 1.19 AC-drivsystem.

ACV 700

DC BUSBARS

BA

DC

DC

AC

APC LINK APC

DC

AC LINK APC

AC LINK

PC

M

M

M

M

AOS MasterBus 90

Drivsystemet till de olika valsarna kan antingen vara ett växelströmssystem eller ett likströmssystem. I AC-alternativet används kortslutna asynkronmotorer som varvtalsstyrs via frekvensomriktare, se figur 1.19. Gemensam likriktare med separata växelriktare till varje motor utnyttjas. I DC-alternativet används likströmsmotorer som varvtalsstyrs via strömriktare. Här har man ett likströmsnät med separata strömriktare till varje motor.

1.4.4 Valsverk Den konventionella driften av valsverk har länge varit Ward–Leonard-system. Den erforderliga varvtalsstyrningen bygger på ankarspänningsreglering av en LS-motor. Systemet består av en LS DC-generator, en LS DC-motor och en asynkronmotor (som exempel på drivmotor). Systemet beskrivs i delen Elmaskiner, avsnitt 8.8. Bland annat på grund av att LS DC-motorer kräver mycket underhåll är trenden att i stället använda synkronmotorer med cykloconverterdrift. Aktuell effektnivå ligger i området 1–35 MW. För rullbanetransport används normalt kortslutna asynkronmotorer i kombination med frekvensomriktardrift för effekter upp till ca 600 kW.

Figur 1.20 A Valsverksdrift

Figur 1.20 B Rullbanetransport i valsverksdrift.


28

1

Typexempel på rullbanetransport i valsverksdrift visas i figur 1.20 B.

1.4.5 Bearbetningsmaskiner De maskiner som faller under begreppet bearbetningsmaskiner är bland annat svarvar, fräsar, hyvlar, borrmaskiner, slipmaskiner och sågar. De är aktuella inom verkstadsindustri, träindustri med flera industrier. För närvarande utgörs en stor del av maskinparken av numeriskt styrda maskiner, det vill säga NC-maskiner eller CNC-maskiner. I benämningen numerisk styrning ligger bland annat att det läge verktyget verkligen uppnår kontrolleras och korrigeras samt att även andra maskinfunktioner kan styras. Utvecklingen går mot mer utnyttjande av informationsteknik som leder till flexibla tillverkningssystem, FMS (flexible manufacturing system). Den maskintyp som vanligen används är asynkronmaskinen.

1.4.6 Fläktar Det finns två huvudtyper av fläktar: axial- och radialfläktar. Radialfläktarna kan sedan i sin tur delas upp i radialfläktar med framåtböjda skovlar (F-hjul) respektive bakåtböjda skovlar (B-hjul). Axialfläkten är försedd med ett propellerliknande fläkthjul genom vilket luften transporteras axiellt. Efter hjulet finns ofta ledskenor som har till uppgift att ge utgående luften en axiell strömning. Radialfläktar tar in luften axiellt i fläkthjulet, men leder ut den radiellt. Tryckkapaciteten erhålls till största delen genom centrifugalverkan. Det är viktigt att hålla låga lufthastigheter i anläggningen om tryckfall och energikostnad ska kunna begränsas. En ökad kanaldiameter ger lägre lufthastighet och därmed mindre tryckfall och lägre driftkostnader. Fläkten måste anslutas rätt; annars uppstår extra förluster. Figur 1.21 visar exempel på hur man kan minska tryckfallet i en anläggningsdel genom att flytta fläkten ett avstånd motsvarande 5 rördiametrar från

Elkraftanvändning

205 Pa

6 m3/s

160 Pa

10 Pa 45 Pa

1D

5D 6 m3/s

D Figur 1.21 Flyttning och vridning av fläkt samt montering av kanal på utloppet har sänkt tryckfallet från 365 Pa till 55 Pa.

en 90°-böj på sugsidan, vrida fläkten 90° och förse den med en kanal på utloppet. Med denna begränsade förbättring minskas årskostnaden vid kontinuerlig drift med ca 10 000 kronor vid en energikostnad på 40 öre/kWh. Fläktens effektbehov är vidare beroende av gasens temperatur. En högre gastemperatur ger lättare gas och därmed lägre effektbehov. Drivsätt för fläktar kan antingen vara direktdrift eller remdrift (normalt kilremmar). Den maskintyp som vanligen används är kortsluten asynkronmotor. Konstantvarviga drifter

Vanligaste startmetoden är direktstart. Y/D-start är mindre lämplig då motorn inte kommer upp i fullt varv på Y-koppling. Vid omkoppling till D-koppling kommer man att få en lika stor inkopplingsström som vid direktstart.


Elkraftanvändning

A 1,0 m ku rv or

pk

ste

va ur

För att reglera luftflödet kan man tillgripa: • spänningsreglering (för mindre effekter), • hydraulkoppling eller virvelströmskoppling (för större effekter), • skovelvinkelreglering (axialfläkt), • frekvensreglering.

B 1,25

m

Varvtalsreglerade fläktar

Uppfordringshöjd H

Pu

Har man behov av icke-kontinuerlig reglering av varvtalet kan polomkopplingsbara motorer vara ett alternativ. Beroende på vilka varvtal man väljer får man använda motorer med skilda lindningar (valfria poltal) eller Dahlanderkopplade motorer (med varvtalssambanden 1:2). Tillämpning är bland annat ventilationsfläktar för dag respektive natt- och helgdrift. Under dagtid krävs stor luftomsättning, medan man under helger och nätter kan köra med reducerad luftväxling. För att reglera flödet hos konstantvarviga drifter kan man tillgripa: • strypning (radialfläktar: B- respektive F-fläkt), • ledskenereglering (axialfläktar).

29

Sy

1

0

0

0,7

1,0

Flöde Q

Figur 1.22 A Effektbehovet vid strypning av en centrifugalpumps flöde. A är driftpunkten vid maximalt flöde, 1,0. Höjden = 1,0. Effektbehovet är då 1 × 1 = 1. B visar driftpunkten vid 70 % flöde, 0,7. Höjden = 1,25. Effektbehovet blir här 0,7 × 1,25 = 0,875.

Uppfordringshöjd H

A 1,0

Q = flödet i m3/h H = uppfordringshöjd i m η = pumpens verkningsgrad i % Formeln gäller endast för vätskor med densiteten 1 000 kg/m3 och en viskositet som motsvarar vattnets. Endast då gäller faktorn 367 i nämnaren.

a

r

Q·H 367 · η

vo

P=

ur

En pumps effektbehov kan beräknas enligt:

pk

m

B 0,6

rv mku

te

Sys 0

1.4.7 Pumpar

Pu

Med hänsyn till miljö och ekonomi har det naturliga valet för fläktar och pumpar kommit att bli (båda i kombination med frekvensomriktare): • den kortslutna asynkronmotorn, samt • reluktansmotorn.

0

0,7

1,0

Flöde Q

Figur 1.22 B Effektbehovet vid varvtalsreglering av en centrifugalpumps flöde. Liksom i figur A visar de streckade linjerna, som möts i A, effektbehovet vid maximalt flöde. Effektbehovet är då 1 × 1 = 1. B visar driftpunkten vid 70 % flöde, 0,7. Höjden = 0,6. Effektbehovet blir då 0,7 × 0,6 = 0,42.

En pumpkurva ger en bild av pumpens prestanda. Den visar vilket flöde som pumpen kan prestera vid ett visst mottryck eller en viss uppfordringshöjd. Det som bestämmer var på pumpkurvan pumpen kommer att arbeta bestäms av systemkurvan. Denna representerar sambandet mellan uppfordringshöjden och flödet i det system som pumpen arbetar i. Skärningspunkten


30

1

mellan pump- och systemkurvorna ger pumpens driftpunkt. En rätt vald pump har sin högsta verkningsgrad nära denna driftpunkt. Typexemplet – se figur 1.22 – visar hur varvtalsreglering av en centrifugalpumps flöde kan minska effektförbrukningen till mindre än hälften jämfört med strypreglering. För pumpar kan mycket vinnas på att gå upp i varvtal, det ger bland annat minskning på motor och pumps yttermått. Genom frekvensomriktardrift kan man mata motorer som gör att pumpar, även vid direktdrift, kan komma upp i varvtal på 6 000–8 000 r/minut. Val av motortyp

L3

Elkraftanvändning

3 4 5

L2

2

L1

1

M

Figur 1.23 Varvtalsstyrning av kranmotor för hissning och firning. Styrning görs via en kombination av statorspänningsreglering och in-/urkoppling av rotorresistans. Tyristorbryggorna 4 och 5 är för reversering.

