Elektriske anlegg - energiforsyningen 8258511262 [PDF]

Zitiervorschau

Audkjell Aksdal

Elektriske anlegg - energiforsyningen

Yrkesopplæring ans 1995

NBFi-DEPOTBIBlJO i EKET POSTBOKS 278

8601 MO

© 1995, Yrkesopplæring ans

1. utgave, 1. opplag

Godkjent av Nasjonalt læremiddelsenter i august 1995. Godkjenningen er knyttet til fastsatt læreplan av mai 1994. Godkjenningen gjelder så lenge læreplanen er gyldig. Layout, sats og paste-up: Terje Edseth Illustrasjoner: Erik Sogn, Bjørn Norheim, Rolf Sivertsen og Terje Edseth, dessuten datablader fra en rekke leverandører Omslag: Grimshei Grafiske, Lørenskog

Printed in Norway by Pdc, 1930 Aurskog, 1995 ISBN 82-585-1126-2

Det må ikke kopieres fra denne boka i strid med åndsverkloven og fotografiloven eller i strid med avtaler om kopiering inngått med KOPINOR, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Kopiering i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndraging, og kan straffes med bøter eller fengsel.

Elektriske anlegg - energiforsyningen

Forord Elektriske anlegg — energiforsyningen dekker studieretningsfaget «produksjon, overføring og fordeling av elektrisk energi» i Læreplan for videregående opplæring i videregående kurs 1 (VK1) elektro. Dette omfatter modul­ ene 1 og 2 i læreplanen. Boka vil også egne seg godt på andre linjer der en innføring i Norges energiforsyning er ønskelig.

Boka beskriver prinsippene ved forskjellige typer energi­ produksjon, overføring og distribusjon fram til forbruker, og de viktigste typer materiell og utstyr som inngår i denne energiforsyningen. Miljømessige forhold er behandlet der det har noen mening. Det er lagt stor vekt på sikkerheten til brukere og drifts­ personell, og dessuten vern av anlegg og materiell. For­ skriftene for elektriske anlegg, både de tekniske forskrif­ tene og sikkerhets- og driftsforskriftene, er grundig be­ handlet med hensyn til de sikkerhetsmessige forholdene. Ellers er forskriftene trukket inn i de emnene der de hører hjemme.

Den nye energiloven har fått en grundig behandling. Blant annet har vi lagt vekt på hvilken betydning den har på energiprisen for forskjellige kundegrupper, og hvordan den virker inn på sikkerheten (regulariteten) i strømfor­ syningen. Boka behandler også oppbygningen av strømtariffer og hvordan vi måler elektrisk energi. Kapitlene 1 til 6 dekker modul 1. Der regulariteten i strømforsyningen er dårlig, eller der vi ikke kan akseptere kortere eller lengre avbrudd, må vi ha en eller annen form for nødstrøms- eller reservestrømsforsyning. Dette er behandlet i siste kapittel. Dette kapitlet dekker modul 2. Boka er lagt opp som en ren kunnskapsbok. Det er i tillegg utarbeidet en oppgavesamling og en fasit med løsningsfor­ slag som dekker både denne boka, og boka Elektriske anlegg — bygningsinstallasjoner.

Stoffet i boka er i stor grad hentet fra forskrifter, brosjyrer og annet materiell utgitt av energiforsyningens forskjellige

Elektriske anlegg - energiforsyningen

organisasjoner, både i Norge og i Danmark. Dessuten er mye stoff hentet fra produktkataloger, datablader og tekniske publikasjoner fra forskjellige produktleverandører innenfor energiforsyningen.

Jeg vil spesielt takke Noratell A/S, Møre trafo A/S, LKNES, Enermet A/S Norge, ABB, Alcatel STK, Norsk kabelfabrikk A/S med flere.

Haugesund 1995 Audkjell Aksdal

Elektriske anlegg - energiforsyningen

Innhold 1 Elektrisk energiproduksjon ....................................... Kapitlet omhandler .......................................... 1.1 Energiproduksjon generelt ............................. 1.2 Vannkraft........................................................... 1.2.1 Hydrologi................................................ 1.2.2 Dammer og tunneler ............................. 1.2.3 Turbiner og kraftverk............................. 1.2.4 Vannkraftgeneratorer.............................. 1.3 Varmeenergi ..................................................... 1.3.1 Kullfyrte energiverk................................ 1.3.2 Gass-og oljefyrte energiverk................. 1.3.3 Kjemeenergiverk.................................... 1.3.4 Varmeenergigeneratorer......................... 1.4 Alternative energikilder.................................... 1.4.1 Bølgekraftverk........................................ 1.4.2 Vindkraft (vindmøller) ......................... 1.4.3 Solenergi................................................ 1.4.4 Jordvarme................................................ 1.5 Energiforsyningen............................................ 1.5.1 Historikk.................................................. 1.5.2 Dagens energiforsyning ......................... 1.6 Energiloven....................................................... Sammendrag.....................................................

11 11 12 16 16 19 25 32 34 34 37 38 40 41 41 45 48 49 50 50 54 56 58

2 Elektrisk energioverføring ......................................... 61 Kapitlet omhandler .......................................... 61 2.1 Overføringslinjer............................................. 62 Gjennomgåendejordliner......................... 65 2.1.1 Master og linjetyper................................ 66 Mastetyper ................................................. 66 Mastematerialer.......................................... 68 Linjemateriell ............................................ 69 Isolatorer..................................................... 69 Ledningsmaterialer.................................... 71 2.1.2 Koplingsanlegget.................................... 72 2.1.3 Fordelingsnett og distribusjon............... 80 Strålenett og ringnett — høyspennings- og lavspenningsnett . 80 Fordelingssystemer og fordelingsspenninger .......................................... 82

Elektriske anlegg - energiforsyningen

2.2 Miljømessige, tekniske og økonomiske forhold.......................................... 83 2.3 Vern................................................................... 85 2.3.1 Generelt ................................................... 85 2.3.2 Elektriske forstyrrelser fra høyspentlinjer............................................ 88 Radiostøy ................................................... 88 Forstyrrelser på svakstrømsledninger .... 90 2.3.3 Driftsforstyrrelser .................................. 91 2.3.4 Vern i høyspenningsnett og høyspenningsanlegg .................................. 92 Måletransformatorer.................................. 92 Aktuelle vern ............................................ 93 Jordslutningsvem ...................................... 94 Gassreleer................................................... 95 Avledere..................................................... 95 Automatisk gjeninnkopling — reaktansspole (petersenspole) ......... 96 Sikringer for høyspenning......................... 97 2.3.5 Selektivitet.............................................. 98 2.3.6 Vern i lavspenningsnett og lavspenningsanlegg.................................... 98 2.4 Brytere ............................................................. 99 2.4.1 Generelt ................................................... 99 2.4.2 Brytertyper............................................ 100 Brytere for lavspenning........................... 100 Brytere for høyspenning......................... 102 Skillebrytere ............................................ 107 Lastskillebrytere ...................................... 110 Jordsluttere.............................................. 110 2.5 Kabler ............................................................. 111 2.5.1 Høyspentkabler.................................... 111 Generelt ................................................... 111 Oljefylte kabler........................................ 113 Plastisolerte kabler .................................. 115 Kabelavslutninger og skjøting ............... 120 2.5.2 Lavspente kabler .................................. 122 Bruksområder.......................................... 122 Ledere....................................................... 124 Typebetegnelser ...................................... 124 Oppbygning ............................................ 125 Norsk elektroteknisk norm: HD361 S2 . 126 Isolasjon ................................................... 129

Elektriske anlegg - energiforsyningen

Fasemerking............................................ Armering/skjerm...................................... Optiske kabler.......................................... Sammenkopling av kabel og linje.......... Kabelskjøting og endeavslutning ........... Sammendrag...................................................

131 132 133 133 135 139

3 Driftsforskrifter ....................................................... Kapitlet omhandler ..................................... 3.1 Strømmens virkningpå kroppen.................... 3.2 Forebyggende tiltak ..................................... 3.3 Ulykkesstatistikk og analyser........................................................... 3.4 Sikkerhetsforskriftene SL(sammendrag) ... 3.5 Driftsforskrifter for høyspenningsanlegg (DH)............................. 3.6 Driftsforskriftene DH (sammendrag) ................................................. Sammendrag...................................................

142 142 143 145

146 150 151

154 159

4 Forsyningsnett og fordelingssystemer ................ 160 Kapitlet omhandler ........................................ 160 4.1 Forsyningstransformatorer............................. 161 4.2 Fordelingssystemer ........................................ 164 4.2.1 TN-systemer (punkt 312.2.1 iFEB) .. 165 4.2.2 TT-system (punkt 312.2.2i FEB) .... 167 4.2.3 IT-system (punkt 312.2.3 iFEB).......... 167 4.2.4 Andre systemer.................................... 168 4.2.5 Valg av system, fordeler og ulemper............................................... 169 Isolert nøytralpunktsystem (IT-system) . . 169 Direkte jordet nøytralpunktsystem (TN-system).......................... 171 4.3 Berøringsspenning — beregningsmodeller .. . 173 4.3.1 TN-systemer ........................................ 176 4.3.2 TT-systemer..................................... 182 4.3.3 IT-systemer..................................... 184 Sammendrag.............................................. 187 5 Transformatorer ....................................................... Kapitlet omhandler ........................................ 5.1 Transformatorens virkemåte og oppbygning . Isolasjon ...................................................

189 189 190 194

Elektriske anlegg - energiforsyningen

Kjøling ..................................................... Vern av transformatorer ......................... 5.2 Transformatorteori ........................................ Tomgangsforsøk...................................... Kortslutningsforsøk ................................ Tap og virkningsgrad .............................. Belastningsforhold .................................. Transformering........................................ 5.3 Praktiske utførelser........................................ 5.3.1 Krafttransformatorer............................ Enfasete transformatorer......................... Trefasete transformatorer ....................... 5.3.2 Spesielle transformatorer..................... Spare-eller autotransformatorer............. Sikkerhets-eller skilletransformatorer .. Måletransformatorer................................ Strømtransformatorer .............................. Oppbygning ............................................ Feilvisning .............................................. Metning og overstrømsfaktor ................. Spenningstransformatorer....................... Sammendrag...................................................

196 197 198 198 200 203 204 206 210 210 210 211 214 214 215 216 217 219 220 221 223 225

6 Kjøp og salg av energi ............................................ Kapitlet omhandler ........................................ 6.1 Energilovens betingelser................................ 6.2 Tariffer og leveringsbetingelser ................... 6.3 Tariffapparater .............................................. Induksjonsmålere .................................... Elektroniske målere ................................ Sammendrag...................................................

228 228 229 231 236 236 241 245

7 Nødstrøms- og reservestrømsforsyning ................. Kapitlet omhandler ........................................ 7.1 Sikker strømforsyning —regularitet............... 7.2 Oppbygning og virkemåte.............................. 7.3 Batterianlegg................................................... 7.3.1 Tørrbatterier (galvaniske elementer) .. 7.3.2 Akkumulatorer .................................... Blyakkumulatoren.................................... Alkaliske akkumulatorer......................... 7.4 Generatorer ...................................................

247 247 248 249 254 254 257 257 260 261

Elektriske anlegg - energiforsyningen

7.4.1 Betingelser for parallelldrift med forsyningsnettet................................ Prøvekjøring, periodisk kontroll osv. . . . 7.4.2 Synkrongeneratorer.............................. Y-kopling av generatorer ........................ A-kopling av generatorer ........................ Magnetiseringen...................................... Regulering ............................................... 7.4.3 Asynkrongeneratorer............................ 7.4.4 Likestrømsgeneratorer.......................... Sammendrag...................................................

261 264 264 267 269 270 272 272 274 275

Litteratur........................................................................ 277

Stikkordregister ............................................................ 280

Elektriske anlegg - energiforsyningen

Elektriske anlegg - energiforsyningen

1 Elektrisk energiproduksjon

1 Elektrisk energiproduksjon Kapitlet omhandler •

energiproduksjon sett i sammenheng med enøk, miljø­ påvirkning og mulighetene for å produsere nok elekt­ risk energi i framtiden

•

hvordan vi samler opp vann og utnytter vannkraften. Fallhøyden avgjør hvilken turbintype som skal be­ nyttes, og hvordan kraftstasjonen skal utformes

•

varmeenergi verk og miljøproblemer som er knyttet til dem. Varmeenergi verk kan være kull-, gass- eller olje­ fyrte, eller de kan bruke kjernebrensel

•

alternative energiformer som bølgekraft, vindkraft og solenergi, dessuten energipotensial og miljømessige forhold

•

energiforsyningen i Norge og fordeler og ulemper ved samkjøringsnettet. Kapitlet redegjør også for de for­ skjellige markedene og for hvordan energi blir solgt, for den nye energiloven og for hvordan denne loven påvirker kjøp og salg av elektrisk energi. Se også kapittel 6 om kjøp og salg av elektrisk energi

11

Elektriske anlegg - energiforsyningen

1 Elektrisk energiproduksjon

1.1 ENERGIPRODUKSJON GENERELT Forskjellige former for energiproduksjon

Elektrisk energi i stor målestokk framstilles ved omfor­ ming av tyngdekraft i vannkraftverk, eller ved omforming av varmeenergi fra kull, olje, gass eller uran i varme­ energi verk.

I mindre målestokk kan elektrisk energi framstilles ved omforming av energiformer som solenergi, vindkraft, bølgekraft, jordvarme og forskjellige former for kjemisk energi.

Varmeenergi

Ca. 65 % av verdens elektrisitetsproduksjon foregår i varmeenergi verk. Her brukes det kull, olje, gass eller kjemeenergi til å produsere overhetet vanndamp med høyt trykk og høy temperatur, som så driver en eller flere dampturbiner. Det teoretiske arbeidet i en dampturbin er lik for­ skjellen i dampens varmeinnhold før og etter turbinen. Det kan beregnes ut fra et camotdiagram. Selv om energivirkningsgraden er blitt vesentlig bedre, spesielt fordi vi nå bruker mye høyere temperaturer på dampen inn på tur­ binen enn før, får vi langt fra nyttiggjort oss all energien i brennstoffene. Dampturbinen er som regel direkte koplet til en veksel­ strømsgenerator, som vanligvis er topolt uten utpregede poler. Den roterer med 3000 r/min eller 50 s-1 når frekven­ sen er 50 Hz, og med 3600 r/min eller 60 s-1 når frekven­ sen er 60 Hz.

Vannkraft

I Norge produseres det aller meste av den elektriske energien som vannkraft. I 1993 var produksjonen ca. 99,6 % vannkraft, som enten ble produsert i magasinkraftverk med stor fallhøyde og relativt liten vannføring, eller i elvekraftverk med lav fallhøyde og større vannfø­ ring. Av den samlede stasjonsytelsen stod imidlertid vann­ kraft stasjoner for 98,7 %.

De resterende 1,3 % ble for det meste levert fra reserveaggregater i form av varmeenergiverk (oftest gassdrevne) eller dieseldrevne aggregater. De sistnevnte svarte i 1993 for bare 0,4 % av energiproduksjonen.

Framtidige energikilder

12

I begynnelsen av 1994 var ca. 64 % av den norske vann­ kraften som er økonomisk utbyggbar, blitt utbygd, under

Elektriske anlegg - energiforsyningen

1 Elektrisk energiproduksjon

utbygging eller klarlagt for utbygging. Det var videre søkt om konsesjon eller kommet inn forhåndsmelding for ytter­ ligere 11 %. Mange av de vassdragene som da er igjen, er imidlertid vernet mot utbygging. Det gjør at Norge, hvis energibehovet framover øker mer enn energiøkonomiseringen sparer inn, blir nødt til å ta standpunkt til om det skal bygges større varmeenergiverk, og i tilfelle hvilken energiform som skal brukes, eller om flere vassdrag skal bygges ut. Økt forbruk i framtiden

Ut fra prognoser og utviklingen fram til nå er det all grunn til å tro at energibehovet totalt sett vil øke i tiden framover. Energi til industrien kan nok i noen grad styres politisk og holdes på et konstant nivå eller til og med reduseres, men privat og offentlig forbruk kommer etter alt å dømme til å øke. Det skulle være nok å peke på områder som vei- og gatebelysning, oppvarmede gater og fortau osv. innenfor det offentlige, og økt bruk av varmekabler utendørs i opp­ kjørsler, trapper og portrom osv., klimaanlegg (aircondition) og flere elektriske hjelpemidler innenfor den private sektoren.

Videre kommer kravene til stabile kraftleveranser til å øke etter hvert som samfunnet blir mer og mer avhengig av datastyrte systemer, som nå blir innført på de fleste områder. Dette tilsier at vi må ha tilstrekkelig tilgang på stabil reserveenergi også i nedbørfattige perioder, noe som peker i retning av varmeenergiverk. Med utgangspunkt i den dårlige energi virkningsgraden vi har ved bruk av fossile brennstoffer som kull, olje eller gass til framstilling av elektrisk energi via damp, må vi ta stilling til om vi skal bruke disse stoffene til produksjon av elektrisk energi. Kanskje vi isteden bør bruke disse verdifulle stoffene, spesielt olje og gass, som grunnlag for petrokjemisk industri, i tekstilproduksjon og som råstoffer for en rekke andre viktige produkter, og heller bygge ut mer vannkraft. Eventuelt bør vi kanskje bruke kull eller kjemeenergi i tilfelle valget likevel skulle falle på varmeenergiverk. Alternative energikilder

I en diskusjon om hvilken energiform et eventuelt varme­ energiverk skal bruke, bør vi i tillegg til det som er sagt ovenfor, stille opp de alternativene som er aktuelle: kull, olje, gass og kjemeenergi. I tillegg kommer eventuelle

13

Elektriske anlegg - energiforsyningen

1 Elektrisk energiproduksjon

andre energikilder som vindkraft, bølgekraft, solenergi, jordvarme osv. i den utstrekning de kan levere tilstrekkelig store energimengder. Skadevirkninger

Deretter bør vi skaffe oss oversikt over de aktuelle for­ urensningene og skadevirkningene hvert alternativ fører med seg. Som stikkord kan vi nevne utslipp av karbondi­ oksid, svovel og svovelforbindelser (som gir sur nedbør), svært farlige kreosotforbindelser og tungmetaller, nitrogen, aske og sot osv. fra varmeenergiverk; radioaktiv stråling og radioaktivt avfall (transport og lagring) fra kjemeenergiverk; neddemming av vassdrag, dambrudd og tørrlagte elver i forbindelse med vannkraftverk; støy fra vindmøller; faren for skipshavarier ved enkelte varianter av bølgekraft verk osv. Noen opplysninger hentet fra en artikkel i ASEA-tidningen nr. 1, 1984 kan være med på å belyse noen av miljøproble­ mene ved energiproduksjon. I artikkelen er det foretatt en sammenlikning mellom et kullfyrt og et oljefyrt energiverk i forhold til et Secure-kjemeenergiverk:

Avfallet fra kjemeenergiverket vil være 1,3 tonn per år mot 15 000 tonn aske fra det kullfyrte og 100 tonn fra det oljefyrte energiverket. Dette er faste avfallsstoffer som må transporteres bort.

