Elkraftteknikk. 2 : Elektrisk energiforsyning og fordelingsanlegg [2, 2 ed.] 8200355888 [PDF]

Zitiervorschau

Norvald Steen

' "AA"A £)epotbibiioæ*æt

ELKRAFTTEKNIKK 2 Elektrisk energiforsyning og

fordelingsanlegg

Universitetsforlaget Oslo-Bergen-Stavanger-T romsø

© Universitetsforlaget 1975

ISBN 82-00-35588-8

2. utgave 1984 Det må ikke kopieres fra denne boka ut over det som er tillatt etter bestemmelsene i «Lov om opphavsrett til åndsverk», «Lov om rett til fotografi» og «Avtale mellom staten og rettighetshaver­ nes organisasjoner om kopiering av opphavsrettslig beskyttet verk i undervisningsvirksomhet». Brudd på disse bestemmelsene vil bli anmeldt.

Omslag: Mette Moen Trykk: P. J. Schmidt A/S, Vojens, Danmark 1984

Forord Annen utgave av Elkraftteknikk 2 er vesentlig utvidet i forhold til første utgave. Utvidelsen består dels av at deler av Elkraftteknikk 1 er overført til denne boka og dels av at det er kommet inn helt nye avsnitt. Dessuten er alle kapitlene supplert med øvingsoppgaver. I likhet med Elkraftteknikk 1 er boka primært beregnet for studenter ved ingeniørhøgskolenes elektronikklinjer og andre som har et grunnlag i elektrisitetslære og trenger en innføring i elkraftteknikk. For studenter ved linjer for elkraftteknikk, og andre som vil spesialisere seg innen dette fagområdet, kan boka passe for første trinn i studiet. Elkraftteknikk 1 og 2 kan leses i omvendt rekkefølge. Narvik i januar 1984 Norvald Steen

Innhold 1 Offentlig elektrisitetsforsyning

1.1 Innledning 7 1.2 Produksjon og forbruk 7 1.3 Overføringssystem og spennings­ nivåer 13 1.4 Samkjøring av kraftverker 18 1.5 Offentlig kontroll. Forskrifter og nor­ mer 20 1.6 Øvingsoppgaver 23 2 Elektroteknisk ledningsberegning

Strømsystemer 25 Spenningsfall og effekttap 29 Dimensjonering av ledninger 43 Kortslutning 49 Jordslutning, jording og personfare 58 2.6 Forstyrrelser på svakstrømsanlegg 66 2.7 Øvingsoppgaver 69 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

3 Stasjoner og fordelingsanlegg

3.1 Kraftverk og energikilder 75 3.2 Koblingsanlegg og transformatorstasjoner 87 3.3 Kabler og luftledninger 94 3.4 Brytere, sikringer og vern 97 3.5 Skjemateknikk og dokumentasjon 114 3.6 Driftsledelse og fjernkontroll 126 3.7 Øvingsoppgaver 131 Stikkord 134

Offentlig elektrisitets­ forsyning 1.1 Innledning En kan regne at oppbyggingen av offentlige distribusjons­ nett for elektrisk strøm startet etter at Edison i 1879 hadde oppfunnet brukbare glødelamper for elektrisk lys samt lampeholdere og brytere. Til å begynne med ble det bare brukt likestrøm, men vekselstrømmen kom fort inn i bildet. Vekselstrømmen hadde den store fordel foran likestrøm­ men at en ved hjelp av enkle maskiner (transformatorer) kunne forandre spenningen til det nivå som passet best. Allerede ved århundreskiftet var en gått over til vekselstrøm ved utbyggingen av elektrisitetsforsyningen. På enkelte områder har en likevel holdt på likestrømmen. Det kan nevnes elektrokjemisk industri hvor likestrøm er nødvendig i prosessene (f.eks. elektrolyse), nødstrømanlegg hvor en benytter akkumulatorer og elektrisk motordrift hvor det på grunn av variasjon i turtall er en fordel å benytte likestrømmotorer (f.eks. til sporveisdrift og til valseverk). Videre har det ved lange kabeloverføringer som f.eks. over Skagerrak, vært nødvendig å benytte likestrøm. Skulle en ha benyttet høyspent vekselstrøm i så lange kabler, ville oppladning og utladning av kabelkapasitansen for hver halvperiode kreve mer strøm enn energioverførin­ gen.