Pumpanläggningar med öppet rörsystem kan drivas av kortslutna asynkronmotorer som inkopplas via direktstart. För pumpanläggningar med slutet rörsystem rekommenderas antingen likströmsmotorer (styrda av strömriktare) eller kortslutna motorer som startas och drivs via antingen frekvensomriktare eller mjukstartare. Genom en sakta uppreglering av varvtalet vid start och sakta sänkning av varvet vid stopp kan man undvika tryckstötar i ledningssystemet. Genom att undvika tryckstötarna får man en längre livslängd på anläggningen, det vill säga man kan bygga ett ”klenare” ledningsnät, vilket blir billigare. Figur 1.24 Containerkran.

1.4.8 Transportörer Till transportörer räknas transportband, kranar, hissar, gruvspel med flera tillämpningar. Transportband

Beroende på material på bandet kan man antingen sätta i gång det genom direktstart (ryck i bandet) eller via mjukstartare alternativt frekvensomriktare, då man får en mjuk start. Kranar

För hissning och firning har den konventionella tekniken varit att använda antingen kortslutna asynkronmotorer som varvtalsstyrts via statorspänningsreglering

eller via släpringade motorer där varvtalet styrts via en kombination av statorspänningsreglering och in-/ urkoppling av rotorresistans enligt figur 1.23. Typiskt effektområde är 10–500 kW. För åkrörelse används kortslutna asynkronmotorer med frekvensomriktardrift. Med den senaste tekniken inom elektroniken använder man kortslutna asynkronmotorer som varvtalsstyrs via frekvensomriktare enligt till exempel DTC-tekniken (DTC = direct torque control), som medger fullt moment inom hela varvtalsområdet inklusive hållmoment (utan broms). Se vidare delen Elmaskiner kapitel 8. Typiskt effektområde är 2–500 kW. Figur 1.24 visar tillämpning i containerkran. Som alternativ till AC-maskiner används även DC-drift, det vill säga separatmagnetiserade maskiner.


1

Elkraftanvändning

31

B3

B2 4×2 MVA

4 × 2,5 MVA

B4

B5

4×2 MVA

4×2 MVA

B6 4×2 MVA

B8 4×2 MVA

1

M 2

AS 500

4300 kW

M 5600 kW

M

M

4300 kW

4300 kW

M 4300 kW

M 4300 kW

Figur 1.25 A Kopplingsschema för gruvspel med likströmsmotorer. 1 = Faskompenseringsutrustning. 2 = Central manöverpulpet. AS 500 = datorbaserat styrsystem.

1.4.9 Några ytterligare exempel Separatorer

Figur 1.25 B Gruvspel.

Centrifuger eller separatorer används inom många områden för att bland annat skilja olika vätskor från varandra (till exempel vatten från olja). För detta krävs normalt höga varvtal på separatorkulan. På grund av stort tröghetsmoment i systemet blir starttiden relativt lång, av storleksordningen 2–15 minuter. För driften används normalt kortslutna asynkronmotorer vilkas varvtal styrs av frekvensomriktare. Uppväxling i varvtal sker normalt via remdrift alternativt snäckväxel. Effektområde: 0,5–200 kW.

Gruvspel

Gruvhissar förekommer i två olika varianter: dels med trumma, dels som friktionshiss med motvikt. Som drivutrustning förekommer både likströmsdrift och växelströmsdrift, i det senare fallet synkronmotorer med cycloconverter. Figur 1.25 visar kopplingsschema för likströmsmotordrift för gruvspel (Kiruna – gruvspel B2 –B8).

Rullmaskiner

Vid dessa drifter håller man normalt konstant dragkraft, det vill säga konstant periferihastighet. Vid upprullning av material på en vals är valshastigheten till en början hög. Allteftersom pårullning sker ökar diametern, varigenom varvtalet hos valsen sjunker. Detta innebär att effektbehovet är konstant.


32

1

Elkraftanvändning

Lämpliga drivsystem till denna typ av anläggning är • DC-motor med separat magnetisering, med strömriktare eller • kortsluten asynkronmotor med frekvensomriktare. Till bägge typerna av drifter krävs en avancerad styroch reglerutrustning, som även klarar av konstant dragkraft, acceleration och retardation med mera. Marin miljö – fartygsdrift och plattformar Figur 1.26 A Båt med dieselelektrisk drift.

Nästan all fartygsmaskindrift är elektrisk - normalt dieselelektriskt. Normalt finns det en motor i mitten av fartyget som via en lång axel till aktern driver en fast propeller. Ett annat alternativ är att bygga en enhet av motor, propeller och roder. En sådan variant av drivsystem kallas Azipod och används ofta av bland annat stora kryssningfartyg. Hela enheten är vridbar 360o. Systemet används även för oljeplattformar/oljeborrtorn för att hålla rätt position.

Figur 1.26 B Azipod är ett framdrivningssystem för större båtar. Systemet används även för ”mobila” borrenheter för olja/gas.

Figur 1.26 C Gaskompressorer på en gas-plattform.

Figur 1.26 D En plattform för generatorer – motorer.


1

Elkraftanvändning

33

1.4.10 Allmänna frågor vid motordrifter Växelströmsmotorer

För mindre effekter är den kortslutna asynkronmotorn den dominerande motorn. Släpringade asynkronmotorer förekommer bland annat i samband med krandrift. För större effekter (> 5 MW) dominerar synkronmotorn (ca 90 % av marknaden, asynkronmotorn resterande 10 %). När det gäller synkronmotorer är poltalet normalt fyra upp till ca 60 MW (rotor med utpräglade poler). Över 60 MW är motorerna av turbotyp (cylindrisk rotor). En av fördelarna med synkronmotorer vid stora effekter är att dessa har högre verkningsgrad än asynkronmotorer. Tar man hänsyn till de kapitaliserade förlustkostnaderna kan dessa mer än väl kompensera för den högre kostnaden för en synkronmotor. För stora asynkronmotorer är typiska startmomentet kring eller under märkmomentet – maxmomentet är ca 200 % av märkmomentet. För synkronmotorn är typiska maxmomentet kring 180 %, övermagnetiserad. För synkronmotorer är den normala startmetoden direktstart, även för stora motorer upp till 20 MW. Startströmmen är 200–300 % av märkströmmen. Klarar nätet inte dessa startströmmar kan man tillgripa:

• • • •

reaktorstart, autotransformatorstart, frekvensomriktarstart, ponny-motor-start.

Principschema för dessa starter visas i figur 1.27. Viktigt vid val av startmetod är nätets kortslutningseffekt och tillåtet spänningsfall vid start. Likströmsmotorer

Fördelarna är: Lätt att varvtalsstyra (separatmagnetiserad). Förmåga att alstra höga moment vid låga varvtal. Likströmsmaskinen kan arbeta både som motor och generator: den kan bromsa en drift och därvid återmata energi. Nackdelarna är: Till motorns nackdelar hör att den har ett relativt stort behov av underhåll, bland annat borstslitage. Borstarna arbetar bäst om luftfuktigheten och strömtätheten är den rätta. Ett gynnsamt vatteninnehåll för god patina och litet borstslitage är ca 10 g/ m3. Se vidare delen Elmaskiner. För god kommutering krävs en tämligen konstant strömtäthet, vilket innebär att motorerna är mindre lämpliga för varvtalsreglerade fläktar och pumpar (som har ett kvadratiskt momentbehov).

MS

MS

MS

MS

MS Direktstart

Reaktorstart

P

Autotransformatorstart

Figur 1.27 Olika startmetoder för synkronmotor.