Utslippene i atmosfæren er også interessante ved en sam­ menlikning mellom ulike energityper. Når det gjelder kjemeenergi, er strålingstilskuddet utenfor anlegget mindre enn 1/1000 av den naturlige bakgrunnsstrålingen. For olje og kull gjelder disse utslippsmengdene per gjennomsnittsverk: tonn/år

Utslipp Karbondioksid Svoveldioksider Nitrogenoksider Aske Tungmetaller

14

olje

kull

300 000 3 000 1 000 100 5

400 000 84 000 1 500 20 000 10

Elektriske anlegg - energiforsyningen

1 Elektrisk energiproduksjon

Sifrene er å betrakte som gjennomsnittsverdier. De kan variere en hel del avhengig av svovelinnhold, kvalitet osv. Brenseltransporter per energiverk vil være henholdsvis 90 000 135 000 1 —2

tonn/år for olje " " kull " " urandioksidstaver

16

HAUGESUNDS AVIS

Naturlig stråling farligere enn a-kraft A* Petw Humphrey, NTB-Reuter

Naturlig radioaktiv ulstriling • 11 - 22 kV

11-22 kV/230(400)V 230(400)V

Forbruker

Figur 2.2 Prinsippet for overføring av elektrisk energi fra energiverk til forbruker

Prosjektering av linjer

Ved prosjektering av linjene er det mange hensyn å ta. Linjene skal legges så usjenert som mulig i terrenget, mastene bør være så smekre som mulig, samtidig som de må tåle de mekaniske påkjenningene de blir utsatt for i form av vind og is- og snølast på ledningene. Ledningene og isolatorene må også tåle disse påkjenningene. Særlig kan de mekaniske påkjenningene bli store der linjene går over høye fjellpartier. Det har forekommet is- og snølaster på flere hundre kilogram per meter ledning. De bygger seg opp svært raskt i ugunstig vær, og selv om man kan smelte isen ved å belaste linjen maksimalt en tid, kan man ikke hindre slik ising på linjene. Linjene bør være så rettlinjede som mulig, med jevne spennvidder, samtidig som hindringer i form av tett­ bebyggelse, andre linjer, jernbaner, veier, vanskelig terreng, verdifulle skogsområder o.l. bør unngås så langt råd er.

64

Elektriske anlegg - energiforsyningen

2 Elektrisk energioverføring

Det må også tas hensyn til jordingsforholdene langs linjen. Dårlige jordingsforhold fordyrer anlegget på grunn av de ekstra tiltakene som må settes i verk for å få i stand tilstrekkelig god jordforbindelse.

Gjennomgående jordliner For å beskytte linjer mot direkte lynnedslag eller lyn­ nedslag i nærheten monterer vi én eller flere jordliner langs linjen. I tillegg fører disse jordlinene til bedre jording ved stasjoner og master fordi de enkelte jordelektrodene dermed blir parallellkoplet. Hvis jordlinene skal gi en effektiv beskyttelse mot lynned­ slag, må de plasseres slik at lynet treffer dem istedenfor faselederne.

Figur 2.3 Farlig område for trefaset linje uten jordliner Jordline over faselederne

For spenninger fra 60 kV og oppover må jordlinene plasseres over faselederne. Det krever noe høyere master. Ved et lynnedslag i en linje med jordliner over faselederne gir lynstrømmen, som går til jord over jordmotstanden i jordelektroden, opphav til en spenning mellom mastetop­ pen og faselederne. Hvis systemspenningen er lavere enn 60 kV, gir denne spenningen et såkalt tilbakeslag fra masten til én eller flere av faselederne, og dermed beskytter den ikke linjen mot lynnedslag. Det kommer av

65

Elektriske anlegg - energiforsyningen

2 Elektrisk energioverføring

at isolasjonsnivået er lavere fordi disse lavere spenningene har mindre isolatorer.

Figur 2.4 Farlig område for trefaset linje medjordliner

Jordline under faselederne

Det har altså ingen hensikt å montere jordliner over faselederne ved disse lavere spenningene. Derimot reduserer en gjennomgående jordline induserte overspenninger med ca. 30 % (to jordliner reduserer med ca. 50 %). For å kunne bruke en litt lavere mastehøyde må vi derfor montere de gjennomgående jordlinene for disse linjene under faseledningene.

2.1.1 Master og linjetyper

Mastetyper Hvilken mastetype vi skal velge, er avhengig av mange forhold, blant annet korrosjonspåkjenning, spenningsnivå, mastehøyde, krav til mekanisk styrke, hvilken funksjon masten skal ha, osv. Vi skiller her mellom bæremaster, forankringsmaster og endemaster.

Bæremaster

66

Bæremaster skal holde ledningene i stor nok avstand fra hverandre og tilstrekkelig høyt over bakken, og de blir brukt på rette strekninger. De mekaniske påkjenningene her er vekten av ledningene med ekstralast i form av snø og is og vindpresset på tvers av linjen.

Elektriske anlegg - energiforsyningen

2 Elektrisk energioverføring

Forankringsmaster

Forankringsmaster blir brukt der det kreves ekstra mekanisk styrke, for eksempel i vinkelpunkter ved retningsendring, ved kryssing av vei, jernbane eller andre linjer, når det er forskjellig ledningsstrekk på de to sidene av mastene o.l. I linjer med nominelle spenninger under 132 kV skal det plasseres forankringsmaster for minst hver kilometer.

Endemaster

Endemaster blir brukt i begge endene av en linje, for eksempel der den blir ført inn i en stasjon, eller ved overgang fra luftlinje til jordkabel. Endemastene må kunne tåle de mekaniske påkjenningene som oppstår på den ene siden. Se ellers om dimensjonering av master i § 68.

Barduner

Når vi ser bort fra de høyeste spenningsnivåene og store overføringslinjer, bruker vi ofte bardunerte bæremaster istendenfor forankrings- eller endemaster. I lavspentlinjer bruker vi normalt bare tremaster, enten enkle master eller master med strevere. Her bruker vi normalt barduner i vinkelpunkter og linjeender. For høyspentlinjer (fordelingslinjer) bruker vi ulike utform­ inger: IE-master, A-master, Al-master, H-master, AHmaster osv. Til disse konstruksjonene benytter vi nå vanligvis master av tre, men tidligere ble også betong og stål en del brukt.

I tremastlinjer som har opptil 22 kV nominell spenning, er kravene i § 68 tilfredsstilt når de er utført etter NEVFs «Tekniske anbefalinger for 22 kV tremastlinjer». Bærende konstruksjoner (master) og fundamenter kan være dimensjonert og utført etter «Norske normer for mekanisk dimensjonering og utførelse av elektriske luftledninger» istedenfor etter § 68.

For de høyere spenningsnivåene og større overføringslinjer blir det nå vanligvis bare benyttet stålmaster i en stort sett standardisert utforming. I en del mindre overføringslinjer blir det også benyttet tremaster, spesielt H-master.

Figur 2.5 viser noen eksempler på mastekonstruksjoner.

67

Elektriske anlegg - energiforsyningen

2 Elektrisk energioverføring

Eksempler på mastebilder

Blir brukt som

Enkeltmaster (l-master, E-master)

Bæremast for tverrsnitt inntil ca. 50 mm2 Cu eller ca. FeAl nr. 50

A-master

Bæremaster for store tverrsnitt. Master i vinkelpunkter

Portalm as te r (H-master, D-master, II-maste r)

Bæremaster for store tverrsnitt. Ved bardunering i linjeretningen Forankring eller endemaster. Ved bardunering tvers på linjeretningen: Master i vinkelpunkter

AH-master

Forankrings- eller endemaster. Ved bardunering tvers på linjeretningen: Master i vinkelpunkter

Portalmaster, stålmaster

Bære-, forankrings- og endemaster

Fagverksm as te r

Bære-, forankrings- og endemaster

Dobbelportalm as te r

Ved bardunering tvers på linjeretningen: Master i vinkelpunkter. Ved bardunering i linjeretningen: Forankrings- eller endemaster

Figur 2.5 Ulike mastetyper

Mastematericiler Mastematerialer

68

Ledningsmaster kan utføres av impregnert furu, stål, aluminium eller et annet materiale som er godkjent av NVE.

Elektriske anlegg - energiforsyningen

2 Elektrisk energioverføring

Master av tre (impregnert furu) skal ha en diameter på minst 19 cm i jordbåndet, være tydelig merket med impregneringsår og -fabrikk 3 m fra rotenden, og de skal være forsynt med topphette. Stålmaster og tilbehør av stål skal vernes mot klimatiske påvirkninger med korrosjonsbeskyttelse. Impregnering

Trykkimpregnerte furustokker har en levetid på minst 40 år. Impregneringsstoffet kan være kreosot, arsenikk eller salt. Før impregneringen vakuumbehandler man stokkene for å fjerne luft og fuktighet. Etter at impregneringsstoffet er satt til under høyt trykk, vakuumbehandler man stokkene igjen for å fjerne overflødig impregneringsstoff.

Kreosotimpregnerte master har god isolasjonsevne. Arsenikkimpregnerte master har grønn farge, er giftige, og de leder elektrisitet relativt godt. I den senere tid er det også tatt i bruk saltimpregnering som ikke er giftig, men mastene leder relativt godt.

Linjemateriell Linjemateriell

Fordi produktutviklingen går fort, og på grunn av det store produktspekteret og antallet løsninger som finnes, vil det føre for langt å her komme inn på alt det tilleggsutstyret som blir brukt i forbindelse med de forskjellige maste typene. Vi viser isteden til produktkataloger o.l. fra fabrikanter av slikt utstyr, for eksempel Siemens, EB Energi, Ørsta Stålindustri, Br. Bemtsen/Nordstål, Ensto, Mepro (Melbye Energi as) og Høiness & Høiness A/S. Det samme gjelder for utstyr brukt i koplingsstasjoner o.l.

Isolatorer Med isolatorer mener vi her isolerende feste- eller støttepunkter for ledere. Isolatorene må være laget av slike materialer og ha en slik utforming at de tåler elektriske, mekaniske, termiske og klimatiske påvirkninger fra for eksempel lysbuer, slag og støt, varme og kulde, fuktighet og saltdrev. De må videre ha gode langtidsegenskaper.

69

Elektriske anlegg - energiforsyningen

2 Elektrisk energioverføring

Elektrisk svikt kan opptre på tre ulike måter:

Isolatortyper

1

Gjennomslag på grunn av feil eller skader i porselenet

2

Overslag på grunn av overspenninger eller for liten isolasjonsavstand

3

For liten overflateisolasjon slik at det oppstår krypestrømmer på grunn av salt, sot o.l.

Isolatorer kan være utført på to måter: 1

Ståisolatorer:

for eksempel piggisolatorer

2

Hengeisolatorer:

stavisolatorer og kjedeisolatorer

Piggisolatorer blir nå sjelden brukt over 36 kV, men ble tidligere brukt opptil 60-70 kV. For høyere spenninger enn 36 kV bruker vi hengeisolatorer lenket sammen av isolatorledd. I den senere tid er det utviklet nye, lettere isolatortyper for spenningsnivåene 12-420 kV. De finnes som: — hengeisolatorer — strekkisolatorer

De er et godt alternativ til de mye tyngre glass- og porselensisolatorene som er på markedet.

Den isolatoren som blir markedsført under navnet komposittisolator, er for spenningsnivåene 12—360 kV. Den er bygd opp av en glassfiberstav (glassfiberarmert polyester). På den er det en helstøpt ytre isolator av kunstgummi (type eten-propen). Endebeslagene er av en sterk korrosjonsbe­ standig Al-legering. Isolatorens skjermer har symmetrisk utforming. Det er derfor mulig å bruke isolatoren i enhver stilling, også i oppstrekk, uten å snu den.

Ledningsarrangement

Ledningsarrangementet kan være utført på mange måter. Enkelt ledningssett er vanligst, og her skiller vi mellom — —

70

trekantoppheng, som er plassbesparende horisontalt planoppheng, som blir brukt til høyere spenningsnivåer, og som krever bredere kraftlinjegater

2 Elektrisk energioverføring

Elektriske anlegg - energiforsyningen

Dobbelt ledningssett har mange utførelser:

— — — —

sekskantoppheng dobbelt trekantoppheng V-oppheng grantreoppheng

Se ellers § 73.

Når vi skal velge ledningsarrangement, er det flere faktorer vi må ta hensyn til, blant annet spenningsnivået, hvor stor bredde vi har til rådighet for kraftlinjegaten, og lederavstanden.

Ledningsmaterialer Med en leder mener vi ethvert materiale med lav spesifikk motstand som er beregnet til å føre elektrisk strøm. En leder er ofte trådformet i forskjellige utførelser, for ek­ sempel: tråd, line, ledning, kabel eller skinne. Tråd: Line: Ledning:

Kabel: Skinner:

massiv leder flertrådet uisolert leder isolert eller uisolert, entrådet eller flertrådet leder, normalt mindre tverrsnitt én eller flere isolerte ledere omgitt av en beskyttende kappe normalt uisolerte rektangulære eller rørformede ledere, som av og til kan være isolerte

Ledere velger vi stort sett ut fra ett eller flere av disse kriteriene: — pris — mekaniske egenskaper — kjemiske egenskaper — kvaliteten på faste og bevegelige kontakter — montasjemessige egenskaper De vanligste ledningsmaterialene er: —

kopper (Cu):

—

aluminium (Al):

—

stål (Fe):

spesifikk ledningsevney minst 58 m/Q • mm2 spesifikk ledningsevne y minst 35 m/Q • mm2 spesifikk ledningsevney minst 7 m/Q • mm2

71

Elektriske anlegg - energiforsyningen

—

—

Bruksområder

2 Elektrisk energioverføring

stålaluminium (FeAl — aluminium rundt en stålkjeme) Som luftline finnes den i flere utførelser, blant annet: Fe : Al « 1 : 6, Fe : Al = 1 : 4,3 bronse: spesifikk ledningsevne y 10-45 m/Q • mm2

I lavspenningslinjer bruker vi vanligvis isolerte eller uisolerte ledere av kopper eller aluminium. I lavspenningsledninger skal lederne ha en minimum bruddstyrke på 400 kp (for eksempel minimum 10 mm2 kopper) ifølge § 85. Som isolerte ledere bruker vi nå stort sett toleders eller treleders EX/EXW-hengeledninger.

I høyspenningsfordelingsnett o.l. (1—66 kV) bruker vi som regel uisolerte liner av aluminium eller kopper, men iblant bruker vi også stålaluminiumsliner (FeAl) der linene blir utsatt for store mekaniske påkjenninger som vind og islast i fjordspenn o.l.

I høyspenningsoverføringsnettet (over 66 kV) bruker vi normalt bare FeAl-liner, spesielt på grunn av den store mekaniske bruddstyrken. For høyspenningsliner angir § 73 minimum bruddstyrke for de forskjellige spennviddene.

Som jordliner bruker vi enten stålliner av forsinket ståltråd (St 140) uten aluminiumsomspinning eller stålaluminiumsledere.

Ulempen ved å bruke stål (Fe) som en del av lederen er at vi får hysterese- og virvelstrømstap i jernet i tillegg til strømvarmetapene i linen. Det øker de totale effekttapene i overføringene. Fordelen med stål er at vi får økt mekanisk styrke, og det er absolutt nødvendig i mange sammen­ henger, for eksempel i fjordspenn, områder med sterk vind, liner utsatt for islast osv.

2.1.2 Koplingsanlegget Koplingsanlegget utendørs består i hovedsak av to samleskinner, A og B, iblant også av en tredje hjelpeskinne, C. Hver samleskinne består av tre tykke rørformede, eventuelt rektangelformede, skinner av aluminium eller kopper. Vi bruker én skinne for hver fase i noen meters avstand fra hverandre. De er plassert på høye isolatorer.

72

Elektriske anlegg - energiforsyningen

2 Elektrisk energioverføring

Vi må se koplingsanlegget i sammenheng med FEF, kapittel II Stasjonsanlegg, der materiell blant annet er behandlet i avsnitt 3 og utførelse i avsnitt 4. Inngående og utgående linjer og forbindelser mellom samleskinnene og eventuelle tilførsler fra kraftstasjonen går via et system av effektbrytere og skillebrytere. Ved hjelp av disse bryterne kan aggregatene og linjene koples til den ene eller den andre samleskinnen. Lokalt nett

Figur 2.6 Enlinjeskjema for en stasjon med utendørs koplingsanlegg

73

Elektriske anlegg - energiforsyningen

2 Elektrisk energioverføring

Figur 2.6 viser et eksempel på et enlinjeskjema over et slikt koplingsanlegg i tilknytning til en kraftstasjon. Brytere

Skillebryteme kan være av pantograftypen for spenninger opptil 300 kV eller av knivbrytertypen for høyere spennin­ ger. Effektbryteme bestod fram til 1980 stort sett av trykkluftbrytere med inntil seks brytekamre i serie for de høyeste spenningsnivåene. Etter 1980 er SF6-trykkgassbrytere blitt omtrent enerådende som effektbrytere. For disse bryterne er det nok med ett brytekammer for spen­ ninger opptil 170 kV. For spenninger på 420 kV kreves det tre brytekamre i serie. Se ellers avsnitt 2.4.2 om brytere. For spenningsnivåene 12—36 kV har også vakuumbryteren fått stor utbredelse, spesielt i industri­ anlegg og i fordelingsnett.

Jordslutter

I enden av hver samleskinne finnes det en kortslutningsog jordslutter, som kan fjernstyres og legges inn når det foregår arbeid på samleskinnen eller tilliggende brytere. Se også § 30 punkt 7.4 om jordsluttere.

På enlinjeskjemaet er det vist strøm- og spenningstransformatorer og kondensatorer for spermingsmåling ved inngående og utgående linjer og før og etter generatorer og transformatorer. Disse transformerte strømmene og spenningene blir brukt til målinger, styring og relévem.