1.2 Produksjon og forbruk I den offentlig elektrisitetsforsyning distribueres elektrisk strøm til såvel næringsliv og institusjoner som til privat 7

forbruk ved hjelp av et ledningsnett som stort sett eies av det offentlige. Den elektriske energien kommer fra genera­ torer som igjen får energien fra en eller annen drivmaskin. Drivmaskinen kan være en vannturbin, en dampturbin, en vindmølle eller en eller annen form for motor. En generator omformer altså den mekaniske drivkraften fra drivmaski­ nen til elektrisk energi. Avhengig av hva drivmaskinen får energien fra snakker en om vannkraft, varmekraft, kjernekraft (atomkraft), vindkraft, bølgekraft osv. I verdensmålestokk produseres mesteparten av all elektrisk energi (over 60%) i kull- eller oljefyrte varmekraftverk. Resten er stort sett vannkraft og kjernekraft. Bruk av solceller, vindmøller, jordvarme, tide­ vann, bølger osv. er viktige alternativer der forholdene ligger spesielt til rette, men de utgjør fremdeles bare en liten del i den store sammenheng. Kjernekraften har heller ikke en så stor andel som mange tror. I 1981 var det bare 6 land som produserte mer enn 15% av sin elektriske energi fra kjernekraft, nemlig Frankrike (38%), Sverige (36%), Fin­ land (34%), Sveits (28%), Belgia (25%) og Vest-Tyskland (15%). Industrinasjoner som USA, Storbritannia og Japan fikk bare 12-13% av sin elektriske energi fra kjernekraft­ verk, og Sovjetunionen bare 5%. I Norge produseres mer enn 99% av all elektrisk energi fra vannkraft. Elektrisk energi kan ikke lagres i nevneverdig grad. I et elkraftnett må det derfor i ethvert øyeblikk genereres akkurat så mye energi som det forbrukes. Avgitt effekt fra generatorene vil automatisk være i samsvar med forbruket, inklusive overføringstap. Dersom forbruket økes et sted i nettet uten at effekten fra generatorenes drivmaskiner økes samtidig, vil frekvens og spenning falle slik at samlet forbruk forblir konstant. Det omvendte vil selvfølgelig skje om en et sted i nettet minsker forbruket. Det automatiske samsvaret mellom generert og forbrukt effekt innebærer at en må regulere den mekaniske effekt inn på generatorakselen i takt med forbruket, dersom spenning og frekvens skal holdes konstant. I praksis skjer også dette automatisk ved de viktigste generatorene. En regulator påvirkes av frekvensen og kan f.eks. øke vannmengden inn på turbinen dersom frekvensen begynner å falle. Dette betyr igjen at i et distribusjonssystem som er basert på vannkraft må vannforbruket hele tiden følge variasjonene i forbruket. Forbruket i et større elkraftsystem for offentlig elektrisi-

8

tetsforsyning vil ha både tilfeldige variasjoner og mer regelmessige variasjoner. En regelmessig variasjon er f.eks. at forbruket er større på dagtid enn om natten, og at det er større på virkedager enn på helligdager. Fig. 1.1 viser hvordan forbruket kan variere over døgnet i en større by.

Klokkeslett

Fig. 1.1 Eksempel på døgnvariasjon i belastningen

I et land som Norge er det et langt større forbruk av elektrisk energi om vinteren enn om sommeren. Når det gjelder naturlig vannføring i vassdragene, som gir energi til elkraftsystemet, er det uheldigvis omvendt. Vannføringen er stor om sommeren når forbruket er lite, og liten om vinteren når forbruket er stort. For å jevne ut uoverens­ stemmelsen mellom naturlig vannføring og behov for elek­ trisk energi er en nødt til å samle opp vann i høytliggende magasiner som en kan tære på om vinteren. Fig. 1.2

---

*

i______ i______ *

*

»______ i______ i______ 1_____ J______ »

fr

Jan. Feb. Mar. Apr. Mai Jun. Jul. Aug. Sep. Okt. Nov. Des.

Fig. 1.2 Effektbehov i forhold til naturlig tilsig over hele året (forenklet)

9

illustrerer dette forholdet. Det skraverte arealet represente­ rer energi som må tas fra magasiner. Energiforbruket og variasjonen i forbruket henger sam­ men med klima, menneskenes levesett, oppbygningen av samfunnet og prisforhold. Prisforholdene er blant annet gitt av tilgangen på energi som er enkel å utnytte. Norge har her vært i en særstilling på grunn av rikelig med vannkraft i forhold til folketallet. Tabell 1.1 viser forbruket av elektrisk energi og totalt energiforbruk pr. innbygger i noen av de land som hadde høyest forbruk pr. innbygger i 1979. En ser at forbruket av elektrisk energi er høyere pr. innbygger i Norge enn i noe annet land. Når det gjelder det totale energiforbruk pr. innbygger, ligger vi imidlertid godt etter land som USA og Canada.