MS

MS

Frekvensomriktarstart

Ponny-motorstart


34

1

1.5 Elkvalitet Elkvalitet är ett sammanfattande begrepp för att bedöma kvaliteten hos en elleverans. Den ökade användningen av känslig elektronisk utrustning som både kan störas och störa annan utrustning har ökat intresset för begreppet elkvalitet. I detta avsnitt behandlas några av de storheter och fenomen som förknippas med elkvalitetsbegreppet. Ett sätt att bedöma elkvalitet i ett elnät är att jämföra avvikelser hos kurvform, frekvens och spänningssymmetri med ett motsvarande idealt elnät där enbart sinusformade strömmar och spänningar med en enda bestämd frekvens förekommer. Uppträdande avvikelser indelas lämpligen i periodiska och ickeperiodiska förlopp. Till de icke-periodiska förloppen räknas spänningsvariationer, över- och underspänning, transienter och så kallat flicker. Till de periodiska förloppen hör övertoner i ström och spänning.

1.5.1 Spänningsvariationer Spänningen är den viktigaste storheten när man gör en elkvalitetsbedömning. I ett lågspänningsnät under normala driftbetingelser och med en nominell fasspänning på 230 V ska dess effektivvärde enligt standard vara högst vara 244 V och lägst 207 V. Lastberoende spänningsvariationer

I elnät med liten nätimpedans varierar spänningen långsamt under dygnet och är oftast högst nattetid eftersom många belastningar då är frånkopplade. Denna lastberoende spänningsvariation sker normalt inom ett snävt intervall kring den nominella spänningen och ligger mestadels väl inom de gränser som standarden föreskriver. Överspänningar

Med överspänning avses en tillfällig spänningshöjning som överstiger den nominella spänningens amplitud med 10 % eller mer. Överspänningar orsakas av in- och urkopplingar av belastningar eller av fel i elnätet. Ett exempel på detta är enfasigt så kallat stumt jordfel som

Elkraftanvändning

uppstår i ett icke-direktjordat trefasigt lågspänningsnät. De två friska faserna får därvid en överspänning motsvarande systemspänningsnivå med risk för skador på ansluten utrustning. Underspänningar

Med underspänning avses en minskning till 90 % eller lägre av den nominella spänningsnivån. Orsakerna till underspänningar kan vara desamma som för överspänningar. En felaktigt fungerande lindningskopplare kan också ge upphov till en varaktig underspänning. Många utrustningar är känsliga för underspänning. En motor till exempel kräver ökad ström om den matas med en för låg spänning, vilket medför större förluster och därmed lägre verkningsgrad. Avbrott

Minskar spänningen till 0 V eller däromkring, talar man om ett spänningsavbrott. Avbrottet kallas kortvarigt om dess varaktighet är mellan 10 ms och 90 s, och långvarigt om det är längre. Orsaken till kortvariga avbrott kan vara omkopplingar i elnätet eller tillfälliga fel. De långvariga avbrotten beror i de flesta fall på att man kopplat ifrån spänningen på grund av ett allvarligt fel eller på grund av ett planerat underhåll. Transienter

Ordet transient används av många som ett gemensamt begrepp för alla typer av snabbare spänningsvariationer. I elkvalitetssammanhang menas med en transient vanligen kortvariga icke-oscillerande spänningsspikar eller kortvariga oscillerande överlagrade spänningsförlopp som snabbt dämpas ut. Spänningsspikarna kan vara såväl positiva som negativa. Stigtiden kan variera från mikrosekunder till några få millisekunder. Falltiden kan också variera och är i vissa fall mycket kort. Varaktigheten för positiva och negativa transienter ska enligt definition vara mindre än 10 ms. Dämpade oscillerande transienter kan ha en något längre varaktighet. Transientförlopp uppstår bland annat i samband med nät- och lastkopplingar och in- och urkopplingar av kondensatorbatterier.


1

Elkraftanvändning

1.5.2 Övertoner I det svenska elnätet är grundfrekvensen 50 Hz, men spänningar och strömmar i godtyckliga snitt innehåller övertoner. En viss halt av övertoner har alltid funnits men det är först under de senare decennierna som halterna blivit så höga att de orsakar driftstörningar, skada på ansluten utrustning och brandfara. Orsaken till den ökade mängden övertoner är den ökade användningen av olinjära belastningar som tyristorstyrningar, frekvensomriktare, switchande nätaggregat och lågenergilampor.

35

där X0 är likkomponenten, X1e är grundtonens effektivvärde, Xne är effektivvärdet för tonen med ordningstal n. THD-värdet

Det så kallade THD-värdet (total harmonic distortion) är ett mått på övertonshalten hos en ström eller en spänning: THD =

"X22e + X23e + X24e + ... X1e

THD anger övertonernas effektivvärde i förhållande till grundtonens effektivvärde och uttrycks normalt i procent.

Fourieranalys

Vi förutsätter att läsaren är bekant med fourieranalys, det vill säga metoden att beskriva ett godtyckligt periodiskt förlopp som en oändlig serie av sinusformade förlopp, vilkas frekvenser är heltalsmultiplar av grundfrekvensen, eventuellt med tillägg av en konstant term, förloppets likkomponent. Grunderna för fourieranalysen återges i kapitel 12 Formler och data. Effektivvärdet

Effektivvärdet för ett godtyckligt förlopp x(t) definieras som: Xe =

1T 2 x dt ÅT3 0

där x(t) är förloppets tidsfunktion, T dess period och Xe det beräknade effektivvärdet. För ett sinusförlopp, x 1 t 2 = X^ sin ω t, med amplituden X^ erhålls effektivvärdet Xe genom det kända sambandet: Xe =

X^ "2

För ett icke-sinusformat periodiskt förlopp, x(t), blir effektivvärdet, X: Xe = "X20 + X21e + X22e + ... + X2ne + ...

Effektförhållanden i elnät med övertoner

Att definiera och bestämma effektstorheter (aktiv, reaktiv, skenbar effekt och effektfaktor) är tämligen enkelt så länge elnätet saknar övertoner. De enkla formler och samband som då gäller kan tyvärr inte användas om elnätet innehåller övertoner. För att bestämma mer generella formler för effektstorheter som också gäller för icke-sinusformade förlopp utgår vi från den momentana effekten p(t) med definitionen p 1 t 2 = u 1 t 2 · i 1 t 2 [W] Den momentana effekten är ofta av mindre intresse i elkraftsammanhang. I stället intresserar man sig för tidsmedelvärdet av den momentana effekten som kallas medeleffekten eller den aktiva effekten och betecknas P. Den aktiva effekten är ett mått på den (konstanta) energi som per tidsenhet omvandlas till nyttigt arbete (uppvärmning, mekaniskt arbete etc.): T

T

1 P = 3 u 1 t 2 · i 1 t 2 dt = 3 p 1 t 2 dt [W] T 0

För en sinusformad ström i 1 t 2 = I^ sin 1 ω t + α 2

0


36

1

och spänning

Effektfaktorn med beteckningen PF eller λ, definieras som kvoten mellan aktiv och skenbar effekt och är ett mått på hur effektivt elnätet utnyttjas vid överföring av viss aktiv effekt P:

u 1 t 2 = U^ sin 1 ω t + β 2 båda med samma frekvens och med fasdifferensen w = β – α mellan spänning och ström, blir den aktiva effekten 1 P = U^ I^ cos 1 β – α 2 = UeIe cos 1 β – α 2 = UeIe cos φ 2 För icke-sinusformade strömmar och spänningar med samma frekvens kan man visa att den aktiva effekten blir

PF = λ =

där P = U0 · I0 är likeffekten och Pne = Une · Ine cos φn är aktiva effekten härrörande från tonen med ordningstal n. Ur formeln kan man utläsa att det krävs både en ström- och en spänningskomponent med samma frekvens samt att wn 2 90° för att åstadkomma deltonseffekt. I styva elnät med små övertonshalter blir deltonseffekterna (P2, P3 och så vidare) små. En deltonseffekt kan matematiskt bli positiv eller negativ, varvid tecknet anger effektens riktning i aktuell mätpunkt. Den skenbara effekten S definieras som produkten av effektivvärdena för ström och spänning. För sinusformad ström och spänning blir denna:

PF =

P UeIe cos w = = cos w S UeIe

Vid sinusformad ström och spänning kallas effektfaktorn ibland DPF = displacement power factor. Det är alltså endast i de fall då ström och spänning är sinusformade och har samma frekvens som effektfaktorn kan associeras med en vinkel φ motsvarande en påvisbar tidsförskjutning. Slutligen ska vi beröra den reaktiva effekten Q. I elnät med övertoner är den reaktiva effekten ett tämligen abstrakt begrepp som svårligen kan ges en fysikalisk tolkning. Dessutom förekommer i litteraturen flera olika + u

1 S = U^ I^ = UeIe 2

i

+

R, L, C

2 1e

2 ne

S = UeIe = !U + U + ... + U + ... · 2 1e

2 ne

!I + I + ... + I + ...

i

u

^ och I^ är spänningens och strömmens amplitud. där U För periodiska icke-sinusformade strömmar och spänningar med samma grundtonsfrekvens definieras den skenbara effekten på samma sätt som för sinusformade förlopp:

2 0

P P0 + P1 + P2 + ... + Pn + ... = S UeIe

Ett lågt värde på effektfaktorn indikerar dålig utnyttjandegrad. Ett vanligt sätt att öka utnyttjandegraden (= öka effektfaktorn) är att installera utrustning för faskompensering. Om både ström och spänning är sinusformade med samma vinkelfrekvens ω och fasdifferensen är φ reduceras effektfaktorformeln till

P = U0 · I0 + U1e · I1e cos φ1 + U2e · I2e cos φ2 + ... + Une · Ine cos φn + ... = P0 + P1 + ... + Pn + ....

2 0

Elkraftanvändning

Ie

Ie

Ue

Ue

Figur 1.28 Ie-Ue-kurva för linjärtkretselement, ickeövertonsalstrande (till vänster) och olinjärt kretselement, övertonsalstrande (till höger).


1

Elkraftanvändning

37

definitioner av begreppet. Lämpligen bör man nöja sig med att diskutera den reaktiva grundtonseffekten, Q = U1e · I1e sin w1 som normalt är den dominerande och den som man kompenserar bort med lämplig utrustning (till exempel filterbatterier). Den reaktiva effekten Q kan inte likt den aktiva effekten användas till nyttigt arbete; den bidrar endast till att sänka utnyttjandegraden och öka förlusterna i elnätet. Olinjära belastningar

För de ideala kretselementen motstånd R, induktor L och kondensator C gäller ett rätlinjigt och proportionellt samband mellan effektivvärdena för spänning och ström om kretselementens parametrar R, L och C är konstanta och den matande spänningen sinusformad. Råder inte detta rätlinjiga samband är kretselementet olinjärt och alstrar därmed övertoner. Ett exempel på ett sådant olinjärt (övertonsalstrande) kretselement är dioden, se figur 1.28. Elnäten i sig kan anses vara linjära, medan de olinjära kretselementen finns som belastningar. Dessa olinjära belastningar skapar strömövertoner och bidrar också till att alstra övertoner i spänning. Hur mycket spänningen distorderas på grund av övertonsströmmar beror på nätimpedansen. Antag att den matande generatorn levererar en sinusspänning, vilket i många fall är en god approximation. Spänningen uL(t) över belastningen blir då skillnadsspänningen u0(t) – ui(t), se figur 1.29. Om strömmen i(t) innehåller övertoner kommer spänningen över nätimpedansen att innehålla övertoner. Därmed kommer också spänningen uL(t) att innehålla övertoner. En sinusformad lastspänning förekommer endast i de fall då nätimpedansen är Nätimpedans

+

u i (t )

+

+ u 0 (t )

u L (t )

U

– i (t )

Figur 1.29 Krets med olinjär last.

Olinjär last

försumbart liten (styvt elnät) eller om samtliga belastningar och nätelement är linjära. Tredjetonsfenomen

Speciella fenomen som kan leda till problem uppträder i trefasiga 4- och 5-ledarsystem med olinjära belastningar inkopplade mellan fasledarna och neutralledaren. Det välkända faktumet att strömmen i neutralledaren är noll vid symmetrisk last och symmetrisk trefasspänning gäller inte om belastningarna är olinjära. Det visar sig nämligen att övertonsströmmar vilkas frekvenser är heltalsmultipler av tre (3 · k; k = 1, 2, 3 …), 150 Hz, 300 Hz, 450 Hz och så vidare, är av nollföljdskaraktär (faslika) och kommer att summeras i neutralledaren. Låt oss anta att tre identiska olinjära belastningar ansluts till varsin fas och matas med symmetrisk trefasspänning. Antag vidare att varje belastning ger upphov till fasströmmar bestående av dels en grundton med effektivvärdet 150 A och dels en tredjeton (150 Hz) med effektivvärdet 100 A. I faserna blir då strömmens effektivvärde Ie = !1502 + 1002 ≈ 180 A I neutralledaren kommer grundtonsströmmarna att summeras till noll, medan effektivvärdena av tredjetonsströmmarna kommer att summeras till 300 A (!). Exemplet visar att trots identiska belastningar och symmetrisk spänning kan strömmen i neutralledaren bli mycket hög. Strömmen kan till och med bli så hög att neutralledaren kan brinna av och orsaka brand i anläggningen. Om neutralledaren är en så kallad PEN-ledare finns risk dels för spänningssättning av utsatta, skyddsjordade delar, dels för över- eller underspänning hos anslutna utrustningar. I vissa fall kan allvarlig risk för personskada uppstå. Exempel på anläggningar där tredjetonsfenomen förekommer är anläggningar med omfattande installationer av lysrör och datorer. En annan negativ konsekvens orsakad av tredjetonsströmmar är att dessa cirkulerar i Dyn-kopplade transformatorers deltalindningar. Symtomen är förhöjd temperatur hos dessa trots att den uttagna effekten ej


38

1

Figur 1.30 Elnätsanalysatorn DIP 8000 från Unipower AB.

överstiger märkeffekt. Sänker man inte övertonshalterna i transformatorn, genom att till exempel mata en del av belastningarna från annan transformator, är risken stor att dess livslängd förkortas på grund av en alltför snabb åldring. Kan man inte mata från en annan transformator eller på något annat sätt begränsa övertonshalterna måste man i värsta fall byta till en större transformator. Mätning av övertonsströmmar och effekter bör vid Dyn-kopplade transformatorer alltid ske på nedspänningssidan. På uppspänningssidan erhålls för låga mätvärden eftersom tredjetonsströmmarna till största delen cirkulerar i transformatorns deltalindning och därmed inte är åtkomliga för mätning. Vid bestämning av övertonshalter är det viktigt att mätningarna utförs med en registrerande (loggande) elnätsanalysator under en belastningscykel eller mer. Ett icke-registrerande instrument typ voltmeter (DVM) eller wattmeter visar enbart ögonblicksvärden och ger inte tillräckligt med information. Figur 1.30 visar en bild över den portabla elnätsanalysatorn DIP 8000 från Unipower, vilken är speciellt utvecklad för att användas till bland annat övertonsmätningar av spänning och ström. Speciella problem med kondensatorer

Ett tecken på att övertoner existerar i ett elnät kan vara havererade kondensatorbatterier. Kondensatorbatterier

Elkraftanvändning

för faskompensering kan nämligen skadas på grund av att parallellresonans uppstår mellan kondensatorbatteriet och elnätet. Resonans medför att små övertonsströmmar förstärks och blir så höga att kondensatorbatteriet tar skada. Dessutom ”suger” kondensatorbatteriet åt sig övertoner eftersom dess impedans minskar med ökad frekvens. Bästa sättet att minska risken för kondensatorhaverier är att installera ett eller flera filterbatterier i stället för vanliga kondensatorbatterier. Ett filterbatteri är uppbyggt av ett eller flera filter, vart och ett bestående av en kondensator i serie med en reaktor (serieresonanskrets), och har två huvudfunktioner. Dels hindrar filterbatteriet strömövertonerna att utbredas i elnätet, dels uppträder filterbatteriet som faskompenserande utrustning för grundtonsfrekvensen. Vagabonderande strömmar

Vagabonderande strömmar är ytterligare ett fenomen som ökar med ökande övertonshalter. Vid normala förhållanden flyter all returström genom neutralledaren. Eftersom neutralledarens impedans ökar med ökad frekvens kommer övertonsströmmarna att känna ökat motstånd och börjar flyta alternativa vägar. Dessa alternativa vägar kan vara vattenledningsrör, armeringsstänger etc. Det är dessa strömmar som flyter alternativa vägar som kallas vagabonderande och de är oönskade eftersom de bland annat ger upphov till ökat magnetfält i omgivningen.