Vern

Linjene og koplingsanlegget blir beskyttet av overspenningsavledere (ventilavledere), som leder eventuelle atmosfæriske overspenninger til jord. Videre er stasjonen forsynt med avanserte vern for å beskytte generatorer, transformatorer, kabler og linjer. Vi finner for eksempel differensial vern for generatorer og transformatorer, jordslutningsvem, spenningsstigningsvem, rusningsvem og overstrøms(tids)releer for generatorer, gassvakt for trans­ formatorer, distansereleer for linjer osv. Se videre om vern i avsnitt 2.3.

Kommunikasjons- og signaloverføringssystem

På utgående og inngående linjer finnes det også høyfrekvenssperrer, som skal hindre at signalene fra den høy­ frekvente driftstelefonen skal gå inn i selve stasjonen. Denne høyfrekvente driftstelefonen, som benytter kraft­ ledningene i hovednettet som trådforbindelse, blir brukt til kommunikasjon og signaloverføring mellom stasjoner og i forbindelse med samkjøringsstyringen.

74

Elektriske anlegg - energiforsyningen

2 Elektrisk energioverføring

Parallelt med dette kommunikasjons- og signaloverføringssystemet finnes det også et radiosamband via linker som går på VHF-båndet (3Q-3OO MHz) eller UHF-båndet (460-470 MHz). Dette sambandet er blitt sterkt utbygd i de senere årene, og det har fått stadig større betydning. Telenors telefonnett fungerer som reserve.

På figurene 2.7 og 2.8 er det vist eksempler på slike koplingsanlegg som vi nå har beskrevet (hentet fra forskjellige ASE A-publikasj oner).

Figur 2.7 ASEAs oljeminimumsbryter type HLR 300/2504 B SF6-anlegg

I den senere tid er det blitt et alternativ å bygge hele koplingsanlegget som et gassisolert SF6-koplingsanlegg og eventuelt plassere det inne i fjell. I Kvilldal kraftverk (Ulla-Førre) er imidlertid det gassisolerte koplingsanlegget plassert i et eget bygg ute i friluft.

Et SF6-anlegg krever bare ca. 1/12 av volumet til et til­ svarende 300 kV utendørs luftisolert koplingsanlegg. Det er spesielt dette og det at personsikkerheten er bedre ved

75

Elektriske anlegg - energiforsyningen

2 Elektrisk energioverføring

slike anlegg, som er grunnen til at vi går mer og mer over til slike SF6-anlegg.

Figur 2.8 En del av et koplingsanlegg

SF6-gass

SF6-gass (svovelheksafluorid) er en kjemisk stabil, fargeløs og luktfri gass som er ca. fem ganger tyngre enn luft. Den er verken brennbar eller giftig og isolerer to-tre ganger bedre enn luft ved samme trykk. SF6-gassen blir imidlertid giftig og lukter kraftig etter at den er blitt utsatt for en lysbue, for eksempel i form av et overslag. Fordi gassen i tillegg til de gode dielektriske egenskapene også har gode termiske egenskaper, egner den seg altså svært godt som slokkemiddel i effektbrytere.

En sammenlikning mellom den elektriske holdfastheten (isolasjonsevnen) til SF6-gass, luft og transformatorolje som funksjon av trykket er vist på neste side.

76

Elektriske anlegg - energiforsyningen

2 Elektrisk energioverføring

Figur 2.9 Elektrisk holdfasthet ved økende trykk

i

Figur 2.10 SF6-isolert koplingsanlegg Avhengig av driftsspenningen blir det brukt gasstrykk på 2,5—5 bar ved 20 °C. Selv om slike SF6-anlegg er forseglet, kan det oppstå lekkasje. Derfor må trykket

77

Elektriske anlegg - energiforsyningen

2 Elektrisk energioverføring

overvåkes og signal gis hvis trykket synker under en nedre grense. Anlegget kan selvfølgelig forrigles slik at vi ikke kan betjene brytere med for lavt trykk, og hele koplingsan­ legget kan gjøres spenningsløst hvis trykket i det kapslede anlegget blir for lavt.

På figur 2.10 er det vist eksempler på gasskapslede koplingsanlegg. Et eksempel på lokale koplingsanlegg i form av en mastetransformator og en kiosk med tilbehør er vist neden­ for og på neste side.

A (B)

1500 "« c cn

Eksplosjonsfarlige

Syreholdige

V åte

PN - entr. PN - fl.tr. PN - fl.tr. i røranl. PNf TP 10Q4)

Fuktige

HO7V-U HO7V-R H07V-R i røranlegg H07V-K

S m ussige

Norske

T ø rre

CENELEC

I

G um m llaolerte kabler og ledninger

|

Plastlaolerte kabler og ledninger

Betegnelser

Utendørs Sklpsanlegg

• e) •

4/2-3

4/4 4/7

Merknader

1) Bare 1 sone 2. 7) Se forskriftene § 495 og NVEmeddelelse nr. 1/77.

3) Overalt ombord hvor fleksible kab­ ler er tillatt 70) for at vemet skal gi utløsning innen fastlagt tid. Er dette ikke tilfellet, må enten resistansen i feilkretsen reduseres, for eksempel ved å øke tverrsnittet på PE-lederen, eventuelt også på faselederne, og/eller ved bruk av tilleggsutjevningsforbindelse.

Hvis vemet fortsatt ikke bryter tidsnok, må vi for eksempel bruke jordfeilbryter eller liknende som løser ut som vist på figur 4.13. Beregningseksempel: Se avsnitt 5.5 i Elektriske anlegg - bygningsinstallasjoner, som gir en kort innføring i kortslutningsberegninger. For mer inngående studier viser vi til Elektriske anlegg — høyspenning, avsnitt 7.6.3.

Nett foran transformator: 5k= 6 MVA Transformator: A/Y-koplet 100 kVA, U2 = 400/230 V, eT = 1,5 % og ex = 3 % Kabel fra transformatoren til første fordeling: PFSP 3 x 70 + 35 Cu.

177

Elektriske anlegg - energiforsyningen

4 Forsyningsnett og fordelingssystemer

Sikringer: Vi ønsker å bruke NH 160 A. Dette angir TN—C-system så langt. Direkte jordslutning med en fase i punkt 1

Hva blir berøringsspenningen, og hvor stor blir strømmen gjennom kroppen til en person som berører en utsatt del og står på en direkte jordet konstruksjon?

ex = 3 %

Figur 4.17 Del av et fordelingsnett Løsning: Jordslutning i punkt 1:

Nettet: 1,1 • 4002

= 0,0293 Q

6 • 106 Anett

= °’1

' Xnett

= °’1

’

0,0293 = 0,0029 Q

Transformatoren:

100

sN

3 100

e U 2 N 100 ' SN

—L_■

1,5 100

4002

= 0,048 Q

100 • 103 4002

= 0,024 Q

100 • 103

XOt = 0,8 -X^ = 0,8-0,048 = 0,0384 Q åOt

178

= R

= 0,024 Q

4 Forsyningsnett og fordelingssystemer

Elektriske anlegg - energiforsyningen

Kabelen: Faseleder:

Xf = 0,075 • / • 10 3 = 0,075 • 30 • 10’3 = 0,0023 Q R{ = ryl = 0,27 • 10’3 • 30 = 0,0081 Q

Rf r70

= 1,2 • Rf = 1,2-0,0081 = 0,0097 Q J

PEN-leder: X = 3-Xf = 3-0,0023 = 0,0069 Q

Rn

= rN-l = 0,52-10 3-3O = 0,0156 Q

7?Nj = 1,2 -(Æf + 3-Æn) = 1,2-(0,0081 + 3-0,0156) = 0,0659 Q

rfog rN er tatt fra tabell.

I de videre beregningene er det ikke tatt hensyn til at nettet er usymmetrisk belastet ved enfase-kortslutning.

0,0293

0,048

0,0384

0,0023

0,0069

0,0029

0,024

0,024

0,0097

0,0659

Figur 4.18 Ekvivalent impedansskjema 0,1249Q

0,1265

Z& = jZR2 + SX2 = v/0,12652 + 0,12492 = 0,1778 Q

o----------------------------------------

t/f

I = —- = 1298,9 A

Forventet berøringsspenning: c

= 4 * a

j

= 1298,9 • y0,06592 + 0,00 692 = 86,07 V

179

Elektriske anlegg - energiforsyningen

4 Forsyningsnett og fordelingssystemer

Strømmen gjennom kroppen:

+

m

= ---- ----------- = 0,0492 A = 49,2 mA 1500 + 250

NH-sikringene vil løse ut på ca. 1,2 s, mens kravet i § 413, tabell 41 A, er ca. 0,5 s. I dette tilfellet gir overstrømsvemet (NH-sikringene) ikke tilstrekkelig beskyttelse, og fordi det ikke finnes så store jordfeilbrytere, må vi bytte ut NH-sikringene med en effektbryter med momentan ut­ løsning ved en strøm mindre enn ca. 1295 A.

NB! Tar vi hensyn til usymmetriforholdene, og det må vi gjøre for å få riktige verdier, får vi: Zs = 0,26158 Q og /a = 2520 A

Dette ligger imidlertid langt over pensum i VK1. For mer detaljerte studier omkring minimum kortslutningsberegninger henviser vi til Elektriske anlegg — høyspenning av Audkjell Aksdal. Jordslutning i punkt 2: Kabel:

Faseleder:

Xf = 0,075

10 3 =0,075-90’ 10’3 = 0,0068 Q

R{ = r- 10’3 - Z = 1,15 • 10’3 - 90 = 0,1035 Q R,‘10 = 1,2 -R1f = 1,2-0,1035 = 0,1242 Q

PE-leder: Aj = 3 • Xf = 3 • 0,0068 = 0,0204 Q

R} = r- 103 - Z = 1,15 • 10’3 - 90 = 0,1035 Q ROj = 1,2-Af + 3-Å.

= 1,2-0,1035 + 3-0,1035 = 0,4347 Q

180

4 Forsyningsnett og fordelingssystemer

Elektriske anlegg - energiforsyningen

Foran i anlegget hadde vi: £X= 0,1249 Q SA = 0,1265 Q Nå får vi:

0,1249

4

ZXny ----------- -

ny

o-*—I

0,0068

0,0204

0,1265

0,1242

0,4347

^ny ---------------- -

HZZZH

0,1521

0,6854

o-------------------------------------------

Figur 4.19 Ekvivalent impedansskjema Z'

= v/0,68542 + 0,15212 = 0,702 Q

sny

^ny

t/f 230 — = -^L = 327,6 A Zsny 0,702

NB! Også her vil vi få høyere verdier for Zs og /a når vi tar hensyn til usymmetriforholdene.

UC = I^ny • ZJ total

= 327,6 • ^(0,0659 + 0,4347)2 + (0,0069 + 0,0204)2 = 327,6-0,501 = 164,1 V

I = -----1ÉS1---- = o,O938 A = 93,8 mA m 1500 + 250 Vi forutsetter også her bruk av NH-sikringer. Sikringenes utløsetid er ca. 0,7 s, mens tabell 41 A krever en utløsetid på ca. 0,1 s. Både berøringsspenningen og strømmen gjennom kroppen er altfor høy. I dette tilfellet må vi enten ha jordfeilbryter for å beskytte oss mot elektrisk støt, eller vi må benytte en automatsikring med momentan utløsestrøm mindre enn ca. 325 A.

181

Elektriske anlegg - energiforsyningen

4 Forsyningsnett og fordelingssystemer

NB! I dette eksemplet har vi brukt resistansverdier for fase­ ledere og jordledere hentet fra tabeller fra kabelfabrikanter. Hvis vi bruker formelen

R = El A får vi litt avvikende verdier i forhold til det som er brukt i eksemplet foran.

4.3.2 TT-systemer Som vi så i eksemplet for TN-systemet, representerer Znett ~ 0,3 Q og transformatorens ZT ~ 0,05 Q, mens nøytralpunktsimpedansen i transformatoren, ZoT, er i størrel­ sesorden 0,04 Q. Impedansen i faselederne er i størrelses­ orden 0,01-0,1 Q.

Figur 4.20 TT-system

Sammenliknet med overgangsresistansen til jordelektrodene (10-20 Q) blir disse impedansene små, og vi kan se bort fra dem i praktiske beregninger. Feilstrømmen blir da:

182

4 Forsyningsnett og fordelingssystemer

Elektriske anlegg - energiforsyningen

og berøringsspenningen: Uc = Ia • Rj

Strømmen gjennom kroppen blir:

m

Rm m + Rrr

I TT-systemer skal det som beskyttelse mot elektriske støt benyttes strømstyrt jordfeilvem (i praksis jordfeilbryter) når beskyttelsen er automatisk utkopling. Se punkt 413.0.

Også her må vernet løse ut på en tid lik eller kortere enn det tabell 41 A angir.

der U er grensen for berøringsspenningen ifølge tabell 41 A. Beregningseksempel U = 230 V

230 Uf = — = 132,8 V 73

Transformatorens jordelektrode Ro = 10 Q (kråkefot i ikke helt god jord).

Installasjonens jordelektrode R- = 6 Q (bånd eller maske i svært god jord). Vi tar bare hensyn til jordelektrodenes overgangsresistanser og får:

Feilstrøm:

/ = ------ !— = 132 ’ 8 = 8,3 A a R O + RJ 10 + 6 Berøringsspenningen blir: Uc = Za • R. = 8,3 • 6 = 49,8 V

183

Elektriske anlegg - energiforsyningen

4 Forsyningsnett og fordelingssystemer

Strømmen gjennom kroppen: (7

49 R

m =----- — =---- —---- -- 0,0285 = 28,5 mA m R+R ft 1500 +250 m Selv med svært god jord (bedre enn de fleste anlegg oppnår i praksis) ligger vi på grensen til hva vi kan tillate uten jordfeilbryter.

Ved å øke resistansen i installasjonens jordelektrode R til 7 Q får vi:

Feilstrøm:

/a = -132,8 = 7,81 A a 10+7

Berøringsspenningen blir:

Ucc = Ia • Rj = 7,81 • 7 = 54,68 V ’ ’ og strømmen gjennom kroppen blir:

54 48 / = ---- ----------- = o,O312 A = 31,2 mA m 1500 +250 Vi ser at vi nå er kommet over grensen for berøringsspenning. Vi ser også at jordfeilstrømmer ved en jordfeil ikke vil løse ut vern som sikringer e.l. Derfor er kravet absolutt til bruk av jordfeilbryter her, hvis vi benytter automatisk utkopling som beskyttelsesmetode. Se § 413.0.

4.3.3 IT-SYSTEMER Impedanser fra nettet, transformatoren og faselederne er så små i forhold til Å (6-40 Q) at vi kan se bort fra dem i praktiske beregninger.

For normale lavspenningsdistribusjonsnett i boligområder kan vi ifølge målinger sette feilstrømmen Z målt i mA omtrent lik transformatorens størrelse målt i kVA på grunn av kapasitiv tilbakekopling til de friske fasene. For eksempel vil en transformator på 200 kVA gi en feilstrøm på ca. 200 mA ved direkte jordfeil.

184

4 Forsyningsnett og fordelingssystemer

Elektriske anlegg - energiforsyningen

Figur 4.21 IT-system

For anlegg som er små i utstrekning, for eksempel en bygning som forsynes av en egen transformator, gjelder ikke dette.

Berøringsspenningen blir: c

j

a

og strømmen gjennom kroppen blir: i

m

--F-

Rm m + Rtf

Eksempel: Et anlegg forsynt av den nevnte 200 kVA-transformatoren vil få disse forholdene hvis anlegget er utstyrt med en jordelektrode på 10 Q:

Feilstrøm: 200 mA Berøringsspenning:

Uc = Ia • R.j = 0,2 ’ • 10 - 2 V

Strømmen gjennom kroppen: u

2

r =----- — =------ - ------ = 0,0011 A = 1,1 mA m Å m +Aif 1500 +250

Vi får en ubetydelig berøringsspenning og helt ufarlig strømgjennomgang. En jordfeilbryter ville imidlertid gitt

185

Elektriske anlegg - energiforsyningen

4 Forsyningsnett og fordelingssystemer

hurtig utkopling ved denne feilstrømmen (200 mA). Skulle vi få en jordfeil i en annen fase innenfor transformatorkretsen, for eksempel hos naboen, får vi disse forholdene. Vi kan også her se bort fra impedanser i nett, transformator og faser. I dette tilfellet kan vi også se bort fra den kapasitive tilbakekoplingen.

Figur 4.22 IT-nett med to jordfeil Vi får da:

a

Rj

230 = 23 A 10

Berøringsspenningen blir: Ut = Ia • R.j = 230 V

Strømmen gjennom kroppen blir: 230

m = -—— =------- ------ = 0,1314 A = 131,4 mA m A +ÅF 1500 +250 Både berøringsspenningen og strømgjennomgangen er altfor stor. Sikringen, for eksempel en 10 A patronsikring, vil trenge mellom 5 og 10 s før den ryker. Ifølge tabell 41 A skal utløsning skje innen 0,045 s, og her kreves det jordfeilbryter e.l.

Hvis feil nummer to er via en motstand på for eksempel 10 Q, blir feilstrømmen:

■a230 = 11,5 A a 10 + 10

186

4 Forsyningsnett og fordelingssystemer

Elektriske anlegg - energiforsyningen

Sikringen vil da ikke ryke de første timene. Dette tilsier at vi må ha en hurtig og effektiv utkopling av feil nummer to.

For den første feilen er det tilstrekkelig med jordfeilovervåking som gir hørbart og synlig signal, men vi kan ifølge punkt 413.1.5.4 sørge for utkopling av strømtilførselen isteden, slik en jordfeilbryter vil gjøre. De vernene som kan benyttes i IT-systemer, er: — — —

utstyr for isolasjonsovervåking overstrømsvem (for utkopling av feil nummer to) jordfeilbryter e.l.

En jordfeilbryter vil alene fullt ut dekke forskriftenes krav til beskyttelse når beskyttelsen går ut på automatisk utkopling. Se punkt 413.0.

NB! Forskriftene stiller ikke krav til utløsning når feil nummer to er utenfor egen installasjon. Selektive jordfeilbrytere vil heller ikke reagere på slike feil, så i disse situasjonene er det ikke noe som beskytter mot farlige berøringsspenninger. Dette er en svakhet ved forskriftene.

Jordfeilbryter eller varsling

Der vi bruker varsling av første feil, kan vi få en slik situasjon som vi har beskrevet ovenfor når vi har en jordfeil i egen installasjon, og det oppstår en ny jordfeil i for eksempel gatelyset utenfor. I dette tilfellet er det bare en jordfeilbryter som ville gitt beskyttelse mot farlige berøringsspenninger inne i egen installasjon.