Norge Canada Island Sverige USA Finland New Zealand Australia Vest-Tyskland Storbritannia Japan Danmark USSR Frankrike Nederland Italia

El. energi kWh/innb.

Samlet forbruk Gj/innb.

20228 13623 12746 11424 10669 7495 7106 6381 6103 5368 5018 4998 4653 4617 4519 3267

191 317 136 167 333 154 101 183 176 151 109 163 163 126 191 89

Tabell 1.1 Energiforbruk pr. innbygger i 1979

Det årlige forbruket av elektrisk energi har hele tiden hatt en stigende tendens, både i vårt land og i verdensmålestokk. Stigningstakten avhenger av mange faktorer, blant annet teknisk utvikling og industrialisering, konjunkturer og pris­ forhold. Tabell 1.2 viser hvordan produksjonen og ulike deler av forbruket har utviklet seg i Norge i perioden 1960— 81. En ser at produsert energi pr. år er tredoblet i løpet av 10

denne tiden. Forbruket i såkalt kraftintensiv industri er godt og vel doblet, mens alminnelig forbruk var ca. 3,5 ganger så stort i 1981 som i 1960. El. energi pr. år (TWh)

1960

1965

1970

1975

1980

1981

Produksjon Import Eksport Bruttoforbruk, fastkraft Overføringstap Nettoforbruk, fastkraft Kraftintensiv industri Alminnelig forbruk

31,1 0,2 0,1

49,0 0,1 2,2

57,6 0,8 1,6

77,5 0,1 5,7

84,0 2,0 2,5

92,8 1,9 7,1

30,3 3,7

44,8 4,9

56,2 5,3

68,5 7,1

82,0 8,4

84,4 8,8

26,6

40,0

50,9

61,4

73,6

75,6

12,7 13,9

19,1 20,9

23,2 27,7

26,2 35,2

27,9 45,7

27,4 48,3

Tabell 1.2 Produksjon og forbruk av elektrisk energi i Norge i perioden 1960-1981

En må være oppmerksom på at tallene for produksjon og forbruk kan variere langt mindre regelmessig enn det tabell 1.2 kan gi intrykk av. Dette kan skyldes f.eks. nedbørsforhold, temperatur eller konjunturer. Bruttoforbruket hadde således en nedgang på 1,1% fra 1979 til 1980, men en stigning på 4,7% fra 1980 til 1981. Tallene i tabellen gir likevel en pekepinn om hovedtrekk i utviklingen. Tallenes stigende tendens er allerede nevnt. Dessuten kan en f.eks. se at av det totale forbruk er andelen til den kraftintensive industri stadig blitt mindre, mens andelen til alminnelig forbruk har øket. For å kunne dekke det fremtidige forbruk av elektrisk energi må det planlegges på lang sikt. Det tar gjerne mer enn 10 år fra det er søkt om konsesjon for bygging av et kraftverk og til kraftverket er klar for produksjon. Det gjelder å skaffe seg mest mulig viten om såvel det fremtidige energiforbruk som mulighetene for produksjon. En må også prøve å forutse hvor stor maksimal effekt som må dekkes. Prognoser kan blant annet baseres på tendenser i utviklingen og viten om nye forbrukere. Fig. 1.3 viser en enkel form for prognose som er basert på tallene i tabell 1.2. De heltrukne linjene viser den utvikling en kjenner, mens de stiplede linjene viser en prognose.

11

Forbrukets maksimale effekt inntreffer gjerne i forbindel­ se med lav temperatur når det brukes mye elektrisk oppvar­ ming samtidig som industrilasten er inne for fullt. Det kan ellers inntreffe lasttopper i forbindelse med tiden for middagskoking eller i forbindelse med fjernsynsprogrammer. I varmere land kan det bli belastningstopper på særlig varme dager når et stort antall luftkondisjoneringsanlegg (aircondition) er satt på. Forholdet mellom energiforbruk i et tidsrom (f.eks. et døgn, en uke eller et år) og maksimallasten innenfor dette tidsrommet kalles for brukstiden. Matematisk kan bruksti­ den uttrykkes ved *b=*WnakS

(1.2a)

Fig. T.4 illustrerer sambandet mellom variasjonene i effekt, p= tidsrommets lengde T og brukstiden rb.