1.5.3 Flicker Stora effektslukande belastningar som induktionsugnar, kompressorer, hissmotorer, pumpar etc. bidrar till att öka halten av spänningsdistorsion i elnätet. Den distorsion som dessa belastningar orsakar är långsamma repetitiva (1 Hz – 30 Hz) variationer i spänningens effektivvärde. Till och med när dessa variationer ligger inom rekommenderade gränser kan de påverka närliggande utrustningar på oönskat sätt med avseende på startmoment, bidra till temperaturhöjningar, öka startströmmar etc. Detta cykliska fenomen har fått benämningen flicker (från engelskans flimmer). Den mest


1

Elkraftanvändning

uppenbara och uppmärksammade effekten av flicker är den irritation som vi människor upplever när ljus från glödlampor, matade med spänning innehållande flicker, flimrar. Medicinska studier har visat att människan är speciellt känslig för ljusfluktuationer som har en repetitionsfrekvens i intervallet 0,5 Hz till 25 Hz. Vid känslighetsmaximum (cirka 9 Hz) behöver den relativa spänningsändringen endast uppgå till 0,25 % (!) för att man ska uppleva ett obehagligt flimrande ljus från glödlampor. Problem med flicker uppstår i första hand i områden med utpräglad tung industri (järnverk och pappersbruk etc.), men också i områden med svaga elnät. Kopplas de (effektslukande) belastningarna in och ur repetitivt sjunker lastspänningen i takt med dessa in- och urkopplingar och flicker är ett faktum om repetitionsfrekvensen ligger inom ovan nämnda frekvensintervall. Flickermätningar utförs med hjälp av speciella flickermetrar eller med avancerade elnätsanalysatorer. Standard reglerar hur flicker ska mätas och tolkas.

1.6 Speciella krav på strömförsörjning

39

som innehåller väsentliga manöverkretsar med mera. Avbrottsfri kraft, UPS, förknippas ofta med datoranläggningar där effektbehovet är relativt litet, medan reservkraftaggregat mestadels används i anläggningar med större effektbehov. Den principiella uppbyggnaden beskrivs i det följande. Ett UPS-aggregat matas normalt med växelspänning från det lokala växelströmsnätet. Växelspänningen likriktas och den likriktade spänningen får underhållsladda ett batteripaketet i UPS-aggregatet. Likspänningen från batteriet växelriktas så att man erhåller en sinusformad spänning med samma frekvens och storlek som det lokala nätet. Spänningen som erhålls från växelriktaren ansluts till förbrukare som inte får störas vid nätbortfallet. Vid ett nätbortfall upphör underhållsladdningen av batteripaketet i UPS-aggregatet, varför detta urladdas. UPS-aggregatets kapacitet med avseende på den tid som aggregatet kan vidmakthålla driften av anslutna förbrukare, bestäms av batteripaketets kapacitet (Ah). En av de största fördelarna med UPS-aggregatet är att förbrukaren alltid matas med den växelspänning som alstras från batteriet via växelriktaren. Detta innebär att förbrukaren aldrig känner av nätbortfallet. Figur 1.31 visar principen för ett UPS-aggregat.

1.6.1 Avbrottsfri strömförsörjning 1.6.2 Reservkraftaggregat UPS (uninterruptable power supply) och reservkraftaggregat används i anläggningar där ett nätbortfall inte får påverka driften av anläggningen. Exempel på sådana anläggningar är sjukhusapparatur, processindustri för glastillverkning (floating glass), anläggningsdelar

De flesta reservkraftaggregat aktiveras först då nätbortfallet är ett faktum. Detta innebär att en viss tid förflyter från det att nätspänningen försvinner tills reservkraftaggregatet övertar driften av anläggningen.

Figur 1.31 Principiell uppbyggnad av UPS-aggregat.


40

1

Det förekommer två olika konstruktionsprinciper: en variant bygger på att man använder roterande omformare (synkrongenerator) och en annan på statisk omriktning. Den sistnämnda påminner till sin konstruktionsprincip om en UPS-anläggning. I anläggningar med roterande omformare används ofta en dieselmotor som via en axelkoppling direkt driver synkrongeneratorn. Ett sådant reservkraftaggregat får en relativ lång starttid eftersom dieselmotorn ska startas och regleras in till rätt varvtal, innan synkrongeneratorn kan magnetiseras och infasas (det är relativt vanligt att flera reservkraftaggregat inkopplas parallellt). Då kortare starttider krävs används statiska reservkraftaggregat. I dessa tas växelspänningen från en växelriktare som matas med likspänning från ett batteripaket. Systemet saknar rörliga delar och inkopplingsförloppet kan därför göras mycket kort. I många större anläggningar finns båda typer av reservkraftaggregat. I sådana anläggningar är strömförsörjningen ofta indelad i prioriterade och oprioriterade grupper. Eftersom ett statiskt reservkraftaggregat mycket snabbt kan överta driften inkopplas denna till prioriterade grupper. Efter hand som roterande reservkraftaggregat startas infasas dessa mot det statiska aggregatet och anläggningens strömförsörjning kan efter hand utökas och omfatta även oprioriterade grupper.

Elkraftanvändning

Vid längre nätbortfall är ofta kapaciteten på batteripaketet otillräcklig varför fördelen med ett blandat system lätt inses. Figur 1.32 illustrerar hur ett reservkraftsystem kan se ut och betraktas i det ögonblick då nätbortfallet precis inträffat. Då det lokala nätet återkommer och reservkraftanläggningen ska urkopplas, måste anläggningen synkroniseras med det lokala nätet om omkoppling till normal drift ska göras utan avbrott.

1.6.3 Strömförsörjning med annan frekvens För allmänna industriella applikationer av strömriktar- och frekvensomriktaranläggningar hänvisas till delen Elmaskiner. I detta avsnitt visas ett exempel på frekvensomriktare avsedd för kraftförsörjning av Sveriges järnvägsnät. Järnvägsnätets strömförsörjning

Anledningen till att järnvägsnätet använder en spänning med frekvensen 16 2/3 Hz har historisk bakgrund. Sverige elektrifierade tågdriften mycket tidigt och i begynnelsen matades tågen med likspänning. År 1895 användes 750 V likspänning för att elektrifiera ca 11

Reservkraftsystem Förbr. 1 Oprioriterade grupper

Lokalt nät

Förbr. 2

SG

SG

Förbr. 3 Prioriterade grupper

DM

DM

roterande aggregat

roterande aggregat

Figur 1.32 Principen för ett mindre reservkraftsystem.

Förbr. 4 statiskt aggregat


1

Elkraftanvändning

41

km av Djursholmsbanan. År 1905 genomfördes försök med att använda växelspänning för tågdrift. Då högre spänningsnivåer var att föredra ur distributionshänseende användes 15 kV och spänningens frekvens begränsades till ca 15 Hz på grund av dåtidens tågmotorer (likströmsseriemotorer). Den stora elektrifieringsperioden började kring 1930; som standard för banmatning infördes separata omformarstationer som levererade en spänning på 15 kV med frekvensen 16 2/3 Hz. Omformarstationer placerades på lämpligt avstånd från varandra och kontaktledningen utnyttjades som distributionsledning och kraftkälla för elektriska tåg längs linjen. Principen är densamma än i dag. Om Sverige elektrifierat senare skulle vi med all sannolikhet haft 50 Hz-matning av våra tåg (jämför med Danmark och Finland som elektrifierade sent). I dag skulle en sådan omläggning bli alltför kostsam varför man fortfarande använder 16 2/3 Hz för matning av järnvägsnätet. Vid nybyggnad och större ombyggnader används modern teknik för att alstra växelspänningen på 16 2/3 Hz. De roterande omformarna ersätts med statiska omriktare som har bättre verkningsgrad och kräver mindre underhåll. Statiska omriktare för banmatning

En statisk omriktare för banmatning, se figur 1.33, består i princip av:

3-fas transformator

Likriktare

trefastransformator för inkommande 50 Hz spänning, filter på såväl trefas- som enfassidan, skyddskretsar, styrda strömriktare, likspänningsmellanled, växelriktare för omvandling av likspänning till växelspänning på 16 2/3 Hz, enfastransformator för utgående enfas spänning.