For boliginstallasjoner bør vi derfor velge jordfeilbrytere som vem mot farlige berøringsspenninger, selv om disse av og til kan gi uønskede utløsninger. Vi får her en mye bedre personbeskyttelse, og den betyr mye sammenliknet med de små ulempene som uønskede utløsninger gir.

I industri- og næringsbygg derimot bør vi velge jordfeilvarsling fordi uønskede utkoplinger her kan bety unødig driftsstans og økonomiske tap for bedriften.

Sammendrag Til å transformere spenningen ned fra det høyspente for­ delingsnettet (vanligvis 22 kV) til det lavspente fordelings­ nettet (230 eller 400/230 V) bruker vi forsyningstrans-

187

Elektriske anlegg - energiforsyningen

4 Forsyningsnett og fordelingssystemer

formatorer. De er vanligvis trefasete og oppbygd med en trebeint jemkjeme. Viklingene i hver fase blir som regel lagt utenpå hverandre på hvert bein. Transformatorene finnes både som luftkjølte og som oljekjølte. Viklingene kan være sammenkoplet på forskjellige måter, men A- og Y-koplinger er vanligst. En vanlig kopling er Dy eller Dyn. Fordelingssystemene vil vanligvis være TN-, TT- eller ITsystemer. TN-systemet blir mest brukt i industri og offshorevirksomhet, men blir mer og mer vanlig også som boligforsyning. TT-systemet blir stort sett brukt som boligforsyning noen steder i landet. IT-systemet er mer utbredt som boligforsyning og omtrent enerådende i skipsinstallasjoner, på sykehus o.l. der vi ikke vil eller kan ha utkopling ved første jordfeil. I TN- og TT-systemene er nøytralpunktet direkte forbundet til jord, mens IT-systemets nøytralpunkt er isolert fra jord, eventuelt jordet via en disneuter. Jordforbindelsene vil avlede overspenninger. Siden utførelsen av jordingen er forskjellig for alle tre systemene, vil jordslutningsstrømmene bli vesentlig forskjellige i størrelse, og det gir disse systemene forskjellige egenskaper med skiftende fordeler og ulemper. Vi kan tegne eller kople opp en beregningsmodell for hvert av de tre fordelingssystemene. Ut fra de beregnede eller målte verdiene for jordslutningsstrøm kan vi så beregne eller måle den berøringsspenningen vi vil få i det aktuelle systemet. I paragraf 413.1 kan vi se hva som kreves av beskyttelse mot for høye berøringsspenninger. Det kan som nevnt være utgangspunkt for flere laboratorieøvinger.

I TN- og TT-systemene blir som regel berøringsspenningene høyere enn tillatt, og de krever derfor utkopling. I IT-systemet blir berøringsspenningen ubetydelig, og vi kan derfor velge mellom jordfeilvarsling og utkopling med for eksempel en jordfeilbryter. Personbeskyttelsen blir best ved bruk av en jordfeilbryter, mens driftssikkerheten blir best ved bruk av varsling. I boliginstallasjoner bør man derfor vanligvis velge jordfeilbryter.

188

5 Transformatorer

Elektriske anlegg - energiforsyningen

5 Transformatorer Kapitlet omhandler •

transformatorens oppbygning og virkemåte, jemkjernen og forskjellige typer transformatorblikk, blikkets innvirkning på jemtapene (virkningsgraden), viklingenes plassering og isolasjon, isolasjonsklasser, kjøling av transformatorer, oljetyper og miljø — brannfare, vern av transformatorer

•

hvordan tomgangsforsøket, kortslutningsforsøket og belastningsforsøket gir transformatorens merkedata, transformatorens virkningsgrad ved forskjellige belast­ ninger, transformering (ligger utenfor pensumet til VK1)

•

transformatorens forskjellige utførelser: krafttransformatorer, spare- eller autotransformatorer, skille- og sikkerhetstransformatorer, måletransformatorer osv.

189

Elektriske anlegg - energiforsyningen

5Transformatorer

5.1 Transformatorens virke­ måte OG OPPBYGNING Et statisk apparat

En transformator er et statisk apparat (ingen bevegelige deler) som vanligvis omformer vekselspenninger og vekselstrømmer til andre verdier av spenning og strøm, men med samme frekvens. Iblant fungerer imidlertid transformatoren bare som et galvanisk skille mellom to elektriske kretser.

Arbeider etter induksjonsprinsippet

Transformatoren arbeider etter induksjonsprinsippet, dvs. elektromagnetisk induksjon, og den er oftest bygd opp med to eller flere viklinger. Den siden der vi mater inn energien kalles primærside, og har indeksen 1 (Ej, I osv.) Den siden der vi tar ut energien kalles sekundærside, og har indeksen 2 ( U2, I2 osv.).

Hovedsymbol

Alternativt symbol

Enlinjeskjemasymbol

Figur 5.1 Ulike symboler for enfasetransformatorer

Feltet er forskjøvet 90° i forhold til L\

190

Når vi kopler en vekselspenning (strøm) Ux inn på primærviklingen, vil den indusere et magnetisk felt (fluks) i jemkjemen. Dette feltet vil forsøke å forhindre endringe­ ne i vekselspenningen. Når primærspenningen øker positivt eller negativt mot sin maksimalverdi, vil feltet være rettet slik at det forsøker å hindre økningen. Etter at primærspenningen har passert sin maksimalverdi (positiv eller negativ) og avtar igjen, vil feltet snu og forsøke å motvirke at spenningen avtar. Dette feltet vil være 90° forskjøvet i forhold til Ux, og det vil indusere en selvindusert spenning E} i primærviklingen som er motsatt rettet i forhold til den påtrykte spenningen Når det primære feltet passerer sekundærviklingen, blir det indusert en spenning (strøm) U2 i denne, med en slik retning at det sekundære feltet som U2 induserer vil forsøke å motvirke primærfeltet.

Elektriske anlegg - energiforsyningen

5 Transformatorer

Figur 5.2 Elektromagnetisk induksjon i en transformator

Jernkjernen

En transformator er som regel bygd opp med viklinger rundt en jemkjeme. Jernkjernen kan være utformet på for­ skjellige måter alt etter typen av transformator, og den er bygd opp av tynne jemblikk (0,3 mm) av bløtjem. Blikkplatene er isolert fra hverandre for å redusere virvelstrømmene, og jernkjernen (platene) er satt sammen slik at de blir stående under kraftig press for å unngå brumming. Til dette blir det brukt spennebjelker av profiljem eller olje-

191

Elektriske anlegg - energiforsyningen

5 Transformatorer

impregnert tre på hver side av blikkpakken som boltes sammen. Ulike konstruksjonsmetoder kan redusere støyen vesentlig.

Retningsorientert blikk

I større transformatorkjemer er blikket retningsorientert, dvs. de fleste jemkrystallene er orientert i én retning. Det medfører at blikket leder magnetiske feltlinjer bedre i lengderetningen enn på tvers. Dette kan vi oppnå ved å bruke spesielle valsemetoder og klippe blikket i valseretningen. Man kan også behandle det med laserstråler, men det er svært kostbar metode, og den brukes bare i spesielle tilfeller. Det magnetiske feltet (fluksen) kan økes fra ca. 0,8 til ca. 1,5 Wb/m2 ved bruk av orientert blikk. Det medfører at vi kan redusere jemtverrsnittet vesentlig i forhold til transfor­ matorens ytelse. Dessuten blir transformatorene mindre og lettere.

Retningsorientert blikk

Figur 5.3 Jernblikk brukt i transformatorer

192

Elektriske anlegg - energiforsyningen

5 Transformatorer

Jo bløtere jern, desto bedre magnetisk ledningsevne, og der vi kan benytte retningsorientert blikk, blir lednings­ evnen enda bedre. Hysteresetapene blir mindre jo bedre den magnetiske ledningsevnen er. Virvelstrømstapene reduserer vi ved å bruke tynne plater av jemblikk. Jo tynnere de er desto mindre blir virvelstrømstapet. Disse tapene kalles jemtap, og virkningsgraden blir best når jemtapet er minst. Jemtapene ved orientert blikk er ca. 0,5 W/kg ved 1 Wb/mI2.

Vi skiller mellom kjemetransformatorer og kappetransformatorer. Det er formen på jernkjernen som bestemmer navnet. Sylindervikling

Skivevikling

Kje rn etra n sfo rmato r

Figur 5.4 Kjerne- og kappetransformator

Større transformatorer blir som regel utført som kjeme­ transformatorer, mens småtransformatorer vanligvis er kappetransformatorer. Den delen av jernkjernen som er omsluttet av viklinger, kaller vi bein, mens den andre delen av kjernen kalles åk.

Viklingene

Viklingene blir vanligvis plassert utenpå hverandre på samme bein, med lavspenningsviklingen nærmest jemkjemen. I større transformatorer brukes det ofte sylindriske rør av bakelittpapp e.l. som skillevegger mellom vik­ lingene, og også mellom jernkjernen og den innerste viklingen.

I kjemetransformatorene er lavspenningsviklingen utført som én enkelt sylindrisk spole, mens høyspenningsviklingen som regel er delt i flere innbyrdes seriekoplede spoler. Hver spole svarer til ca. 300-500 V. En vikling for 10 kV kan for eksempel inneholde 20 spoler.

193

Elektriske anlegg - energiforsyningen

5 Transformatorer

a) Lavspenningsvikling b) Høyspenningsvikling

Figur 5.5 Snitt av ulike transformatorer med viklinger

Isolasjon Isolasjonen i større oljekjølte transformatorer er vanligvis oljeimpregnert papir, mens mindre luftkjølte transforma­ torer har lakk- eller ulike plastmaterialer som isolasjon. Isolasjonskiasser

Isolasjonsmaterialene som blant annet brukes i transforma­ torer er delt inn i isolasjonskiasser på samme måte som for eksempel motorer. Levetiden til isolasjonsmaterialet er svært avhengig av at temperaturen under drift ikke over­ skrider de maksimale temperaturene i de forskjellige klassene. Hvis temperaturen blir overskredet med mellom 5 og 10 °C i en time, vil levetiden til isolasjonen bli redusert til 50 %. IEC 85 gir en oversikt over isolasjonsklassene til de ulike isolasjonsmaterialene. Dette er gjengitt i tabellen på figur 5.6.

194

Elektriske anlegg - energiforsyningen

5 Transformatorer

Tabell over klassifikasjon av isolasjonsmaterialer (IEC 85)

Tem­ peratur klasse

Maks. temp °C

Isolasjonsmaterialer (ufullstendig og bare veiledende liste. Se bemerkninger)

Impregneringsmiddel (til bruk på det isolerte objektet)

Y

90

Bomull, natursilke, papir, polyamidfibrer, pressboard, tre

Ikke påkrevd

A

105

Som for kl. Y og impregnerte tekstiler av bomull, natursilke, celluloseacetat- eller polyamidfibrer Celluloseacetatfilm Butadienakrylnitrilgummi

Luftherdende oljemodifiserede natur- eller syntetisk lakk Skjellak. Isol. olje

E

120

Trådlakker basert på polyvinylacetat-, epoksy- eller polyamidharpikser Acetobutyrat-, polykarbonat- og cellulosetriacetatfilm Papir- og bomullslaminater (impregnert med fenolfurfurallakk eller fenolformaldehydlakk)

Syntetisk lakk Cross-linked polyesterlakk Epoksy lakk

B

130

Laminater av glass- og asbestfibrer (impreg­ nert med melaminformaldehydlakk) Glass- og asbestvev Film og laminatplater basert på polyetylenterephtalat Mikanittprodukter

Syntetisk lakk Cross-linked polyesterlakk Epoksy lakk

F

155

Glass- og asbestvev Impregnert glass- og asbestvev Glass- og asbestfiberlaminater Film basert på polymonoklorotrifluoretylen Trådlakk basert på imido-polyester

Alkydlakk Epoksy lakk Polyester og polyuretanlakk Silikonalkydlakk

H

180

Glass- og asbestfibrer Impregnert glass- og asbestvev Mikanittprodukter Polyimidefilm. Silikongummi

Silikonlakk

200 220 250

200 220 250

Mikanitt, porselen og andre keramiske materialer (der maks. driftstemperatur er begrenset av fysiske og tekniske forhold)

Uorganiske bindemidler som glass og sement

Bemerkninger til tabellen: 1 Temperaturer over 250 °C skal økes i intervaller på 25 °C, og isolasjonsklassen benevnes i henhold til dette. 2 Temperaturgrensen for et isolasjonssystem kan ikke direkte relateres ti! kapabiliteten til det enkelte materialet anvendt i systemet. Det skal undersøkes og bestemmes ved funksjonsprøver. 3 Ansvaret for utvelgelse av hensiktsmessige isolasjonsmaterialer og systemer ligger hos produsenten av det elektrotekniske produktet.

Figur 5.6 materialer

Isolasjonsklasser av forskjellige isolasjons­

195

Elektriske anlegg - energiforsyningen

5 Transformatorer

Kjøling Kjøling av viklingene

Kjølingen av viklingene er viktig for transformatorens yte­ evne. Når vi belaster transformatoren, blir det utviklet varme på grunn av tapene i transformatoren, både jemtap og koppertap. Koppertapene skyldes effekttapene i primær- og sekundærviklinger, og kan settes lik 12 • R der R er resistansen i viklingene. Uten kjøling vil temperaturen i transformatoren bli så høy at isolasjonen tar skade. Jo bedre kjølingen er, desto større belastning kan vi legge på transformatoren før den blir for varm.

Luftkjølte

Mindre transformatorer er som regel luftkjølte, mens de store krafttransformatorene vanligvis er oljekjølte. Det er ofte nødvendig med luftkjølte, eller tørrisolerte, for­ syningstransformatorer på steder der det kan være fare for brann. De har dessuten lavere vekt enn oljekjølte transfor­ matorer. Det gjelder både «offshore», for større bygg som sykehus, hoteller, skoler osv. og i industrianlegg.

Oljekjølte

Oljekjølte transformatorer er som regel montert inn i en oljetank med utvendige kjøleribber. Tanken blir fylt med transformatorolje, som er en lettflytende mineralolje med høyt flammepunkt og svært lavt syreinnhold og vanninn­ hold. Oljen vil i tillegg til å kjøle også bedre isolasjonsevnen, og den beskytter viklingene mot fuktighet fra lufta. Oljen oksiderer når den kommer i kontakt med luft. Dermed får den dårligere elektriske egenskaper og blir etter hvert mer tyktflytende. Større transformatorer har en ekspansjonstank over selve transformatortanken som er koplet til via et rør. På den måten kan transformatortanken fylles helt med olje, og i tillegg fylles ekspansjonstanken omtrent halvfull. Dermed reduseres oljens berøringsflate med lufta vesentlig. Vi må ta prøver av oljen med jevne mellomrom, og når den ikke holder mål lenger, må den renses eller skiftes ut med ny olje. I røret mellom transfor­ matortanken og ekspansjonstanken blir det ofte montert et gassrelé, et buchholtzrelé, som overvåker forskjellige feil som kan oppstå i transformatoren.

Når transformatoren blir varm, settes oljen i bevegelse fordi tettheten endrer seg med temperaturen. Varmen blir

196

Elektriske anlegg - energiforsyningen

5 Transformatorer

transportert bort fra viklingene og ut mot tankens vegger. Hvis kjølebehovet er større, kan vi la oljen passere en luftkjølt radiator. I radiatoren er det kjølevifter som fjerner varmen. Oljen kan også kjøles i vannavkjølte varmevekslere.

Under oljeisolerte transformatorer må det være en oljegrav, dvs. et basseng som er fylt med småstein, og som er stort nok til å motta all oljen som er i transformatoren. Det er i tilfelle vi får lekkasje. Steinen fungerer som en brannslokker. Oljetyper

I dag bruker vi mineralolje som transformatorolje. Den er brannfarlig, men ikke giftig i noen form, i motsetning til syntetiske transformatoroljer (PCB-oljer). Syntetiske oljer er ikke brannfarlige, men de er giftige, og de inneholder kreftframkallende stoffer som kan bli frigjort når de blir utsatt for lysbuer eller åpen ild. Disse oljene er derfor ikke lenger i bruk. Det er viktig at slike oljer blir behandlet som spesialavfall, og at de blir levert inn til godkjent deponi.

Vern av transformatorer Små transformatorer har som regel bare sikringer eller termovem som vern mot overbelastning og varmgang. Jo større transformatorene er desto flere og mer avansert blir vernene.

Tørrisolerte krafttransformatorer har sikringer eller effekt­ brytere som overlast- og kortslutningsvem. For større transformatorer kan det være aktuelt å montere inn temperaturfølere som overvåker viklingstemperaturen.

Oljeisolerte krafttransformatorer har vanligvis temperaturovervåking ved å måle oljetemperaturen. Dessuten blir disse transformatorene vanligvis utstyrt med et gassrelé. For de største transformatorene bruker vi også differensial releer, overstrømsreleer og effektbrytere, og iblant også jordslutningsreleer. Du kan lese mer om slike vern i avsnitt 2.3.4.

197

Elektriske anlegg - energiforsyningen

5Transformatorer

5.2 Transformatorteori Tomgangsforsøk Vi tar utgangspunkt i en enfasetransformator som vi har vist på figur 5.1, og skal først se på hvordan den oppfører seg på tomgang, dvs. med åpne sekundærklemmer.

Primærviklingens vindingstall kaller vi N}, og sekundærviklingens vindingstall kaller vi N2. Hvis vi kopler en vekselspenning Ux (normalt merkespenning) til primær­ viklingen, får vi et magnetisk felt (en fluks) ø i jemkjemen som følger vekselspenningen, men som er 90° forskjøvet. Feltet består av et hovedfelt åf som er det samme overalt i jemkjemen, og et lite spredefelt

Ideell transformator i tomgang

Figur 5.7 Prinsippskjema for en enfasetransformator på tomgang Vekselfeltet vil som nevnt gjennomløpe hele jemkjernen, og det vil indusere spenninger (selvinduserte spen­ ninger) i både primær- og sekundærviklingen. Størrelsen på denne spenningen er:

E = N•

Ar

Spenningens maksimalverdi opptrer når feltkurven passerer sin null verdi, fordi feltforandringen per tidsenhet her er størst. Det kan vi etter en del omregning skrive som: ^rnaks

198

'f ' ^hmaks

Elektriske anlegg - energiforsyningen

5 Transformatorer

Ved å dividere begge sider med /2 får vi effektiwerdien av spenningen, og ved å sette inn det primære og det sekundære vindingstallet får vi likningene:

E.1 = 72 • *

ti

■ N,1 • Jf • h maks , = 4,44 • N,1 • Jf • &h maks . ’

£2 = 4,44 • N~2 • •'f ■ 0h maks . ’

T ransformatorens omsetningsforhold u

Setter vi transformatorens omsetningsforhold u til hvor mange ganger £j er større eller mindre enn E2, får vi:

£, N, u = — = ---

n2

e2

Fordi det ikke går noen strøm i sekundærviklingen, vil den induserte spenningen E2 være lik klemmespenningen U02, som vi kan måle.