12

iP

Fig. 1.4 Sambandet mellom maksimalverdi, middelverdi og brukstid for en last som varierer innenfor et tidsrom T

En ser at energien kan uttrykkes ved arealet under kurven eller et av rektanglene, dvs. den kan uttrykkes ved rr = Pmidlere • T = Pmaks • tb (1.2b) J o For å få en jevnest mulig drift av kraftverkene vil det være ønskelig å ha forbruk med lang brukstid. Er brukstiden kort, betyr det at maksimallasten er stor i forhold til gjennomsnittlig last.

1.3 Overføringssystem og spenningsnivåer Den elektriske energien som produseres i kraftstasjonenes generatorer må ofte transporteres over lange avstander til forbrukerne. Transporten skjer ved at det flyter elektrisk strøm gjennom et stort system av skinner, kabler og luftledninger. Fra elektrisitetslæren vet en at overført effekt er proporsjonal med strøm og spenning, både ved enfasesystem og ved trefasesystem, dvs.

P~UI

(1.3a)

Overføringstapet på grunn av at alle ledninger har en viss resistans er proporsjonalt med resistansen og proporsjonalt med kvadratet av strømmen. Dette kan uttrykkes ved

AP^RI2

(1.3b)

Av dette sees at om en f.eks. dobler spenningen mens

13

effekten holdes konstant, så vil strømmen halveres og tapet reduseres til fjerdeparten. Det gjelder altså å ha høyest mulig spenning om en vil ha minst mulig overføringstap. På den annen side vil byggekostnadene for transformato­ rer, koblingsanlegg, kabler og linjer stige meget sterkt når en går opp med spenningen. Det må derfor være snakk om store energimengder og store avstander for at det skal lønne seg å benytte den høyeste spenningen. I praksis tar en hensyn til dette ved å benytte forskjellige spenningstrinn i systemet. Noe forenklet vil overføringssystemet for den elektriske energien være bygd opp slik det er vist i fig. 1.5 og 1.6.

Transf or mator stasjon

(Innføringsstasjon)

Sekundærnett (Grovfordeling)

Transf or mator stasjon

(Understasjon)

Høyspent fordelingsnett

Transf or mator stasjon (Nettstasjon, kiosk, mastetransf.)

Lavspent fordeling.

Fig. 1.5 Prinsipiell oppbygning av det elektriske kraftnettet

14

G)

(G

G 10/275 kV

275 kV overf. linje

Z75|cVoverf. linje

,275/66(6 i kV I - 8/66^

kV

32 kVoverf. linje

66 kV l i nje

kV T

¥ V 132 kV nett 132/11 kV

Transf. kiosk 11 kV kabe(~[ 11/0,24 kV 11 kV nett

Lavspent fordeling

A A.66/22 kV

Y

Y Mo st et r anst | |~ 22 kV linje | A

22 kV nett

22/0,24 kV 0

Lavspent fordeling

Fig. 1.6 Eksempel på oppbygning av nett med flere systemspenninger (forenklet)

Mellom større kraftstasjoner og større transformatorstasjoner og mellom større transformatorstasjoner transpor­ teres den elektriske energien gjennom relativt få store overføringslinjer som ofte går under navnet stamlinjer. Denne delen av det elektriske kraftnettet går under navn som hovednettet, stamlinjenettet, sentralnettet eller primærnettet. Her transporteres store energimengder på hver linje, ofte over store avstander, noe som gjør det hensiktsmessig å benytte meget høye spenninger for å begrense strømstyrken og dermed overføringstapene. I kraftstasjonene transformeres som regel spenningen opp fordi generatorspenningen sjelden velges høyere enn 15-20 kV av hensyn til den plass isolasjonsmaterialene krever i generatorkonstruksjonen. Ved store kraftstasjoner føres energien stort sett direkte inn på en stamlinje, mens mindre stasjoner kan mate inn på mindre linjer i det høyspente fordelingsnett. På de norske stamlinjene overføres energien for det meste med 132 kV eller 275 kV spenning. I større land som Canada, USA og Sovjet benyttes til dels over 700 kV. 15