• • • • • •

Trefastransformatorns primärsida är ansluten till det nationella nätet. Sekundärsidan är utrustad med två separata trefaslindningar, där den ena är Y-kopplad och den andra är D-kopplad. Utspänningarna från de Y- respektive D-kopplade lindningarna blir på så vis 30° fasförskjutna i förhållande till varandra och detta utnyttjas vid likriktningen av spänningen. Genom att seriekoppla de två sex-pulslikriktarna erhålls en tolvpulslikriktare. Fördelen blir att likspänningen innehåller lite rippel samt att vissa övertoner mot det matande nätet elimineras. Vissa omriktare är även försedda med så kallad återmatningsväxelriktare (nätstyrd växelriktare). Denna består av två sexpulsströmriktare som är kopplade parallellt med respektive sexpulslikriktare, men med motsatt riktning. Via återmatningsväxelriktarna kan likströmseffekt från DC-mellanledet matas tillbaka till det nationella trefasnätet.

DC-mellanled

Växelriktare 1-fasfilter

Y D

3-fasfilter

6-puls 15 kV 16 2/3 Hz 6-puls

Filter Styr- och reglerutrustning

Figur 1.33 Principschema över statisk omriktare för banmatning.

1-fas transformator


42

1

Elkraftanvändning

Figur 1.34 PWM-mönster alstrat av växelriktarna och enfastransformatorn.

Efter likriktning finns ett likspänningsmellanled där den likriktade spänningen glättas via en serieinduktor och ett kondensatorbatteri. Mellanledsspänningen uppgår till några kV. Likspänningen omvandlas till en växelspänning via ett antal självstyrda växelriktare som arbetar enligt PWM-principen (pulse width modulation). Ett antal växelriktare parallellkopplas och ansluts till enfastransformatorns primärsida samtidigt som pulsmönstret mellan respektive växelriktare inbördes fasförskjuts. Genom denna konstruktion förbättras kurvformen på transformatorns sekundärsida samt tillses att omriktaren kan lämna erforderlig effekt till enfassidan (i storleksordningen 12–15 MVA). Lindningarna på enfastransformatorns sekundärsida är seriekopplade vilket innebär att utspänningen byggs upp som summan av respektive växelriktares PWM-mönster. Resultatet blir en PWM-spänning indelad i ett antal olika spänningsnivåer, se figur 1.34. Efter filtrering erhålls en i stort sett sinusformad spänning (15 kV och 16 2/3 Hz) på enfassidan. För att styra och kontrollera omriktaren finns ett mycket komplext styr- och reglersystem som kan indelas i följande huvudgrupper: • styr- och reglerkretsar för likriktaren, • styr- och reglerkretsar för växelriktaren, • överordnad fas- och amplitudreglering av omriktarens enfasspänning. Då omriktaren ska kunna regleras med avseende på aktiv och reaktiv effekt på motsvarande sätt som en roterande omformare (synkrongenerator) måste man kunna reglera spänningens fasläge och amplitud på enfassidan. Denna reglering utförs av den överordnade fas- och amplitudregleringen som ser till att att en

god lastdelning mellan flera parallellt arbetande omriktare (eller omformare) upprätthålls. Fasregleringen ökar alternativt minskar den aktiva effekten genom att fasförskjuta utspänningens fasläge (lastvinkel), och amplitudregleringen ökar alternativt minskar den reaktiva effekten genom att ändra utspänningens amplitud (över- respektive undermagnetisera omriktaren).

Referenser till kapitel 1 1. ABB Handbok Elkraft, ABB AB, 3:e uppl, 1993. 2. ABB Handbok Industri, ABB AB, 1993. 3. Jacobsson, K .A.: Eltekniska scheman och schemakonstruktion, Liber Utbildning, Stockholm, 1993. 4. Siemens: Building Management Systems with instabus EIB, Catalog I 2.44. 5. Sten Benda: Jordningssystem och potentialutjämning i stora installationer. ABB Tidning nr 5 1994. 6. Elektromagnetisk kompatibilitet. EMC – Praktisk installationsvägledning. Telemecanique. 7. Effektivare elmotordrift. Malmö Energi AB 1992. 8. Theodore Wildi: Electrical Machines, Drives, and Power Systems / Pearson Education International – ISBN 0-13196918-8, 2006. 9. SEK Handbok 414 – Dvärgbrytarev-Vägledning för val och installation. 10.SEK Handbok 413 – Skyddsutjämning i byggnader. 11. SEK Handbok 415 – Tillfälliga anläggningar – Vägledning vid planering, utförande och underhåll.


1

Elkraftanvändning

Övningsuppgifter till kapitel 1

43

1.5

A Beskriv kortfattat hur du ska dimensionera en fläk-

Svaren på dessa uppgifter finns i texten i detta kapitel.

tutrustning för att få låga energikostnader. B Hur ser formeln ut som anger en pumps effektbe-

1.1

A Hur är en PE- respektive en PEN-ledare färgmärkt? B Vad är det för skillnad mellan en MCB- och en MC-

CB-brytare ? Har de samma brytförmåga – samma utlösningskarakteristik? I vilka sammanhang avvänds de olika typerna? C Vad är det som skiljer en dvärgbrytare av typ B från en som är märkt D? 1.2

A Rita ut två AC-spänningssystem: TN-C respektive

TN-S.

hov? C Vilka är de vanligaste motortyperna för fläkt- respektive pumpdrift? 1.6

Vad karakteriserar nedanstående drifter – vilken typ av motorer använder man: A en centrifug / separator? B en rullmaskin? C en krandrift? D hur är ett framdrivningssystem för båtar – kallat Azipod –uppbyggt?

B Anslut till respektive nät en plåtkapslad Y-kopplad

3-fas last.

1.7

Ange för- och nackdelar med växelströmsmotorer alternativt likströmsmotorer?

1.3

A Kablar kan ha olika brandklasser / ha olika brand-

tålighet: vad avser de olika klasserna F1 – F4 ? B Man indelar lokaler i olika brandtekniska klasser.

Hur ska man uttolka en brandteknisk klass som har fått beteckningen EI 60 ? C Vad skiljer en optokabel från en vanlig installationskabel? D När man talar om optokablar talar man om singelmodfiber/multimodfiber. Hur skiljer dessa sig åt?

1.8

A Var går gränsen mellan kortvariga och långa av-

brott? B Hur ser en ström/spänningskurva ut för en resistor

respektive en diod? C Vad menas med en vagabonderande ström? D Vad menas med flicker 1.9

1.4

Vad är en KNX-installation ?

Rita ett principschema för ett UPS-aggregat.


2


2

Framtagning av nyanläggning

45

FRAMTAGNING AV NYANLÄGGNING 2.1 Begreppet elanläggning Det förekommer olika typer av elanläggning – allt från generering via transmission och distribution till förbrukning av elektrisk energi. Eftersom elanläggning utgör en del av den egentliga processanläggningen kan begreppet ”elanläggning” vara något missvisande. Även om det vore riktigare att tala om elektrisk utrustning, använder vi i fortsättningen begreppet elanläggning i dess populärt vedertagna och vida bemärkelse. I en industrianläggning utgör den elektriska utrustningen inklusive installation ca 10 % av investeringen, medan den i ett kraftverk kan utgöra ca 30 %, se vidare figur 2.1. Enligt det systemteoretiska synsättet kan ett system delas upp i delsystem, som i sin tur kan delas upp i delsystem etc. Se figur 2.2. Själva processen, till exempel valsning av plåt, utförs i ett huvudsystem benämnt processutrustningen. Den betjänas av hjälpsystem – vilka i regel indelas efter arbetsmediet – som hydrauliksystem, kylvattensystem, system för inert gas etc. Av de elektriska hjälpsystemen, som tillsammans utgör elanläggningen, är de mest framträdande kraftutrustningen och kontrollutrustningen. Kraftutrustningen svarar för elektrisk kraft till maskiner och apparater i processutrustningen och i hjälpsystemen. Kontrollutrustningens uppgift är att styra och övervaka processen inklusive hjälpsystemen. Matningen av kraftutrustningen brukar benämnas kraftförsörjningsutrustning, medan hjälpkraftsutrustning i första hand avser kraftförsörjning av kontrollutrustningen. I praktisk tillämpning är gränserna mellan de fyra typerna av elektriska hjälpsystem sällan knivskarpa. Tvärtom är det ofta mest rationellt att i projektering och konstruktionsarbete försöka behandla systemen integrerat.