Den primære spenningen t/01 skal overvinne den induser­ te spenningen E} i tillegg til å drive spredefeltet øs i primærviklingen. Dessuten må den overvinne et lite spenningsfall i primærviklingen som tomgangsstrømmen forårsaker. Ved å måle resistansen i primærviklingen R,, og multiplisere med tomgangsstrømmen /0], ser vi at spenningsfallet er svært lite. Forskjellen mellom t/01 og £j er så liten at vi uten videre kan se bort fra den og sette:

__ y N2

(702

Det vil si at vi kan sette transformatorens omsetnings­ forhold u lik forholdet mellom den primære og den sekundære klemmespenningen ved tomgang.

Ved å måle strøm, spenning og effekt på primærsiden på tomgang som vist på figur 5.7 kan vi beregne cos (pQ. Den vil ligge rundt 80°. Det betyr at transformatoren stort sett trekker reaktiv effekt Q på tomgang, men vi måler også et lite effekttap PQ. Tilsynelatende tomgangseffekt So = t/01 • /01 gir: COS

(D = —

5»

199

Elektriske anlegg - energiforsyningen

5 Transformatorer

Tomgangseffekten Po er o

Tomgangstapene lik jerntapene

^oi ’ A)i ’ cos

og den består av et lite strømvarmetap som tomgangsstrømmen forårsaker i primærviklingen og jerntapene PFe. Det kan vi også beregne ut fra formelen /012 • Rx. Fordi strømvarmetapene ved tomgang bare er noen promille (tusendeler) av tomgangseffekten, kan vi uten videre sette tomgangstapene lik jerntapene:

p = p r0 r Fe

Tomgangsforsøket gir oss

Tomgangsforsøket gir oss altså følgende data om transfor­ matoren: — —

Innkoplingsstrømstøtet

omsetningsforholdet u jerntapene PFe

Selv om tomgangsstrømmen er liten kan innkoplings­ strømstøtet (startstrømmen) bli opptil 20 ganger merke­ strømmen, alt etter hvor vi treffer på sinuskurven ved innkoplingsøyeblikket. Det medfører at kvikke sikringer ofte vil løse ut. For å unngå dette problemet må vi bruke så trege sikringer som mulig. Der vi bruker automatsikringer bør vi velge K- eller D-karakteristikk.

Kortslutningsforsøk For å bestemme flere av transformatorens egenskaper kan vi foreta det såkalte kortslutningsforsøket. I dette tilfellet kortslutter vi transformatorens sekundærside og øker spen­ ningen inn på primærsiden til transformatoren trekker fullaststrømmen (merkestrømmen) ZN]. Strømmen i sekundærviklingen vil da være merkestrømmen /N2.

o

Figur 5.8 Prinsippskjema for en enfasetransformator koplet opp til et kortslutningsforsøk

200

5 Transformatorer

Elektriske anlegg - energiforsyningen

Prosentuell kortslutningsspenning ek

Den spenningen som gir merkestrømmen Ix med kortsluttet sekundærside, kaller vi transformatorens kortslut­ ningsspenning t/kl. Den oppgis ofte i prosent av merkespenningen t/N] og blir betegnet som prosentuell kortslut­ ningsspenning ek.

U. • 100 *k = —77------ [%1 UN,

Relativ kortslutningsspenning wk

Iblant oppgir vi istedenfor dette forholdet i brøkdeler (som et desimaltall). Da kaller vi forholdet for relativ kortslut­ ningsspenning uk. u

Wk

Den relative kortslutningsspenningen «k kalles iblant også «per unit = pu». Som regel er det ek eller uk som er oppgitt på transfor­ matorens merkeskilt og i transformatorens datablad.

For trefasetransformatorer

Det som er sagt foran, gjelder for enfasetransformatorer. For trefasetransformatorer er det fasespenningen C/Nlf som er referansen. Uttrykkene for ek og uk må derfor ta hensyn til dette, og vi får: =

p

U. • 100 % __________

=

k

73 • U

• 100 %

k'__________

\

og

uk 73 • Uk uk = -A =---------

T ransformatorens kortslutningsspenning

Transformatorens kortslutningsspenning bruker vi blant annet til å bestemme transformatorens impedans, og derfor blir den oppgitt som Zk. Spenningen på sekundærsiden må være null fordi denne viklingen er kortsluttet. Spenningen t/kl går altså med til å dekke det totale spenningsfallet (spenningsforskjellen) i transformatoren ved full belast­ ning, og den omfatter både primær- og sekundærviklingen. Det går merkestrøm i begge viklingene under dette forsøket. Det som er sagt ovenfor, gjelder også for tre­ fasetransformatorer, men her gjelder alt per fase.

201

Elektriske anlegg - energiforsyningen

5Transformatorer

Ifølge Ohms lov kan vi da sette:

Diverse

Figur 6.2 Energiforbruket i en vanlig bolig

234

30% Avgifter til staten

Elektriske anlegg - energiforsyningen

6 Kjøp og salg av energi

Når en abonnent skal finne ut hvor stort energiforbruk som kan forventes for en bestemt bolig, kan kanskje oversikten på figur 6.2 være til hjelp. Oversikten er utarbeidet av et lokalt energiverk. Tariffer for næringsvirksomhet

Tariffer for næringsvirksomhet er betegnet med T3, T4 eller liknende, og med eventuelle tilleggsbokstaver enten foran eller bak, og for større virksomhet også angivelse av nivå. Disse tariffene blir vanligvis brukt for håndverk, industri, kontorer, forretninger, hoteller, skoler, andre private og offentlige administrasjons- og institusjonsbygninger og andre anlegg som ikke forutsettes å bli dekket av H-tariffer. Energiforbruket i næringsvirksomheter er gjeme delt inn i tre eller fire ulike tariffer alt etter energimengde og det spenningsnivået som energien blir tatt ut på. Det betyr at hvis abonnenten selv eier transformatoren, og bare belaster energiverkets høyspentnett, vil overføringsdelen av energi­ prisen bli lavere enn om abonnenten tar ut energien over lavspentnettet. Det har også betydning for effektprisen i kW/år hvordan energimålingen blir foretatt.

Mindre næringsvirksomhet

Storforbrukere

For en mindre næringsvirksomhet, der energiforbruket er lite og hovedsikringene er høyst 3 x 63 A, eventuelt 3 x 100 A, vil for eksempel tariffen (T4) se slik ut: — — — — — —

Fastsum i kr/år for overføring Abonnementsavgift Energipris i øre/kWh for overføring Energipris i øre/kWh som kraftpris Elektrisitetsavgift til staten (5,1 øre/kWh for 1994) Merverdiavgift 23 %

Produksjonsavgift til staten, oppjustert til 1,5 øre/kWh fra 1.7.1994, er inkludert i kraftprisen.

Kraftkrevende industri, treforedling, veksthusnæring og vareproduserende bedrifter er fritatt for elektrisitetsavgift til staten. Det kreves dokumentasjon fra vareproduserende bedrifter etter bestemte regler. For storforbrukere vil tariffen (T3) i store trekk se ut som vist for T4 ovenfor, men her kan vi enten ha en fastsum i kr/år for overføring, en effektpris i kW/år for overføring, eller en kombinasjon av disse. Dessuten vil energiprisen i

235

6 Kjøp og salg av energi

Elektriske anlegg - energiforsyningen

øre/kWh for overføring være avhengig av nivået (Nivå 5: lavspenttilknytning, nivå 4: høyspenttilknytning). Energiverkene gir ulike former for rabatter som er avhengige av hvor stort energiforbruket hos den aktuelle abonnenten er. Jo større forbruk, desto større rabatter.

Uttak av reaktiv effekt ut over en bestemt cos (p, som er ulik fra energiverk til energiverk, vil som regel medføre en ekstra avgift i tillegg til den normale tariffen.

6.3 Tariffapparater Måling av elektrisk energi skjer ved hjelp av kWh-målere. De kan være bygd opp som induksjonsmålere eller som elektroniske målere. Induksjonsmålere blir ikke solgt lenger, men vil være i drift i lang tid framover. Etter hvert vil de bli erstattet med elektroniske målere, som har mange fordeler.

Induksjonsmålere Roterende skive av aluminium

Induksjonsmålere består i prinsippet av en roterende skive av aluminium. Skiven er plassert mellom en hesteskoformet spenningsspole og en strømspole. Disse spolene vil indusere tre virvel strømmer i skiven, som på den ene siden vil være motsatt rettet, mens de på den andre siden vil virke i samme retning. Den resulterende strømmen vil forårsake et moment som driver skiven rundt, og omdreiningstallet er proporsjonalt med energien i løpet av tiden t, dvs.

M = k • U • I • cos (p Måleren inneholder dessuten en permanent bremsemagnet som framkaller et moment rettet motsatt av rotasjonsretningen til skiven. Momentet skyldes de virvel strømmer som magneten induserer i skiven, og som øker med økende hastighet på skiven. Når de to momentene er blitt like store, blir skivens hastighet konstant.

Mekanisk telleverk

236

Akselen på skiven driver et mekanisk telleverk, og det viser den registrerte energien direkte. Til energimengden 1 kWh svarer et bestemt antall omdreininger av skiven. Dette er målekonstanten N (omdreininger/kWh), og den er

Elektriske anlegg - energiforsyningen

6 Kjøp og salg av energi

angitt foran på måleren. Det mekaniske telleverket kan erstattes med en elektronisk teller. Målerakselen er da forsynt med en induktiv giver som gir impulser til telleren. Målere for avregningsformål blir utført i klasse 2. Det betyr at måleren vil vise maksimalt ± 2 % opp til merkestrøm. Resulterende strøm -i

L Strømspole Skiven sett ovenfra

Figur 6.3 KWh-måler, ettsystems induksjonsmåler

Figur 6.4 Tilkoplingsskjema for en ettsystemsmåler til bruk i et enfaset TN-nett og tofaset TT- og IT-nett

237

Elektriske anlegg - energiforsyningen

6 Kjøp og salg av energi

Der vi skal måle energien i trefasenett, blir målerne utstyrt med flere strøm- og spenningsspoler etter behov. Disse kan måle den totale energien, også ved usymmetrisk belastning.

Figur 6.5 Tilkoplingsskjema for en tosystemsmåler til bruk i trefaset TT- og IT-nett

Figur 6.6 Tilkoplingsskjema for en tresystemsmåler til bruk i et trefaset TN-nett med nøytralleder 238

Elektriske anlegg - energiforsyningen

6 Kjøp og salg av energi

Boliginstallasjoner

I vanlige boliginstallasjoner blir målerne montert inn i sikringsskapet etter at den øvrige installasjonen er ferdig. I slike installasjoner er det vanligvis ikke behov for strømeller spenningstransformatorer i målekretsene. Rekkeføl­ gen på utstyret i sikringsskapet framgår av figur 6.7.

Ledningsforbindelsene

Ledningsforbindelsene mellom den jordfeilbryteren som er vist, og sammenkoplingsskinnene for kurssikringene, eventuelt via strømtransformatoren for kjøkken wattmeteret, blir kalt målesløyfer. Vi bruker vanligvis 10 mm2 isolerte PN-ledere, som blir lagt i en sløyfe som er så lang at energiverket kan kople inn måleren uten problemer.

239

Elektriske anlegg - energiforsyningen

6 Kjøp og salg av energi

Der vi av en eller annen grunn har behov for å gå utenom jordfeilbryteren med en del av installasjonen, blir rekkeføl­ gen på utstyret i sikringsskapet en annen enn den som er vist på figur 6.7. Det må vi i tilfelle ta hensyn til. Strømtransformatorer

I større installasjoner kan det ofte være behov for å bruke strømtransformatorer, og i visse tilfeller eventuelt også spenningstransformatorer. Måleren koples så til sekundær­ siden av disse. Når vi bruker slike transformatorer, må vi også bruke en såkalt måleomkopler mellom transforma­ torene og måleren.

Måleomkopleren

Måleomkopleren er utført slik at vi på en enkel måte kan kortslutte strømtransformatorene når vi for eksempel skal skifte måler e.l. Dessuten kan vi på en enkel måte kople inn instrumenter eller andre målere for kontrollmåling.

Når vi bruker slike måleomkoplere, må vi utføre ledningsforbindelsene for spenningsmålingen kortslutningssikkert. Dette kan utføres enten ved hjelp av spesialstrømper, eller ved å bruke sikringer i disse ledningsforbindelsene. I noen av skjemaene er det vist sikringer. Ledningene fra strømtransformatorene skal være minst 2,5 mm2.

Figur 6.8 Eksempel på en måleomkopler En måleomkopler, for eksempel MOK 380 V, for trefasemålere med tre strømsystemer er satt sammen av to grupper strømklemmer, hver med to SAKT 2 og en gruppe spenningsklemmer med fire SAKT 1. Alle klemmene er forsynt med bøssinger for kontrollmålinger og/eller til­ kopling av kontrollmåler. Vi kan kortslutte strømtrans240

Elektriske anlegg - energiforsyningen

6 Kjøp og salg av energi

formatorene ved å kortslutte klemmene 1 og 3, 4 og 6, 7 og 9. Måleomkopleren er komplett merket og ferdig til bruk. Boksdimensjoner: Lengde 151 mm, bredde 110 mm, høyde 85 mm.

Figur 6.9 Tilkoplingsskjema ved hjelp av strømtransfor­ matorer for bruk i TN-nett med nøytralleder

Elektroniske målere Innholdet i dette avsnittet er i stor grad hentet fra Enermets brosjyrer og datablader. Måleverk av elektroniske kretser

Elektroniske målere har et måleverk som er bygd opp av elektroniske kretser. Spenning og strøm blir matet inn direkte eller via strøm- og til dels spenningstransformatorer. Mikrokretsen behandler og omsetter disse størrelsene til kWh-verdier som vises på telleverket.

241

Elektriske anlegg - energiforsyningen

6 Kjøp og salg av energi

Den helelektroniske kWh-måleren i klasse 2 har svært få komponenter. Der har derfor høy driftssikkerhet, stort måleområde, stor nøyaktighet, liten størrelse og lav vekt. Måleren fungerer tilfredsstillende over et stort temperaturområde, fra-40 °C til + 60 °C. Regneverket

Regneverket består av en servicefri steppmotor av høy kvalitet og et mekanisk telleverk. Det mekaniske tellever­ ket består av seks sifferruller. Den høyre sifferrullen er utstyrt med strekgradering for å lette kontrollen av måleren.

Fordelene

En av de store fordelene med den elektroniske måleren er at den overvåker seg selv, og den gir indikering på ulike tilstander: -

For kontroll av kalibrering og funksjon er det plassert en gul lysdiode på målerens skilt.

-

Målekonstanten er 480 impulser per kWh for direkte tilkoplede målere, og 4800 impulser per kWh for transformatortilkoplede målere. Frekvensen leses av med for eksempel Enermets avtastehode STV1, som også kan koples direkte til testutgangen ved hjelp av en adapterkabel.

-

Spenningskretsens kontroll skjer med en rød lysdiode, som slokker hvis spenningen i en eller flere faser for­ svinner eller om spenningsawikene er større enn 40 %. Funksjonen er omvendt i tresystemsmålere.

-

I dobbelttariffmåleren er det plassert to grønne lysdioder i overkant av telleverkene. De viser hvilket telleverk som er i funksjon.

Kalibrering

Måleren kalibreres ved hjelp av tre trimmepotensiometre og den gule lysdioden (480/4800 impulser per kWh) eller testutgangen (30 720/307 200 impulser per kWh).

Tilkopling

Direktekoplede målere har klemmebrett med 6,6 mm dia­ meter klemmeboringer med koniske innføringer for mak­ simalt 16 mm2 kabel med hylse. Transformatortilkoplede målere har 5,5 mm diameter klemmeboringer med koniske innføringer. Alle målere kan utrustes med fire ekstra klemmer med 3,3 mm diameter boring til for eksempel tariffstyring.

242

Elektriske anlegg - energiforsyningen

6 Kjøp og salg av energi

Tilkoplingsskjemaer for noen elektroniske målere er vist på figur 6.10:

Figur 6.10 Tilkoplingsskjemaer

243

Elektriske anlegg - energiforsyningen

6 Kjøp og salg av energi

i__________

Figur 6.11 Byggemål for den elektroniske måleren

Den elektroniske energimåleren tar vesentlig mindre plass enn induksjonsmåleren. Eksempler på strømtransformatorer

244

Figur 6.12 viser eksempler på strømtransformatorer fra LK-NES til bruk blant annet for energimålinger.

Elektriske anlegg - energiforsyningen

6 Kjøp og salg av energi

Figur 6.12 Strømtransformatorer

Sammendrag Energiloven fastsetter betingelsene for kjøp og salg av elektrisk energi. Energiverket har blant annet leverings­ plikt i sitt konsesjonsområde, mens abonnenten fritt kan

245

Elektriske anlegg - energiforsyningen

6 Kjøp og salg av energi

velge leverandør. Når abonnenten kjøper energi fra en annen leverandør, skal det lokale energiverket kreve nettleie for energien som blir overført til abonnenten. Leveringskvaliteten skal avtales. Størstedelen av energien blir levert til egne abonnenter etter faste kontrakter. Resten av den elektriske energien (25-30 %) blir omsatt på det åpne energimarkedet, som fungerer etter børsprinsippet. På det åpne energimarkedet er det først og fremst tre hovedtyper av kontrakter som er aktuelle. Det er grunnkraftkontrakter og dagkraftkontrakter i ukemarkedet og forskjellige kontrakter i døgnmarkedet (spotmarkedet). Hvert energiverk kan fastsette priser og leveringsbeting­ elser ut fra sin økonomiske situasjon, og tariffene varierer derfor en del. Husholdningstariffene (H4) er beregnet for familieboliger, hybelleiligheter, hybler, gårdsbruk, hytter, fritidsboliger, feriehjem, aldershjem, barnehjem, herberger, internater osv. De forskjellige husholdningstariffene har i prinsippet en standardisert oppbygning. Hvor mye energi en privathusholdning forbruker, avhenger blant annet av om det blir brukt elektrisk oppvarming eller ikke.

Tariffer for næringsvirksomhet (T3, T4 osv.) blir vanligvis brukt i forbindelse med håndverk, industri, kontorer, forretninger, hoteller, skoler og andre private og offentlige administrasjons- og institusjonsbygninger som ikke blir dekket av H4-tariffer. Energiforbruket i næringsvirk­ somheter er som regel inndelt i tre eller fire forskjellige tariffer, avhengig av energimengden og det spennings­ nivået energien blir tatt ut på.