Fra stamlinjenettet blir energien ført inn til større transformatorstasjoner som ofte kalles innføringsstasjoner. Her blir spenningen transformert ned til et nivå som passer for grovfordeling av den elektriske energien (se fig. 1.5). Grovfordelingen foregår som regel ved hjelp av linjer og kabler med 30 til 70 kV driftsspenning. Ettersom en kabeloverføring koster det mangedobbelte av en tilsvarende linje, er det normalt bare innen tettbebyggelse at kabler blir valgt. Det samme gjelder for øvrig fordeling på lavere spenningsnivå. Grovfordelingen fører energien fram til mindre transformatorstasjoner (understasjoner) hvor spenningen blir trans­ formert ned til et passende nivå for videre fordeling til de såkalte nettstasjoner (transformatorkiosker og mastetransformatorer). Det benyttes nå for det meste 11 kV og 22 kV fram til nettstasjonene. I nettstasjonene blir så spenningen transformert ned til lavspenning, og energien fordeles videre i det lavspente fordelingsnett til de enkelte abonnenter. I tabell 1.3 er vist oversikt over de viktigste systemspenninger og den grenseeffekt en i gjennomsnitt dimensjonerer en enkel overføringslinje for. Spenningene er i overensstem­ melse med internasjonal standard (IEC Publication No. 38).

Høyeste verdier kV

3,6 7,2 12 24 36 52 72,5 123 145 245 300 420 525

Nominelle verdier kV

3,3 6,6 11 22 33 44 66 110 132 220 275 380 500

Midlere effektgr. ca. MW

0,2 0,4 1,0 2,5 5 10 20 40 55 120 200 350 500

Tabell 1.3 Systemspenninger og vanlige grenser for overførbar effekt pr. linje

Foruten overføringsavstanden og naturlig størrelse på ef­ fekten kommer også rent praktiske hensyn inn i bildet når

16

spenningsnivå skal velges. Her kan nevnes hensynet til det nett en har før en skal bygge nye linjer og standardisering av spenningsnivå. I fig. 1.6 er tatt inn eksempler på noen av de viktigste spenningsnivå som brukes i Norge. Prinsipielt kan såvel det høyspente som det lavspente fordelingsnett utføres enten som radialnett (strålenett), ringnett eller maskenett. (Se fig. 1.7-1.9.)

Fig. 1.9 Maskenett

I et radialnett går fordelingsledningene ut fra transforma­ torene i forskjellige retninger, og er ikke i forbindelse med hverandre andre steder enn i matepunktet. Ved spredt bebyggelse er dette ofte den eneste byggemåte som er økonomisk mulig. I et ringnett kan en si at to og to ledninger er parallelle, slik at forbrukerne overalt har to tilførselsveier for elektrisk strøm. I et maskenett kan en si at alle ledninger som er med på å danne masker, er parallelle, ettersom forbrukerne kan få strømtilførsel gjennom alle disse. Maskenett kan være naturlig i byer og tettbebyggelser hvor fordelingsnettet følger gatene og derved danner masker. Det blir ingen reserveforbindelser i et radialnett, noe som naturligvis er uheldig. Et slikt nett er derimot enkelt og oversiktlig, og ved feil kan en lett oppnå selektiv utkobling, slik at bare den defekte del av nettet mister strømtilførselen. Ringnett og maskenett kan drives åpent eller lukket. Ved lukket drift beholdes alle forbindelsene, mens en ved åpen drift har foretatt oppdeling ved hjelp av brytere eller lasker,

17

slik at nettet i virkeligheten blir et radialnett. Ved lukket drift vil strømmene automatisk fordele seg slik at spen­ ningsfallene og effekttapene blir minimale, men en feil vil ofte kunne få stort omfang og kan være vanskelig å finne. Det er derfor vanlig å drive såvel ringnett som maskenett åpent. Ved åpen drift vil en dessuten lette oversikten for driftspersonalet og redusere kortslutningseffektene.