En helt annan typ av elanläggning är belysning och elvärme. De bör uppfattas som separata system, vilka jämte vvs är byggnadsinstallationer som behövs för att göra byggnaden funktionsduglig. Ytterligare en kategori av elanläggningar utgörs av svagströmsanläggningar typ telekommunikation, brandlarm med flera. Framtagning av dessa sker analogt med belysning och elvärme.

Generering

30 %

Vattenkraftverk Värmekraftverk Kärnkraftverk Gasturbinanläggning

Transmission och distribution Transformatorstation Mottagningsstation Nätstation

75 %

10 % Varuproducerande anläggningar Stålverk Pappersindustri Petrokemisk industri 5 % Tjänsteproducerande anläggningar Flygplats Sjukhus

Figur 2.1 Elutrustningens kostnad i proportion till totalkostnaden i några olika typer av anläggningar.


46

2

Framtagning av nyanläggning

Elanläggningens delar ANLÄGGNING: VALSVERK

Byggnad Byggnad komplett

VVS Belysning

tt

ple

rk

ve

Valsverk Maskinutrustning

ls Va

m ko

Hydrauliksystem Förvärmningsugn Till exempel

motorer strömriktare

Kylvattensystem Förverk 1 Kraftutrustning

transformatorer ställverk batteriutrustning likriktare

Förverk 2 Färdigverk

Kraftförsörjningsutr.

Flygande sax

Hjälpkraftutrustning

Svalbädd Kontrollutrustning

Kallsax

kontrollskåp manöverpulpeter

Figur 2.2 Exempel på huvuddrag i en anläggnings systemuppbyggnad.

2.2 Processen för anskaffning av nyanläggning I en anläggnings livstid kan man enligt figur 2.3 urskilja tre faser: utredning, genomförande och brukande. • Utredningsfasen består normalt av två skeden: förstudie och förprojektering. Mellan utredningsfasen och genomförandefasen ligger upphandling av utrustningar och entreprenader.

Genomförandefasen omfattar fyra skeden: projektering, konstruktion, tillverkning och installation. Under de två första skedena uppdelas anläggningen till den nivå där tillverkningen kan starta. I de efterföljande skedena realiseras anläggningen fysiskt. Brukandefasen kan indelas i tre skeden: operativt skede, modifieringsskede och avveckling. I det operativa skedet bedriver anläggningen produktion.


2

Framtagning av nyanläggning

47

Fas

UTREDNING

GENOMFÖRANDE

Skede

Förstudie

Projektering

Förprojektering

Konstruktion

BRUKANDE

Tillverkning

Installation

Operativt skede

Modifiering

Avveckling

Figur 2.3 Faser och skeden i en anläggnings livstid.

Efter en tid blir anläggningen tekniskt och ekonomiskt föråldrad. Genom modifieringar av delar i anläggningen eller kompletteringar kan man ofta med måttliga investeringar väsentligt förbättra lönsamheten och därmed förlänga livslängden. Det kan ske löpande eller i flera omgångar. För de flesta anläggningar uppnår man dock till sist den gräns som innebär att anläggningen avvecklas. Tiden för de olika faserna varierar väsentligt beroende på anläggningstyp, storlek, teknologi, geografisk placering etc. För att ändå ge en uppfattning kan som exempel nämnas att för en industrianläggning i 1 000 Mkr-klassen kan utredningsfasen pågå 2–3 år, genomförandefasen drygt 2 år och brukandefasen vara i 10–25 år. För ett större kraftverk eller en integrerad processindustri kan från beslut om förstudie till färdig anläggning ligga en tidsrymd av 7–9 år. I takt med bland annat en mer utvecklad teknologi (inte minst vad gäller kontrollutrustningarna), skaleffekter i flertalet industriella processer, ökade krav och bestämmelser från myndigheter, inklusive tillståndsgivning, snabba tekniska och ekonomiska förändringar finns en klar trend mot att utredningsfasen blir längre, att genomförandefasen komprimeras samt att den ekonomiska livslängden blir kortare.

2.2.1 Utredningsfasen För att få fram ett första beslutsunderlag för projektering och ett eventuellt uppförande av en anläggning görs en förstudie. Huvudsyftet är att få fram en lönsamhetskal-

kyl, vilken ofta ställs mot kalkyler för andra projekt, så att beslutsfattarna (företagsstyrelse, myndighet eller dylikt) kan jämföra olika investeringsalternativ. Lönsamhetskalkylens viktigaste delar är dels en marknadsstudie av den produkt eller tjänst anläggningen ska producera, dels en beräkning av investerings- och driftkostnader. En förstudie innehåller i allmänhet information om bakgrund, mål och syfte med projektet. Den bör också innehålla en beskrivning av projektets omfattning, avgränsningar och i förekommande fall intresseanalys med miljökonsekvensanalys. Förstudiens bas är val av produktionsprocess, produktionsvolym och lokalisering. Produktionsprocessen beskrivs i ett preliminärt flödesschema. Anläggningens fysiska utformning visas i situationsplaner och layouter. Som komplement till förstudien undersöks patentoch licensfrågor, myndigheter kontaktas samt olika finansieringsalternativ analyseras. Slutligen upprättas en grov tidsplan för ett eventuellt genomförande. Ansökan och erhållande av tillstånd kan i många fall vara tidsstyrande för projektet. Beroende på anläggningens karaktär kan tillstånden innehålla krav som väsentligt påverkar anläggningens utformning. Sådan påverkan kan till exempel vara krav från en vattendomstol. Det bör noteras att anläggningens kostnad beräknas genom att man först bestämmer processutrustningens kostnad genom formler eller budgetofferter från leverantörer. Kostnaderna för hjälpsystemen bestäms därefter bland annat med hjälp av schabloner uttryckta i procent av processutrustningens kostnad. En rimlig precision på investeringskalkylen är i detta skede från –15 % till +40 % av den slutliga kostnaden.


48

2

Beslut om egentlig projektstart i form av en förprojektering fattas i regel efter omarbetningar och kompletteringar av förstudien. För att kunna gå vidare med förprojekteringen fordras ett beslut, där anslag beviljas. Vidare krävs att de grundläggande tekniska förutsättningarna som typ av process, produktionsvolym och lokalisering fastläggs. Förprojekteringen ska resultera i ett definitivt beslutsunderlag samt i ett underlag för upphandling av utrustningar och entreprenader. Följaktligen innebär detta skede att tekniska lösningar för ingående system börjar utarbetas. Det sker bland annat i form av flödesscheman, layouter, energibalanser samt kravspecifikationer på ingående huvudkomponenter. Arbetsgången är i regel den att beställaren antingen själv eller med hjälp av en eller flera konsulter tar fram ett första underlag. Åtminstone för väsentliga anläggningsdelar begär man därefter in anbud. För att kunna lämna ett anbud måste anbudsgivaren ytterligare analysera och detaljera den tekniska lösningen, vilken anpassas till företagets systemlösningar och produkter. Sedan anbud erhållits och bearbetats sammanställs en definitiv investeringskalkyl, vars precision bör vara inom storleksordningen ±10 % av den slutliga kostnaden. För att beslutsunderlaget ska vara komplett måste det också innehålla förslag till tidsplan samt en finansieringsplan. De nödvändiga tillstånden från myndigheter bör också vara klara innan ett definitivt beslut om genomförande fattas. För elanläggningen gäller att kraft- och kraftförsörjningsutrustningen projekteras i form av ett översiktsschema (”enlinjeschema”). Effektsteg, spänningsnivåer och fördelningar bestäms. Huvudkomponenterna, till exempel transformatorer, motorer, ställverk, dimensioneras. Kontrollutrustningen behandlas genom analys av vilka objekt som ska styras, automatiseringsgrad, styrningsnivåer, skyddskrav med mera. Dessa krav och förutsättningar används för att bedöma vilken hårdvara som krävs och vilken omfattning som behövs av eventuell mjukvara för programmerbara utrustningar inklusive datorer.