Måling av elektrisk energi skjer ved hjelp av kWh-målere. Det finnes i prinsippet to typer målere: induksjonsmålere og elektroniske målere. Induksjonsmålere, som ikke lenger er i produksjon, finnes i de fleste eldre installasjonene. I alle nyere installasjoner og ved utskifting av eldre målere blir det i dag satt inn elektroniske målere. Der vi har store strømmer og derfor må bruke strømtransformatorer, må vi også benytte måleomkoplere.

246

Elektriske anlegg - energiforsyningen

7 Nødstrøms- og reservestrømsforsyning

7 Nødstrømsog reservestrøms­ forsyning Kapitlet omhandler •

konsekvenser ved avbrudd i energiforsyningen

•

hvordan nødstrøms- og reservestrømsforsyningen kan utformes

•

batterianlegg: statisk avbruddsfri strømforsyning, miljøhensyn, brann- og eksplosjonsfare ved for­ skjellige batterier, pass og vedlikehold av akkumu­ latorer

•

nødgeneratorer og betingelsene for innfasing av en generator på det ordinære nettet, innfasing, prøvekjøring og periodisk kontroll av nødgeneratorer, synkrongeneratorens virkemåte og forskjellige koplingsmåter, magnetisering av polhjulet, regulering av spenning og avgitt effekt, asynkrongeneratorer, likestrømsgeneratorer

247

Elektriske anlegg - energiforsyningen

7 Nødstrøms- og reservestrømsforsyning

7.1 Sikker strømforsyningREGULARITET Som vi antydet i kapittel 6, kan vi ikke alle steder og i alle situasjoner garantere sikker energiforsyning hele tiden. Uvær, driftsforstyrrelser og feil i nettet og liknende forhold gjør at vi må regne med en viss uregelmessighet i energi­ forsyningen, avhengig av geografisk beliggenhet og befolkningstetthet. Avbrudd i energiforsyningen

I de fleste tilfeller vil et avbrudd i energiforsyningen forårsake ulemper og irritasjon, men det får ingen alvorlige konsekvenser. Vi trenger altså ikke å foreta kostbare investeringer for å unngå avbrudd. I noen tilfeller kan imid­ lertid slike avbrudd få katastrofale følger, og i disse tilfellene må vi foreta oss noe for å redusere, eventuelt for­ hindre, skadene.

Hva avbrudd betyr:

Før vi ser på hva vi kan gjøre for å forhindre eller redusere skadene som skyldes brudd i energiforsyningen, skal vi se på hva slike avbrudd har å bety for samfunnet, for industri og næringsliv, og for den enkelte.

— for samfunnet

For samfunnet er det først og fremst viktig at bedrifter, næringsliv og offentlig virksomhet ikke stopper opp. Hvis vi får avbrudd i energiforsyningen til et større område, kan det føre til økonomiske tap for samfunnet i form av tapt skatteinngang, offentlig virksomhet kan stoppe opp, og vi kan få menneskelige belastninger i form av stress, skader, psykiske påkjenninger o.l. som belaster offentlige budsjet­ ter. Brudd i energiforsyningen kan også under visse forut­ setninger (for eksempel brudd i overføringslinjer) føre til dårligere ressursutnyttelse og gi reduksjon i salg av kraft til utlandet. Sykehus må investere i nødstrøms- og reservestrømsforsyninger som belaster budsjettene.

— for industri og næringsliv

For industri og næringsliv vil den direkte virkningen bli at virksomheten stopper opp, med de følger det har i form av tapt produksjon, arbeidskraft på tomgang osv. Spesielt vil deler av landbruket føle konsekvensene av manglende strømforsyning. Her har vi melkemaskiner, ventilasjon og varme for griser, høns osv. som må ha en stabil energifor­ syning. Hvis energiforsyningen opphører, kan vi få store økonomiske tap (dyr kan omkomme). Alternativet er

248

Elektriske anlegg - energiforsyningen

7 Nødstrøms- og reservestrømsforsyning

kostbare løsninger med nødstrøms- eller reservestrøms­ forsyninger. Punkt 313.2 og kapittel 35, 55 og 56 i FEB fastsetter kravene som blir stilt til slike anlegg, og i noen grad også hvordan anlegget skal utføres. Ventilasjon og oppstilling av akkumulatoranlegg er behandlet i § 806, og trans­ portable generatorer i § 816.

7.2 Oppbygning og virkemåte Nødstrøms- og reservestrømsforsyninger

Nødstrøms- og reservestrømsforsyninger kan være svært ulike i utforming og virkemåte. Det har å gjøre med hvilke funksjoner eller oppgaver forsyningen skal dekke, og hvilke konsekvenser et avbrudd i den ordinære energifor­ syningen vil få.

For de enklere anleggene, der vi kan akseptere et lite av­ brudd i strømforsyningen, som nødlys, alarmanlegg og liknende, kan løsningen være et tørrbatterianlegg, eller et akkumulatoranlegg matet ved hjelp av en automatisk ladelikeretter. Der vi ikke kan akseptere avbrudd i strømforsyningen, må vi for eksempel bruke en statisk avbruddsfri strømforsy­ ning — UPS. Det gjelder særlig for dataanlegg, medisinske overvåkings- og kontrollsystemer, operasjonssaler og liknende. Hvis vi har behov for større energimengder, må vi bruke en eller annen form for generator. En slik generator blir som regel drevet av en bensin- eller dieselmotor, gasstur­ bin eller liknende. Her må vi akseptere et kortere avbrudd i strømfor syn i ngen. Kostbare i anskaffelse

Slike nødstrømsforsyninger er kostbare i anskaffelse, og de krever periodisk kontroll, ettersyn, prøvekjøring og inspeksjon. Vi må derfor ha et reelt behov for nødstrøm før vi bestemmer oss for å installere et slikt anlegg. Der behovet er til stede må vi også vurdere nøye hvilken type anlegg det er behov for og hvor stort energibehovet er. I visse tilfeller er det offentlige myndigheter som krever nødstrømsforsyning, som antydet i punkt 313.2 i FEB, og da er det bare anleggstype og energibehov som må vurderes.

249

Elektriske anlegg - energiforsyningen

7 Nødstrøms- og reservestrømsforsyning

Kan vi akseptere avbrudd?

Et av de første spørsmålene vi må besvare når vi skal vurdere hvilken type anlegg vi trenger, er om vi kan akseptere avbrudd i energiforsyningen, og i tilfelle hvor lenge. Se § 352 «Klassifisering». Denne paragrafen sier at slike anlegg kan deles inn i to hovedtyper, om start/innkopling foretas manuelt, eller om det skjer automatisk. Hvis det skjer automatisk, må vi altså vurdere om vi kan akseptere avbrudd i energiforsyningen, og hvor lenge lenge avbruddet kan vare.

Energibehov

Dessuten må vi se på hvor stort energibehov vi har, og ut fra dette bestemme hvilken type strømkilde vi har behov for. Se § 351. Iblant kan det være behov for en kombina­ sjon av strømkilder, der for eksempel noe blir matet over en avbruddsfri forsyning, mens de delene av anlegget som tåler et visst avbrudd, kan bli matet fra en generator. Når vi skal velge nødstrømssystem, må vi også vurdere konsekvensene, både de sikkerhetsmessige og de økono­ miske. Der vi bare har små energibehov, og der vi kan akseptere et visst avbrudd, kan et anlegg matet fra et tørrbatteri være tilstrekkelig. En av de største betenkelighetene med et slikt anlegg er at batteriene kan være selvutladet når behovet for nødstrøm oppstår. Anlegget krever derfor periodisk kontroll som må være så sikker at slike situasjoner ikke oppstår. Eventuelt må vi foreta en periodisk utskifting.

Akkumulatoranlegg

Et akkumulatoranlegg matet via en automatisk ladelikeretter, vil gi likestrøm som nødstrøm. Den kan uten videre brukes til nødlys, alarmanlegg, startutrustninger osv. Et slikt anlegg vil gi et visst avbrudd i strømforsyningen, alt etter hvordan vi arrangerer omkoplingsautomatikken, men omkoplingen skjer altså automatisk. Ulempen med et slikt anlegg er at vi må foreta relativt hyppig ettersyn med akkumulatorbatterier. Det er i henhold til drifts- og skjøtselsinstruksjonen fra fabrikanten. Akkumulatorer kan være enten tette, ventilerte eller ventilregulerte ifølge § 806. Fra de ventilerte og de ventilregulerte kan vi ha utslipp av korrosive, eksplosjonsfarlige og brannfarlige gasser i større eller mindre grad. Syre og lut representerer også en viss helsefare fordi stoffene er etsende. Dessuten kan de skade miljøet.

250

Elektriske anlegg - energiforsyningen

7 Nødstrøms- og reservestrømsforsyning L1, L2, L3

Nødstrøm

I AkkumulatorI batteri

Figur 7.1 Prinsipiell oppbygning av en nødstrømsforsyning ved hjelp av akkumulatoranlegg Statisk avbruddsfri strømforsyning — UPS

For anlegg der vi må ha avbruddsfri forsyning, må vi velge en statisk avbruddsfri strømforsyning — UPS. Den er bygd opp slik at den ordinære energiforsyningen mater en likeretterenhet som i sin tur lader et akkumulatorbatteri. Akkumulatorbatteriet mater så anlegget som skal forsynes kontinuerlig via en vekselretter, slik at vi får vekselstrøm. I dette tilfellet går altså den ordinære energiforsyningen via nødstrømsforsyningen. Hvis vi får et avbrudd i den ordinære energiforsyningen, skal det være tilstrekkelig reserve i akkumulatorbatteriet til å dekke energiforsynin­ gen inntil vi får den ordinære forsyningen tilbake, eventuelt til vi får startet opp reservegeneratorer.

Også her krever akkumulatoranlegget periodisk kontroll og ettersyn ifølge drifts- og vedlikeholdsinstruksjonen. Anlegget kan utvikle gass som kan være brann-, eks­ plosjons- og korrosjonsfarlig, og den kan være helsefarlig og miljøskadelig.

Figur 7.2 Prinsippet for nødstrømsforsyning ved hjelp av statisk avbruddsfri strømforsyning — UPS

Nødgeneratorer

Der vi har behov for større energimengder, og der vi kan akseptere et visst avbrudd i energiforsyningen, kan vi bruke en eller annen form for nødgenerator. Her kan det

251

Elektriske anlegg - energiforsyningen

7 Nødstrøms- og reservestrømsforsyning

være aktuelt å velge mellom manuell eller automatisk inn­ kopling av anlegget.

De aktuelle generatortypene kan være synkron- og asynkrongeneratorer, eller forskjellige typer likestrømsgeneratorer. De kan bli drevet av bensin- eller dieselmotorer. Innenfor landbruket kan traktoren også bli brukt som drivmaskin, enten ved hjelp av reimdrift eller med kraftoverføringsaksel. Hvis energibehovet er stort, kan vi for eksempel bruke en gassturbin. §551 «Generatorer for lavspenning» fastsetter kravene til generatorerene, både permanent installerte og transportab­ le. For øvrig fastsetter kapittel 56 spesielle krav til slike nødstrømsforsyninger.

Fl F2 F3 F4 G1 H1

-

Overstrømsvern Jordfeil bryter Styrestrøm sikringer Over og underspenningsvern Generator Lampe, indikerer drift

K1 N PE Rj

-

Hoved kontaktor N-punkt PE-leder Resistans

51 - Stopp 52 - Start

Figur 7.3 Generator med bryterutstyr og vern for IT- og TT-system hentet fra § 816 i FEB

252

Elektriske anlegg - energiforsyningen

7 Nødstrøms- og reservestrømsforsyning

§551 skiller mellom generatorer som arbeider uavhengig av annen strømforsyning, og generatorer som arbeider parallelt med alminnelig strømforsyning eller annen strømforsyning. § 816 «Transportable generatorer» fastsetter de kravene som kommer i tillegg til § 551 for transportable generato­ rer. Den stiller krav både til drivmotorer, generatorer og nødvendig utstyr for drift og vem av nødstrømsaggregater. På figurene 7.3 og 7.4 er det gjengitt prinsippskisser som angir bryterutstyr og vem for generatorer for IT- og TTsystem, og dessuten TN—S-system.

Fl F2 F3 F4 G1 Hl

-

Overstrømsvern Jordfeil bryter Styrestrøm sikringer Over og underspenningsvern Generator Lampe, indikerer drift

K1 N PE Rj

-

Hoved kontaktor N-punkt PE-leder Resistans

51 - Stopp 52 - Start

Figur 7.4 Generator med bryterutstyr og vern for TNSsystem hentet fra § 816 i FEB

253

Elektriske anlegg - energiforsyningen

7 Nødstrøms- og reservestrømsforsyning

7.3 Batterianlegg 7.3.1

Tørrbatterier

(GALVANISKE ELEMENTER) Vi har tidligere sett at hvis stoffer som står langt fra hverandre i spenningsrekka, kommer i kontakt med hverandre ved hjelp av en elektrolytt, oppstår det en ionevandring, og vi får ulike potensialer på de to stoffene. Det mest negative (—) blir anode, og det positive (+) katode. Anoden blir etter hvert tært opp, og når den er tært helt opp, har vi ikke lenger en negativ elektrode, og derfor heller ikke et virksomt element. De første galvaniske elementene var såkalte våte elemen­ ter. Det var åpne glasskar med en væske (elektrolytt) som det var satt to metallplater ned i, for eksempel kopper og sink. Et slikt element vil ha en elektrolytisk spenning på 1.1 V. Dette elementet blir kalt Daniells element etter oppfinneren. Elektrolytten er her en sinksulfatoppløsning og koppersulfatoppløsning. Hvis elektrodene blir forbun­ det over en motstand, blir det felt ut kopper på kopperelektroden, mens sinkelektroden avgir sinkioner. Elemen­ tet er virksomt så lenge det er sink igjen eller Cu++-ioner i koppersulfatoppløsningen. Slike våte elementer er blitt erstattet av tørre elementer som er enklere i praktisk bruk. Tørrelement

Det vanligste tørrelementet består av en sinkbeholder som samtidig er den negative elektroden (anoden). Midt i be­ holderen står en karbonstav som er den positive elektroden (katoden). Elektrolytten inne i beholderen er en salmiakkoppløsning (NH4C1) tilsatt et bindemiddel, slik at det blir svært tyktflytende. Det blir gjort ved å la elektrolytten bli sugd opp i sagflis, eller ved å blande den opp med gelatin og gips.

Når det går strøm gjennom elementet, blir det utviklet ammoniakk (NH3) ved anoden. Elementets elektromotoriske spenning vil derfor synke raskt ved belastning. Dette fenomenet kalles polarisasjon. For å motvirke polarisasjo­ nen, omgir vi karbonstaven med brunstein (MnCf), som har til oppgave å omdanne hydrogengassen til vann (H0O). Elementet er utladet (oppbrukt) enten når sinken er

254

Elektriske anlegg - energiforsyningen

7 Nødstrøms- og reservestrømsforsyning

tært helt opp, eller når brunsteinen er gått med til å nøytralisere hydrogengassen. Elementets elektromotoriske spenning (ems) er 1,5 V og den indre resistansen ca. 0,1 Q. Fordi sinken etter hvert blir hullet, er det en viss risiko for at elektrolytten vil lekke ut, selv om den er tyktflytende. Derfor bør vi fjerne slike elementer fra apparater som ikke er i bruk. Galvaniske elementer kan ikke lades opp igjen. De bare omformer kjemisk energi til elektrisk energi. Derfor kalles de iblant primærelementer.

Alle slike elementer har en viss selvutlading. Den øker med økende temperatur, og derfor bør de lagres kaldt. I de senere år er det utviklet en hel rekke forskjellige tørr­ elementer og tørre akkumulatorer. Mange av dem inne­ holder miljøfarlige tungmetaller, men i det siste er det kommet andre elementer der disse tungmetallene er byttet ut med mindre farlige stoffer. Ulike tørrelementer

Av ulike tørrelementer kan vi nevne: — kvikksølvelementer — alkaliske manganelementer — litiumelementer — sølvoksidelementer — sølvkloridelementer

Kvikksølvelementer

Kvikksølvelementer har katode av kvikksølvoksid (HgO), og anode av sink. Elektrolytten består av kaliumhydroksid (KOH), og den elektromotoriske spenningen er 1,3 V. Større kvikksølvelementer blir framstilt som stavelementer, mens de mindre ser ut som små mynter. De små elementene blir for eksempel brukt i høreapparater.

Alkaliske manganelementer

Alkaliske manganelementer har katode av mangandioksid ( MnO2) tilsatt noe grafittpulver, og anode av sammenpres­ set sinkpulver. Elektrolytten er også her kaliumhydroksid.

Noen av disse elementene kan lades opp igjen mange ganger, og er altså egentlig akkumulatorer. Manganelementet har spesielt lav indre resistans, og kan belastes relativt mye i forhold til andre elementer. Den elektro­ motoriske spenningen er 1,5 V.

255

Elektriske anlegg - energiforsyningen

Litiumelementer

7 Nødstrøms- og reservestrømsforsyning

Litiumelementer har anode av litium (Li), mens katoden kan være av forskjellige materialer, blant annet svoveldioksid (SCL) høytrykkselement, tionylklorid (SOC1J med høy energitetthet osv. Den elektromotoriske spenningen er mellom 1,5 og 3,9 V, avhengig av katodematerialet. Med tionylklorid er ems = 3,6 V. Elementet er ikke ladbart, og det er som regel sikret mot kortslutning (10 A sikring), lading o.l. Elektrolytten (porøs karbonmasse og SOC12) må ikke inneholde vann eller komme i kontakt med vann. Elementet er derfor hermetisk kapslet i rustfritt stål.

Fordi elementet ikke inneholder tunge metaller, er det også miljøvennlig. Det har en svært høy energitetthet (500-800 mWh/cm3, dvs. 8—10 ganger høyere enn vanlige tørrelementer som består av sink og karbon, og 10-12 ganger høyere enn NiFe-akkumulatore)r. Elementet kan arbeide over et svært stort temperaturområde (—40 til +70 °C). Selvutladingstiden er lengre enn 10 år. Det har et stort bruksområde, blant annet i Fyrvesenet. Sølvoksidelementer

Sølvoksidelementer har katoder av sølvoksid (Ag2O), mens anodene er av sink. Elektrolytten er kaliumhydroksid. Den elektromotoriske spenningen er 1,5 V. Disse elementene blir særlig brukt i elektroniske ur og høre­ apparater.

Sølvkloridelementer

Sølvkloridelementer har katoder av sølvklorid (AgCl) og anoder av magnesium (Mg). Elektrolytten er av natriumklorid. Den elektromotoriske spenningen er 1,7 V. Elementet har stor kapasitet og kan avgi stor laststrøm. De brukes blant annet til livbåtbelysning.

Elvis vi kopler flere elementer sammen i serie, parallell eller i en kombinasjon av disse, får vi et batteri. Dette gjelder også cellene i en akkumulator. Se videre om be­ regningsmetoder for slike koplinger i avsnitt 2.3 i Elekt­ riske anlegg —bygningsinstallasjoner. Kapasiteten til et element

256

Kapasiteten til et element eller et batteri måler vi vanligvis i amperetimer (Ah). Det er et mål for hvor lang tid et element eller et batteri kan avgi en viss strøm. Hvis et batteri har en kapasitet på 50 Ah, betyr det for eksempel at vi kan trekke 10 A ut av batteriet i 5 timer, eller 5 A i 10 timer. Kapasiteten til akkumulatorer blir angitt på samme måte.

Elektriske anlegg - energiforsyningen

7 Nødstrøms- og reservestrømsforsyning

7.3.2 Lagrer elektrisk energi

0

Akkumulatorer

A akkumulere betyr å lagre, og i en akkumulator lagrer vi elektrisk energi, dvs. vi omformer elektrisk energi til kjemisk energi, og når vi har bruk for elektrisk energi, omformer vi den kjemiske energien til elektrisk igjen.

Det finnes flere typer akkumulatorer, men det er bare blyog NiFe- eller nikkel-kadmium-akkumulatorer som er aktuelle. De siste kalles også alkaliske akkumulatorer.

Blyakkumulatoren Blyakkumulatoren, som også blir kalt syreakkumulator, består av celler med negative plater av bly (Pb), og positive plater av blydioksid (PbO2). Som elektrolytt bruker man fortynnet svovelsyre (H2SO2 + H2O). Når cellen er utladet, går begge platene over til blysulfat (PbSO4), mens elektrolytten får en lavere konsentrasjon av svovelsyre. Elektrolytten deltar altså i den kjemiske prosessen, og tettheten er derfor et godt mål på ladetilstanden. Til å måle tettheten av elektrolytten bruker vi en syremåler (et densimeter). Kopling av celler

Flere celler koplet i serie, i parallell eller i serie-parallell danner et batteri.

Elektrolyttens tetthet

For fullt oppladede stasjonære batterier er elektrolyttens tetthet 1220-1240 kg/m3, og for bilbatterier 1280 kg/m3. Når tettheten er sunket til 1160-1180 kg/m3, bør batterie­ ne lades. Syrens ledningsevne er best ved 1240 kg/m3. Lavere syretetthet gir dårligere kapasitetsutnyttelse. Høyere syretetthet resulterer i økende korrosjon. Hvis syretettheten blir ekstremt høy (ved etterfylling med syre istedenfor med destillert vann), blir batteriet ødelagt.

Den kjemiske prosessen

Den kjemiske prosessen til blyakkumulatoren kan skrives slik:

utlading => Pb + 2H2SO4 + PbO2 PbSO4 + 2H2O + PbSO4

2 Ni(OH)3 + Fe < == > 2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2

2 Ni(OH)3 + Cd < == > 2 Ni(OH)2 + Cd(OH)2 t e2 = é- sin (wt- 120°) e3 = é • sin (co t —240°) Hvis vi summerer de tre spenningene e}, e2 og e3 i diagrammet ovenfor, ser vi at summen av spenningene alltid er 0. Ved hjelp av kjente setninger fra geometrien kan vi også vise at vektorsummen av de tre spenningene er lik null: eX + e2 + e3 = 0

I generatoren i vårt eksempel har vi tatt ut to uttaksledninger for hver vinding. Det er ikke nødvendig. Vi kan kople vindingene sammen i en Y-kopling (stjemekopling) eller i en A-kopling (trekantkopling).

Som regel Y-koplet

266

Trefasegeneratorer er som regel Y-koplet, selv om Akopling forekommer i spesielle tilfeller.

Elektriske anlegg - energiforsyningen

7 Nødstrøms- og reservestrømsforsyning

Y-kopling av generatorer Hvis vi kopler sammen alle begynnelser av vindingene og tar ut sluttendene, har vi en Y-kopling eller stjemekopling. Vi kan selvfølgelig gjøre det omvendt. Da kopler vi sammen alle sluttendene og tar ut alle begynnelsene. Det viktige er at vi enten må ta alle begynnelser eller alle slutt­ ender til nøytralpunktet, og ikke blande sammen begynnel­ ser og sluttender.

Tenker vi oss vindingene tegnet i den retningen de har i generatoren, får vi følgende bilde: L3 L2

1S

Figur 7.10 Y-kopling eller stjernekoling

Dette danner en Y eller en stjerne, derav navnene.

Vi kunne tegnet vindingene i en hvilken som helst retning, bare vi har 120° mellom fasene, men det koplingsbildet som er vist, er det vanligste. Vindingen her symboliserer jo bare vektoren av spenningen indusert i vindingen, og vektoren roterer med a> t rad/s. Derfor kan vi avbilde den i en hvilken som helst retning. Det punktet der vi kopler sammen endene av viklingene, kaller vi nøytralpunktet.

De induserte spenningene i de tre vindingene danner som nevnt vektorer der alle spenningene har felles nøytralpunkt og er faseforskjøvet 120°. I prinsippet er det de samme vektorene som vi viste i diagrammet på forrige side.

267

Elektriske anlegg - energiforsyningen

7 Nødstrøms- og reservestrømsforsyning

Figur 7.11 Y-koplede spenningsvektorer

Spenningene e}, e2 og e3 er like store og har effektivverdiene E}, É2 og E3. Spenningene vi måler mellom generatorens klemmer og nøytralpunktet, kaller vi hen­ holdsvis U\, U2 og U3, fordi U} = Ex -AU osv. Det er disse spenningene vi kaller generatorens faseklemmespenninger. Hovedspenningen U

Hovedspenningen U, dvs. spenningen mellom faselederne, for eksempel 1 og 2, er D12 - ux -u2 = Df • /3

og tilsvarende for de andre spenningene.

i / I tyr'

forskyves, slik at den tegnes mellom topp-punktet for spenningene IZ, og U,. Tilsvarende for de andre spenningene.

Figur 7.12 Fasespenninger og hovedspenninger ved Ykopling 268

7 Nødstrøms- og reservestrømsforsyning

Elektriske anlegg - energiforsyningen

— = (7,2 • cos 30° 2 Un = 2 • cos 30° • U2 = 2 • 0,866 • U2 = Hovedspenningen U = • a/3

• U2

Generelt er hovedspenningen U - U{ • /3 for en Ykopling. I visse tilfeller, for eksempel i forbindelse med lavspenningsanlegg med spenninger mellom 230 og 1000 V med direkte jordet nøytralpunkt, tar vi nøytralpunktet med ut i anlegget. Da får vi tilgang til både fasespenninger og hovedspenninger. Her må vi imidlertid konferere med forskrifter for elektriske anlegg, fordi det i praksis er mange begrensninger og reguleringer vi må ta hensyn til.

A-kopling av generatorer Hvis vi kopler slutten av en vinding sammen med begyn­ nelsen av den neste, vil koplingsbildet se slik ut:

----- ---- --------------------------------------------------------------------- L1

Figur 7.13 A-kopling eller trekantkopling

Vindingene er her tegnet slik at de er forskjøvet 90° i forhold til den retningen vindingen er tegnet på figur 7.10. Dette har bare tegnetekniske konsekvenser. Som vi har nevnt tidligere, kan vi tegne vindingene i en hvilken som helst retning. Fasespenningen Uf lik hovedspenningen U

Her vil fasespenningen t7f være lik hovedspenningen U. Én og samme generator vil levere \/3 lavere hovedspenning enn hvis den ble Y-koplet. Generatoren kan imidlertid levere tilsvarende større strøm.

269

Elektriske anlegg - energiforsyningen

7 Nødstrøms- og reservestrømsforsyning

Vi kan heller ikke bruke nøytralleder her, fordi det ikke finnes noe nøytralpunkt. A-koplede generatorer blir bare brukt til helt spesielle formål.

Magnetiseringen Magnetiseringsstrømmen via sleperinger

Vi har sett at magnetiseringsstrømmen blir overført til polhjulet enten via sleperinger, eller ved hjelp av induksjon, som i den børsteløse generatoren.

De generatortypene som er aktuelle i forbindelse med nødstrøms- og reservestrømsanlegg, er i dag stort sett egenmagnetiserte. Eldre generatorer var i større grad fremmedmagnetiserte, og magnetiseringen skjedde fra en egen magnetiseringsgenerator som var plassert på den samme akselen som hovedgeneratoren. Denne magnetiseringsgeneratoren var i sin tur egenmagnetisert. Egenmagnetisering

Med egenmagnetisering forstår vi at polene i generatorens rotor har en viss restmagnetisme (remanent magnetisme) igjen når de står stille. Når generatoren blir satt i bevegelse ved hjelp av drivmotoren, vil den lille restmagnetismen indusere en liten spenning i primærviklingene. Denne spenningen blir så likerettet og matet inn på magnetiseringsviklingen, og den vil forsterke det remanente feltet. På denne måten forsterker feltet seg, og spenningen i primær­ viklingene øker til vi har nådd merkespenningen.

Hvis vi likeretter primærspenningen i en statisk likeretter utenfor generatoren, må vi overføre magnetiserings­ strømmen (likestrømmen) til rotoren via to sleperinger. Børstene blir etter hvert slitt ned, og de må skiftes med jevne mellomrom. På grunn av støv fra børstene er det av og til nødvendig å rengjøre generator og utstyr. Vi må altså sørge for vedlikehold og periodisk kontroll av slike generatorer.

270

Elektriske anlegg - energiforsyningen

7 Nødstrøms- og reservestrømsforsyning

Figur 7.14 Prinsippet for magnetisering av en generator med sleperinger Børsteløs generator

Ved å overføre primærspenningen (vekselspenning) til rotoren ved hjelp av induksjon og likerette spenningen i rotoren før den mates inn på magnetiseringsviklingen, unngår vi sleperinger og børster. Vi har da en børsteløs generator som i prinsippet er en vedlikeholdsfri generator. Børsteløse generatorer krever også periodisk kontroll, men noe vedlikehold er det egentlig ikke snakk om. Den er i dag den mest brukte generatoren i nødstrøms- og reservestrømsanlegg.

Figur 7.15 Prinsippet for magnetisering i en børsteløs generator

271

Elektriske anlegg - energiforsyningen

7 Nødstrøms- og reservestrømsforsyning

Figur 7.16 Rotoren i en børsteløs generator fra ABB

Regulering Regulere spenningen

Vi kan regulere spenningen ved å regulere magnetiseringen, dvs. ved hjelp av spenningsregulatoren. Hvis generatoren blir drevet i parallell med annen strømforsy­ ning, vil generatoren levere mer reaktiv effekt jo mer vi regulerer opp spenningen, og omvendt hvis vi regulerer den ned.

Avgitt effekt reguleres

Den avgitte effekten blir bestemt av den belastningen vi kopler inn, og den reguleres automatisk ved at drivmotoren får tilført mer eller mindre drivstoff via brennstoffregulatoren. Hvis generatoren blir drevet i parallell, vil den over­ ta mer av den totale aktive effekten hvis vi stiller regulato­ ren slik at den tilfører drivmotoren mer drivstoff, og omvendt hvis vi regulerer den ned.

7.4.3

Generator i vindmøller

272

Asynkrongeneratorer

Asynkrongeneratorer er ikke vanlige i nødstrøms- og reservestrømsanlegg, men som generator i vindmøller er den stort sett enerådende.

Elektriske anlegg - energiforsyningen

7 Nødstrøms- og reservestrømsforsyning

Hvis en trefaset asynkronmotor som er tilsluttet et spen­ ningsførende nett, drives rundt av en drivmotor med et tur­ tall som er litt høyere enn motorens synkrone turtall, vil motoren fungere som en generator og sende strøm ut i nettet. Samtidig vil den trekke den nødvendige magnetiseringsstrømmen fra nettet. Generatoren avgir mer effekt jo større kraft drivmotoren yter.

Den generatoren vi beskrev ovenfor, kan som nevnt ikke magnetisere seg selv, men må ha tilført reaktiv effekt til magnetisering. Hvis generatoren skal fungere uten å være tilsluttet et spenningssatt nett, må vi tilføre den reaktiv effekt på kunstig vis. Det gjør vi ved å kople et kondensatorbatteri av passende størrelse til klemmene på genera­ toren. Når vi starter denne generatoren, vil den remanente magnetismen indusere en liten spenning ut på klemmene, mens kondensatorene vil avgi mer og mer reaktiv strøm etter hvert som spenningen øker. Men generatorens behov for magnetiseringsstrøm er ikke konstant. Den øker med belastningen. Derfor må kondensatorbatteriet være så stort at det kan levere tilstrekkelig reaktiv effekt over hele belastningsområdet.

Figur 7.17 Prinsippskjema for en asynkron generator (bare statorviklingen er vist) med kondensatorbatteri for magnetisering Asynkrone generatorer er som regel utstyrt med tyristorer som blir styrt av mikroprosessorer, og en avansert auto­

273

Elektriske anlegg - energiforsyningen

7 Nødstrøms- og reservestrømsforsyning

matikk for å holde spenningen konstant over hele belastningsområdet. Det vil føre for langt å komme nærmere inn på dette her.

7.4.4

Likestrømsgeneratorer

Magnetisering plassert i statoren

Likestrømsgeneratorer har i motsetning til vekselstrømsgeneratorer sin magnetisering plassert i statoren, mens den energien som blir levert ut i installasjonen, blir produsert i rotoren.

Likerettet i kommutatoren

I rotoren på en likestrømsgenerator blir det indusert vekselspenning som blir likerettet i kommutatoren, og som derfor avgir likespenning.

Kommutatoren

Kommutatoren består av mange parallelle kopperlameller som er isolert fra hverandre ved hjelp av mikanittisolasjon. Denne er frest ned 0,5—1,5 mm under overflaten på kommutatoren. Børstene er plassert i børsteholdere rundt overflaten på kommutatoren, slik at de ligger an mot kommutatoren.

Shunt

Figur 7.18 Prinsippskjema for en kompoundgenerator

274

Elektriske anlegg - energiforsyningen

7 Nødstrøms- og reservestrømsforsyning

Likestrømsgeneratorer har fått navn etter hvordan feltviklingen er koplet i forhold til rotoren. For eksempel har en seriegenerator feltviklingen koplet i serie med rotoren, mens en shuntgenerator har feltviklingen koplet parallelt med rotoren (shuntkopling betyr parallellkopling), og en kompoundgenerator har både serie- og shuntkoplede feltviklinger. I praksis er det bare kompoundgeneratorer som blir brukt som nødstrøms- eller reservestrømsforsyning, men i dag blir de normalt ikke installert, spesielt på grunn av den høye prisen, og fordi de krever mye vedlikehold og ettersyn.

Sammendrag Hvor mye det er fornuftig å investere i nødstrøms- eller reservestrømsforsyning, og hvordan den bør utformes, er avhengig av konsekvensene ved brudd i den ordinære energiforsyningen. Behovene vil variere for de forskjellige brukergruppene. Aktuelle anlegg kan være batterianlegg, statisk avbruddsfri strømforsyning, UPS, eller en nødgenerator.

Batterianlegg omfatter forskjellige typer tørrelementer og akkumulatorer. Mange av tørrelementene kan ikke lades opp igjen, og de kan derfor være utladet når det er behov for dem. Noen av tørrelementene og alle akkumulatorene kan lades opp igjen, og de kan dermed bli utstyrt med en automatisk ladeinnretning. Slik øker sikkerheten for at anlegget virker når det skal. Der vi ikke kan godta brudd i energitilførselen, må vi bruke en såkalt statisk avbruddsfri strømforsyning, UPS, der strømforsyningen skjer via en likeretter, et akkumulatorbatteri og en vekselretter.

Det vil alltid være knyttet visse miljøskader og brann- og eksplosjonsfare til bruk av batterier. Skal akkumulatorer fungere etter intensjonene, må de ha regelmessig pass og vedlikehold.

Hvis en nødgenerator skal fases inn på det ordinære nettet, må den ha lik frekvens, lik spenning og faselikhet. Det finnes spesielle instrumenter til dette bruket. Nødgeneratorene må prøvekjøres og kontrolleres med jevne

275

Elektriske anlegg - energiforsyningen

7 Nødstrøms- og reservestrømsforsyning

mellomrom - altså vedlikeholdes periodisk - slik at vi er sikre på at de fungerer når de skal.

Synkrongeneratorene er oppbygd med et roterende mag­ netfelt, mens lederne (statorviklingene) som det blir in­ dusert spenning i, står stille. Magnetiseringsstrømmen til rotoren blir enten overført ved hjelp av sleperinger eller ved hjelp av transformatorprinsippet som i den børsteløse generatoren. Statorviklingene kan koples på forskjellige måter, men stjemekopling (Y-kopling) er den vanligste. Spenningen blir regulert ved at man regulerer magnet­ iseringsstrømmen, og avgitt effekt blir regulert ved at man tilfører drivmotoren mer eller mindre drivstoff.

Til spesielle formål blir det en gang iblant brukt asynkrongeneratorer og likestrømsgeneratorer, men de er ikke vanlige som nødgeneratorer i dag.