Framtagning av nyanläggning

2.2.2 Upphandling Efter beslut om genomförande vidtar upphandling. Oftast tillämpas i anbuden principen fast pris med någon form av klausul. Anbudsgivningen följs av diskussioner och förhandlingar. Sedan avtal slutits upprättas kontrakt, i vilket ansvarsfördelningen mellan beställare och leverantör regleras detaljerat. Upphandlingens form varierar beroende på anläggningens typ, projektets storlek, samt beställarens och leverantörernas kompetens. Ena ytterlighetsfallet representeras av turn-keyåtaganden, vilket innebär att en leverantör svarar för en komplett anläggning inklusive mark- och byggnadsarbeten. Åtagandeformen är vanlig för anläggningar där processutrustningen dominerar markant över hjälpsystemen och där processutrustningens objekt tillverkas hos samma företag. I det andra ytterlighetsfallet håller beställaren helt i projektet och upphandlar ingående huvudkomponenter var för sig. Nödvändiga entreprenader köps också uppdelade. Förfaringssättet fordrar att beställaren har en stor egen projektavdelning eller anlitar konsulter. Specialiserade konsulter kan även svara för projektledning och upphandlingar. Vanligast är mellanformer, det vill säga att beställaren själv håller i projektgenomförandet, men att leveranser och tjänster upphandlas i stora ”paket”. Varje leverantör anlitar i sin tur efter behov underleverantörer. Med få undantag utses en huvudentreprenör för byggnadsarbetena. För processutrustning och hjälpsystem är det relativt vanligt att även här utse en huvudleverantör. Det är särskilt påtagligt vid processutrustningar av maskinkaraktär, till exempel pappersmaskiner, där maskinleverantören i regel fungerar som huvudleverantör. Leveranser och entreprenader upphandlas i regel var för sig, men det är inte ovanligt att leverantören av en viss utrustning också svarar för installation, montage och igångkörning: det är vanligare, ju mer tekniskt specialiserad utrustningen är.


2

Framtagning av nyanläggning

49

2.2.3 Genomförandefasen Karakteristiskt för genomförandefasen är att tyngdpunkten i framtagningsarbetet ligger hos leverantörerna. Beställarens projektorganisation är dock ansvarig för • att anläggningen blir färdigställd i rätt tid • att anläggningen blir färdigställd till en kostnad som ligger inom budget • att anläggningen uppfyller uppsatta tekniska krav. Det medför att beställarens uppgifter under genomförandefasen koncentreras till uppföljning och samordning av leverantörer och entreprenörer. I det syftet upprättas detaljerade projekttidplaner. Kostnadsfördelningen under genomförandefasen visas i figur 2.4. Ofta avgörande för att säkerställa ett framgångsrikt projekt ligger i hur upphandlingen har skett – valet av leverantör, kontraktsvillkor etc. Det är väsentligt att inte

Investeringskostnad % 100

50

betrakta enbart priset, utan mer att se vad man får för priset. Därtill gäller att till exempel tidskravet normalt kopplas till bötesklausuler vid eventuell försening, det tekniska kravet kopplas till att betalning av till exempel sista 10 % sker först då utrustningen uppfyller vissa bestämda prestanda. Projektering

Projektering, som är det första skedet hos leverantören, syftar till att strukturera beställningen i sådana delar att de kan beordras hos levererande instanser. För att styra framtagningen upprättar man en projekttidplan samt en förkalkyl. Innan beordring sker jämförs beställningen inklusive eventuellt kontrakt med det eller de anbud som lämnades. Eventuella avvikelser följs upp genom att begära uppdatering av internofferter. Väsentligt är också att analysera om det finns speciella utförandekrav och hur de påverkar utrustningarna. Det kan gälla allt från en branschstandard med krav på en viss färgsättning till installationsföreskrifter som är specifika för landet. Projekteringen är slut i och med att utrustningar som kontrollutrustning, högspänningsställverk etc. och huvudkomponenter som till exempel generatorer, motorer, ställverk, transformatorer beställs. Dessa tillhandahålls av specialiserade instanser inom företaget eller av externa leverantörer. Underlagen för beordringarna utgörs av översiktsscheman typ ”enlinjescheman”, layouter samt tekniska specifikationer. Konstruktion och tillverkning

Tid

0 Projektering Konstruktion och tillverkning Installation

Figur 2.4 Kurva över kostnadsuppbyggnaden under genomförandefasen.

I genomförandefasen svarar konstruktion och tillverkning inklusive materielanskaffning för den längsta tiden, ca 70 %. Vissa huvudkomponenter kan vara så speciella för anläggningsprojektet att de inte har någon etablerad leverantör. I dylika fall tvingas projektören att själv eller genom konsult konstruera huvudkomponenten. En speciell typ av konstruktion är framtagningen av kontrollutrustningen. Schematiskt uttryckt tillgår arbetet så att man successivt detaljutformar ett kretsschema. Anläggningen struktureras därvid funktionellt. Därefter grupperas identifierade hårdvarukomponenter


Elkrafthandboken

Elkraftsystem 2

ELKRAFTHANDBOKEN är ett verk i tre delar som behandlar elproduktion, distribution, elanvändning, mätteknik och elmaskiner. Den är ett referensverk inom det elkrafttekniska området och ett lämpligt utbildningsmaterial på högskolenivå och annan högre teknisk utbildning. De tre delarna är: • Elmaskiner och elektriska drivsystem • Elkraftsystem 1 • Elkraftsystem 2 Elkraftsystem 2 omfattar bland annat elkraftanvändning, framtagning av nyanläggning, systembyggnad och dokumentation, driftsäkerhet, elkraftekonomi, elkraftberäkningar, EMC, mätteknik, provning och simulering, kraftsystem i IT-åldern, utvecklingstendenser, formler och data. Några av nyheterna i denna upplaga: • Helt omarbetade kapitel om driftsäkerhet, smarta elnät och utvecklingstendenser. • Ett helt nyskrivet kapitel om systemuppbyggnad och dokumentation. • Uppdaterade, kompletterade och utökade kapitel om elkraftanvändning, elkraftberäkningar, EMC och mätteknik.

KARL AXEL JACOBSSON är ingenjör med elkraftteknisk lärarutbildning från KTH. Han har tidigare verkat inom gymnasieoch högskolan och även som konsult inom industrin. Mångårig läroboks- och fackboksförfattare.

STIG LIDSTRÖM är högskoleingenjör inom elkraft med lång erfarenhet från Vattenfall avseende driftledning, allmänna kontrollanläggningsfrågor, igångkörning, reläskyddsplanering, störningsanalyser och nätutredningar. Han har även flera års erfarenhet från ABB GA Products, teknisk applikationssupport inom reläskydd för HV- och EHV-system, teknisk marknadsföring samt utbildning. Han är medlem i Cigré där han har medverkat i ett antal internationella arbetsgrupper.

CARL ÖHLÉN är civilingenjör inom elkraft från KTH och författare i Elkrafthandboken sedan första upplagan. Han har 40 års internationell erfarenhet inom elkraftbranschen genom arbete för Vattenfall, ABB, Programma, Ripasso Energy och STRI. Under senare år har han för Energimyndigheten varit aktiv inom IEA/ISGAN samt som expert för EC DG-ENERGY i Bryssel.

Elkrafthandboken

Elkraftsystem 2

Jacobsson Lidström Öhlén

Redaktion: Karl Axel Jacobsson Stig Lidström Carl Öhlén

Best.nr 47-11435-1 Tryck.nr 47-11435-1

9789147114351c1c.indd 1

24/05/16 11:18 AM


Turn static files into dynamic content formats.

Create a flipbook
Issuu converts static files into: digital portfolios, online yearbooks, online catalogs, digital photo albums and more. Sign up and create your flipbook.