276

Elektriske anlegg - energiforsyningen

Litteratur

Litteratur UNIVERSITETSFORLAGET: Torleif Røyter og John Langeland: Elektriske anlegg I Jan H. Audestad og Gunnar Sørbø: Elektriske anlegg II Jens Fanchald: Elektriske anlegg III (anbud og kontrahering) Finn Wilhelmsen og Amold Dahl: Elektroteknikk 2 Terje Dyrstad: Elektroteknisk ledningsberegning Nils T. Baustad og Olaf H. Mehus: Elektrovarme Hans Henrik Bjørset: Lysteknikk —Lys og belysning Hugo Andresen og Bjørn Ivar Ødegård: El-installasjoner i bygg — tegninger — skjemaer — symboler Magnus Dalva: Elektriske motordrifter NKI FORLAGET: Dagfinn Brøther: Elektriske installasjoner I, II og III

TIDEN NORSK FORLAG: Distriktssjef T. Tambs: Vekselstrømsanlegg inntil 1000 V (mellomspenningsanlegg)

ELEKTRISITETSFORSYNINGENS FORSKNINGSINSTITUTT: EFI-rapport —2353 Retningslinjer for elektrotekniske installasjoner i boliger -2600 Styring av varmeanleggenes ener­ giforbruk i boliger -2829 Brannbeskyttelse av kabelforlegning -2544 Retningslinjer for elektriske in­ stallasjoner i skip med hensyn til elektromagnetisk støy

277

Elektriske anlegg - energiforsyningen

Litteratur

ASEA-TIDNINGEN: Artikler og bildemateriale om kraftproduksjon, distribusjon, vem, brytere og oppvarming H. HAGERUPS FORLAG, København: A.H. Axelsen og K. Jark: Stærkstrømsteknik I

TEKNOLOGISK FORLAG: Alfred Høsl: Elektroinstallasjon NORSK STANDARD: NS 3931 Elektriske installasjoner i boliger. Plassering av uttak for kraft- og teletekniske anlegg NS 3031 Beregning av bygningers energi- og effektbehov til oppvarming NS 3401 Alm. kontraktsbestemmelser om utførelse av bygg- og anleggsarbeider

HOGRE TEKNISKA LÅROVERKET, Stockholm: Lektor Egnon Ni ved: Kompendium i elektrisk anlåggningsteknik Kap. 3 Elektrisk ledningsberakning Kap. 5 Stållverksapparater Kap. 10 Elektrisk uppvarmning

EL-INSTALLASJON OG HANDEL: Diverse artikler om installasjoner, eksplosjonsteori og belysning.

STK - STANDARD TELEFON OG KABELFABRIKK: Håndbok i skjult varme — Termostan varmekabler, ESWA varmefolier Kabelhåndboken TELEVERKET: Teleinstallasjoner i bygg

PHILIPS: Lysboken SELSKAPET FOR LYSKULTUR: Planlegging av belysningsanlegg Luxtabell NVE - DBE - OLJEDIREKTORATET: Retningslinjer for områdeklassifisering

278

Litteratur

Elektriske anlegg - energiforsyningen

NVE-BROSJYRER: Retningslinjer for beregning av minimum kortslut­ ningsstrøm ved 1 -polet kortslutning i mellomspenningsanlegg med direkte jordet nullpunkt. Konsesjonsbehandling — Vassdragsutbygging Kraftverksutbygging — diverse brosjyrer

NORSK ELEKTROTEKNISK KOMITÉ: Norske normer for elektrotekniske skjemasymboler del 1-NEN 144.88 Norske normer for spenningsverdier NEK-IEC 38 FORSKRIFTER: Midlertidige forskrifter for etablering, utbygging og teknisk drift av kabelnett Tekniske forskrifter for kabelnett/fellesantenneanlegg fastsatt av Samferdselsdepartementet Forskrifter for elektriske forsyningsanlegg (FEF) Forskrifter for elektriske bygningsinstallasjoner m.m. (FEB) Forskrifter for elektriske anlegg maritime installa­ sjoner (FEA-M) Sikkerhet ved arbeid i lavspenningsanlegg (SL) Driftsforskrifter for høyspenningsanlegg (DH)

lEC-normer:

331 Brannsikker kabel 332 Selvslokkende kabel 144 Kapslingsarter 479-1 Effects of current passing through the human body

PRODUKTKATALOGER: NEBB (ABB-EB) Sønnico Øglænd STAHL STK IFA Kløckner Moeller Norwesco Nordbritco Siemens A/S Elektrofabrikken Glamox A/S Danfoss

279

Elektriske anlegg - energiforsyningen

Stikkordregister

Stikkordregister A-mast 67 abonnent 229 accuracy limit factor 223 akkumulator 257 akkumulatoranlegg 250 ALF (accuracy limit factor) 223 alkalisk akkumulator 260 alkalisk manganelement 255 alminnelig forsyning 50 alternative energikilder 13, 41 alternativt brensel 37 aluminium (Al) 71 amperetimevirkningsgrad 259 arbeidsmiljøloven 150 armering 118, 119, 132 arsenikkimpregnerte master 69 aske 14 asynkrongenerator 272 atmosfæriske overspenninger 172 atomenergi verk 38 AUS 148 automatisk gjeninnkopling 96 autotransformator 214,215 avbrudd i energiforsyningen 248 avleder 86, 95 avstengingsventil 25 bardun 67 batterianlegg 254 bekkeinntak 23 beregningsmodell 173 berøringsfare 145 berøringsspenning 173, 181, 183, 184, 185, 186 beskyttelsesutstyr 149 betinget kortslutningssikker 216 betongdam 19 blyakkumulator 257 blykappe 114 brannsikker kabel 131

280

brannsikringsegenskaper 130 brannskade 145 brannslokkingsanlegg 34 brenseltransport 15 bruksområder 122 brytehastighet 103 bryter 99 bæremast 66 bølgebevegelse 45 bølgefront 42, 43 bølgehøyde 41 bølgekraft 41, 42 bølgekraftverk 41, 43 bølger 41 børsprinsippet 54 børsteløs generator 270, 271 CENELECs system 126, 127 CO2-gass 34

dagkraft 54 dagkraftkontrakt (i ukemarkedet) 231 dam 19 dambrudd 22 dampturbinen 12 Darrieus-rotor 46 differensialrelé 93 differensialvem 74 direkte jordet nøytralpunkt 82 direkte jordet nøytralpunktsystem 164, 171 disneuter 172 distanserelé 74, 94 driftsfor skrift ene DH 143, 145, 151, 154 driftsforstyrrelser 85, 91 driftspersonell 145 driftssentral 32 driftsstabilitet 85 driftstunnel 23 døgnmarkedet (spotmarkedet) 54, 230

Elektriske anlegg - energiforsyningen

effektbryter 74, 86, 98, 100, 102 egenmagnetisering 270 Elastimold 121 elektrisitetsforbruk 55 elektrisk energi 12 elektrisk energioverføring 61 elektrisk felt 83, 84 elektrofagfolk 146, 147 elektrofilter 36 elektrolytt 257, 260 elektromagnetisk induksjon 90 elektromagnetisk relé 86 elektronisk bryter 101 elektronisk måler 241 elektronisk relé 86 elektrostatisk induksjon 90 elskade 146 elvekraftverk 31,51 endeavslutning 137 endemast 67 endemuffe 134 energiforbruk 234 energiforsyning 50 energikilder 12 energiloven 51, 53, 54, 56, 229 energioverskudd 55 energiproduksjon 12 energiverk 50 energivirkningsgrad 260 energiøkonomisering 16 enfasetransformator 190, 210 enleder PEX-kabel 118 enlinjeskjema 73, 74 entrådet leder 124

fallhøyde 18, 25, 27, 28 faselampe 262 fasemerking 131 fasestyring 43 feiltyper 87 feltfordeler 122 fiberoptikk 87 firebokstavkoden 125

Stikkordregister

fisjon 38 fjernvarmeanlegg 35, 35 flertrådet leder 124 flis 37 flygeaske 36 fokusering 43 forankringsmast 67 foranstaltninger 148, 149 forbrenning 143 fordelingsnett 80 fordelingssystemer 82, 164 forenklede aggregattyper 29 forsyningsnett 160 forsyningstransformator 161 forventet berøringsspenning 173, 179 fossile brennstoffer 13 fotospenningscelle 49 frakoplet anlegg 148 francisturbin 27 fristråleturbin 25 fritt marked 54 fullprofilboring 24 fullturbin 25, 27 fusjon 38 fylleventil 25 galvanisk element 254, 255 gassenergiverk 37 gassfyrt dampturbinenergiverk 37 gassfyrt energiverk 37 gassisolert koplingsanlegg 84 gassrelé 95, 197 gass vakt 74 generator 36, 261 generator spenning 34 giver 101 gjeninnkopling 87 gjennomgående jordline 65 gjennomslag 70 gjennomslagssikring 173 glimutladning 90 gravitasjonsdam 19, 20 grunnkraft 54

281

Elektriske anlegg - energiforsyningen

grunnkraftkontrakt (i ukemarkedet) 230

H-mast 67 H4 231,232 halm 37 halogenfri kabel 131 halongass 34 hengeisolator 70 hjerteflimmer 143, 144 hjertemassasje 144 horisontalt planoppheng 70 hovedmagasin 23 hurtig utkopling og gjeninnkopling 96 husholdningstariff (H4) 231, 232 HVDC 62 hvelvdam 19 hydrologi 16 hysteresetap 193 høyfrekvenssamband 32 høyfrekvenssperre 74 høyspennings-likestrømsområdet (HVDC) 62 høyspenningsfordelingsnett 72, 80 høyspenningsoverføringsnett 72 høyspenningspapir 114 høyspent fordelingsnett 161 høyspentkabel 111 høytrykksturbin 35 impregnert furu 69 induksjonsmåler 236 induksjonsprinsippet 190 innfasing 261, 263 inntaksluke 21 inntaksmagasin 23 installasjonsbryter og vender 100 interferens 43 intermitterende jordfeil 171 isolasjon 129, 194 isolasjonsklasser 194, 195 isolasjonsmaterialer 129, 194 isolasjonsovervåking 169, 170, 187 isolasjonsskjerm 116

282

____________________________ Stikkordregister

isolasjonssystem 116 isolasjonstykkelse 116 isolator 69 isolatortyper 70 isolert nøytralpunktsystem (IT-system) 83, 164, 167, 169, 184 IT-system 83, 164, 167, 169, 184 jemblikk 191, 193 jemkjeme 191 jemtap PFe 200 jordfeilbryter 187 jordfeilmåling 94 jordingsbryter 108 jordline 65, 72 jordslutning 87 jordslutningsvem 74, 94 jordslutter 74, 110 jordvarme 49

kabel 71 kabelavslutning 120 kabelkonstruksjon 112 kabelmasse 120 kabelmuffe 120 kabelskjøt 135 kabel sko 137 kapasitiv tilbakekopling 186 kaplanturbin 27, 28 kappetransformator 193 karbondioksid 14 kjedeisolator 70 kjele 35 kjemeenergi 38 kjerneenergiverk 38, 40 kjemetransformator 193 kjølevann 33 kjøling 161 kjøling av viklingene 196 knallgass 259 knivbryter 108 kommunikasjon 74 kommutator 274

Elektriske anlegg - energiforsyningen

komposittisolator 70 kompoundgenerator 274, 275 komprimert rund 112 kondensatorkonus 120 kontaktor 101 kontaktstøy 89 kontrollrom 32 konus 120 koplingsanlegg 72, 73, 75, 84 koplingsbilde 163 koplingsgrupper 163 koplingsoverspenning 172 kopper (Cu) 71 koppertap PCu 203 koppertrådsfletting 132 korona 83 koronaeffekt 83 koronastøy 89 korrosjonsbeskyttelse 119 kortslutning 87 kortslutningsforsøk 200 kortslutningsnivå 53 kortslutningssikker transformator 216 krafteksport 55 Kraftforsyningens beredskapsorganisasjon 22 krafttransformator 210 kreosotforbindelser 14 kreosotimpregnerte master 69 kroppens impedans 175 krympemuffe 135, 137 krympeskjøting 135 krypestrøm 70, 90 kull 34 kull-lager 34 kullforekomstene 34 kullfyrt energiverk 34 kullstøv 35 kunstig åndedrett 144 kvikksølvelement 255 kWh-måler 237 lastbryter 100

lastskillebryter 110 lavspenningsfordelingsnett 81 lavspent kabel 122 lavtrykksturbin 35 leder 124 leder for kopling 153 leder for sikkerhet 153 lederkonstruksjon 113 ledermaterialer 112 lederskjerm 116 ledeskovler 27 ledning 71 ledningsarrangement 70 ledningsmaterialer 71 leveringskvalitet 229 leveringsplikt 229 likestrømsgenerator 274 line 71 linje 64 linjemateriell 69 linjeprofil 85 linjetrassé 85 linjevem 96 litiumelement 256 luftkjøling 33 luftkjølt transformator 196 luftputekammer 23 lukehus 23 lukesystem 21 lynnedslag 65 lysbue 99 magasineringsgrad 19 magasinkraftverk 22, 31, 51 magnetiseringsstrøm 33, 270 magnetisk ledningsevne 193 mangetrådet leder 124 mastekonstruksjoner 85 mastematerialer 68 mastetransformator 78 mastetyper 66 merkeoverstrømstall 223 merkeskilt 212

283

Elektriske anlegg - energiforsyningen

metallkappe 118 Meteorologisk institutt 16 mineralolje 114, 197 miniturbin 30 moderator 39 morenemasse 20 motorvembryter 101 måleenheten for elektrisk energi 233 måleomkopler 240 måletransformator 92, 216 nedbøren i Norge 16 nedslagsfelt 18 nettleie 229 nettstasjon 81 nikkel-jem-akkumulator (NiFe) 260 nikkel-kadmium-akkumulator (NiCd) 260 nite 137 nitrogen 14 norsk energimarked 54 NOx-forbindelser 36 nødgenerator 32, 251, 264 nødstrøms- og reservestrømsforsyning 249 nåleventil 25

oksygenindeks 130 oljefattig bryter 103 oljefylt enlederkabel 115 oljefylt kabel 112, 113 oljekanal 113, 114 oljekjølt transformator 196 oljeproduksjonsplattform 83 oljetrykkskabel 121 oljetyper 197 områdekonsesjon 229 omsetningsforhold u 164, 199, 200 optisk kabel 133 orientert blikk 192 overbelastning 87 overføringslinje 51, 62, 63 overgangshode 134 overløp 21 overslag 70

284

Stikkordregister

overspenning 87, 92, 172 overspenningsavleder 74 overstrømsfaktor 221 overstrømsrelé 93 pantografbryter 108, 109 papirkonus 120 PCB-olje 197 peltonturbin 25 petersenspole 87, 96 PEX 115 PEX-kabel 116 piggisolator 70 planlegging 148 plastisolert kabel 115 plastlaminat 132 platedam 19 plutonium 38 pressverktøy 135 privathusholdning 229, 232 prosentuell kortslutningsspenning ek 201, 203 pumpekraftverk 31,51

radioaktiv prosess 38 radioaktiv stråling 14 radioaktivitet 40 radioaktivt avfall 14, 40 radiosamband 32, 75 radiostøy 88, 89 reaktor 39 registrerende vern 86 regulerkraftmarkedet 55 relativ kortslutningsspenning uk 201 relévem 86, 87, 92 rensing av røyk 36 resonans 43 retningsorientert blikk 192 ringnett 81 røraggregat 29, 30 rørgate 22 rørstoll 23 røyk 36

Elektriske anlegg - energiforsyningen

sakkyndig driftsleder 153 saltimpregnering 69 samkjøring 50, 51 Samkjøringen av kraftverkene i Norge 50 samkjøringsnett 31, 50, 52 samkjøringsstyring 74 samleskinne 72, 74 sandfang 23 selektivitet 98 selektivt vem 86 selvslokkende kabel 131 SF6-anlegg 75, 77 SF6-bryter 104 SF6-gass 76 SF6-isolert endeavslutning 122 SF6-isolert koplingsanlegg 77 SF6-trykkgassbryter 74 signaloverføring 74 sikker strømforsyning 248 sikkerhetsforskriftene SL 150 sikkerhetstransformator 215, 216 sikkerhetsventil 25 sikring 86, 97, 98 skadetyper 147 skillebryter 74, 100, 107 skilletransformator 215 skjerm 117, 132 skjerm mot elektrisk felt 132 skjøtemuffe 120, 136, 137, 138 skjøting 120 slepering 270 slokkespolejord 96 småkraftverk 30 solcelle 49 solenergi 48 solfanger 48 solpanel 48 sot 14 sotpapir 114 sparetransformator 214, 215 spenningsførende anlegg 148 spenningsregulator 31, 34, 272 spenningstransformator 87, 216, 223

Stikkordregister

spennvidde 84 spotmarkedet 54, 230 stabilitetsgrense 91 statisk avbruddsfri strømforsyning — UPS 251 Statkraft SF 54 Statnett Marked A/S 54 Statnett SF 50, 54 statorblikk 33 statorvikling 33 statskraftverk 54 stavisolator 70 steinfyllingsdam 20 stengeluke 21 strømgjennomgang 143 strømtransformator 87, 216, 217, 244, 245 strålenett 80 strålerør 25 strålingsrisiko 40 ståisolator 70 stål (Fe) 71 stålaluminium (FeAl) 72 stålmast 69 ståltrådfletting 133 svingesjakt 23 svovel 14 svoveldioksid 36 synkrongenerator 264 synkronoskop 262 synsinntrykk 83 syntetiske transformatoroljer (PCB-oljer) 197 sølvkloridelement 256 sølvoksidelement 256

tapene i nettet 81 tappeluke 21 tariff 231 tariffapparat 236 tariffer for næringsvirksomhet 235 temperaturklasser 130 tetningskjeme 20 tilbakefallsforhold 86

285

Elektriske anlegg - energiforsyningen

TN-system 82, 164, 165, 171, 176 TN—S-system 82 tomgangsforsøk 198 transformator 189, 191 transformatorens strømomsetning 205 transformatorens virkningsgrad 77 203 transformatorens yteevne 205 transformatorkiosk 79 transformatorvikling 193 transformering 206 trefasetransformator 211 trekantoppheng 70 tremaster 67 trykkimpregnerte furustokker 69 trykkluftbryter 103 trykksj akt 23 tråd 71 TT-system 164, 167, 182 tungmetaller 14 tungtvann 39 tunnel 19, 23, 24 turbingenerator 41 turbinpådrag 27 turbinregulator 25, 31, 36 turbinrør 28 tverrbundet polyeten 115 typebetegnelser 124 tørrelement 254 ukemarkedet 54 ulykker 146 ulykkesstatistikk 146, 147, 151 understasjon 80 undervannstunnel 24 UPS 251 uran 235 38 utpregede poler 40

286

____________________________ Stikkordregister

utslipp 14 utøvende vern 86

vakuumbryter 74, 106 vannbasseng 44 vannføring 18 vannhastighet 24 vannhode 33 vannkraft 12, 16, 17, 55 vannkraftgenerator 32, 33 vanntrær 118 varegrind 23 varmeenergi 12 varmeenergigenerator 40 varmeenergiverk 12, 35, 51 varmekraftturbin 35 vassdrag 18 ventilkammer 24 vern 85, 86, 92 vikling 161 vindhastighet 46 vindkraft 45 vindmølle 45, 46 vindmøllepark 45 virkningsgrad 36 virvelstrømstap 193 water treeing 118

Y-kopling av generatorer 267

økonomisk optimal drift 50

åpen lysbue 143 åpent energimarked 230 årsnedbør 16