1.4 Samkjøring av kraftverker Da en begynte med offentlig elektrisitetsforsyning, produ­ serte hvert elektrisitetsverk eller hvert kraftverk for sine abonnenter. Det var ikke noen forbindelse mellom de enkelte forsyningsområder. Etter hvert som antall abonnen­ ter vokste og nettene ble større, ble det imidlertid naturlig med reserveforbindelser og samarbeid. Dette utviklet seg til et organisert samarbeid i landsmålestokk og også til et samarbeid over landegrensene. I Norge var det lenge slik at hver landsdel hadde sin samkjøringsorganisasjon. Men i 1970 ble disse organisasjo­ nene slått sammen til det som heter Samkjøringen av kraftverkene i Norge. Det hadde da allerede eksistert et nordisk samarbeid om elektrisitetsforsyningen siden 1963 da Nordel ble opprettet. Med samkjøring forstås her at to eller flere elektrisitets­ verk har sine nett sammenkoblet ved hjelp av kraftledninger og utveksler energi. Det kan da samarbeides om såvel produksjon som overføring og fordeling av energien. Der­ ved oppnås både sikkerhetsmessige og økonomiske forde­ ler. Fordelene med samkjøring kan sammenfattes på følgen­ de måte: 1. Leveringssikkerheten økes. a. Ved feil eller reparasjoner i kraftstasjoner eller på overføringslinjer kan andre kraftstasjoner eller andre linjer overta lasten slik at abonnentene unngår strømstans. b. Dersom ett område har for liten energitilgang ved at det er for lite vann eller andre energibærere (f.eks. olje eller kull), kan energien hentes fra andre områder. 18

2. Bedre utnyttelse av energien. a. Et vannkraftverk som ikke har mulighet for å lagre vann i magasiner kan ved stor vannføring kjøre produksjonen opp utover det abonnentene i området forbruker. Energien overføres til områder hvor vann­ forbruket kan reduseres for oppfylling av magasiner eller til områder hvor man f.eks. kan redusere pro­ duksjonen i et varmekraftverk. På denne måten kan man utnytte vann som ellers ville ha rent forbi driftsklare maskiner, og man kan spare magasinvann, eventuelt olje eller kull. b. Produksjonen i de forskjellige stasjoner og belastnin­ gen på de enkelte linjer kan reguleres slik at systemet som helhet har minst mulig tap og dermed størst mulig virkningsgrad. Dette gjelder såvel falltap i deler av de hydrologiske systemene (f.eks. tunneler og turbinrør) som strømvarmetap i de elektriske lederne. Det kan også settes opp kjøreplaner for å oppnå økonomisering på lengre sikt. c. Ettersom ethvert aggregat får hele samkjøringsnettet som forsyningsområde, kan det satses på store og dermed mer økonomiske enheter. Skulle hver stasjon bare dekke behovet i et begrenset område, måtte det satses på mange mindre aggregater både av hensyn til reguleringen og av hensyn til reserve. Dessuten måtte en kanskje vente noen år med å bygge stasjonen helt ut ettersom det tok tid før behovet hadde vokst tilstrekkelig. En kan imidlertid også peke på en del ulemper ved samkjø­ ring av kraftverker. Her kan nevnes 1. Elektrisitetsverkenes selvråderett reduseres. De må rette seg etter organisasjonens disposisjoner slik at f.eks. en eventuell kraftrasjonering kan ramme hele samkjørings­ nettet, selv om noen elektrisitetsverk har nok energi til sitt område. 2. Kortslutningseffekten blir større. Sammenkoblingen av kraftverkene medfører at generatorkapasiteten bak en eventuell kortslutning blir stor i forhold til ved oppdelt drift. 3. Feil og forstyrrelser kan forplante seg over forbindelse­ ne. 4. Nye kraftledninger må bygges og nettet må forsterkes i forbindelse med energiutvekslingen. 19

Når en vurderer fordeler og ulemper mot hverandre er det ikke tvil om at fordelene i det lange løp er langt større enn ulempene. Forbrukerne får alt i alt en sikrere og rimeligere tilgang på elektrisk energi.

1.5 Offentlig kontroll. Forskrifter og normer Den norske stat startet allerede i 1891 med kontroll av elektriske anlegg. Det ble påbudt ved lov at elektriske anlegg skulle være i samsvar med forskrifter for slike anlegg. De første offentlige forskrifter ble utarbeidet i 1892 av det daværende Arbeidsdepartement. Til å begynne med ble politiet pålagt å påse at bestemmelsene ble overholdt. Men i 1896 ble kontrollarbeidet overlatt et offentlig tilsyn. Ved samarbeid med flere interesserte organisasjoner in­ nen elektrobransjen ble statens forskrifter etter hvert mer fullstendige. Utviklingen gjorde det også nødvendig med stadig nye tillegg og endringer. Den tekniske utvikling ble etter hvert så rask at myndighetene i 1964 fant det riktig å få nedsatt en permanent komité som skulle arbeide med å holde forskriftene tidsmessige og ajour til enhver tid. De siste forskriftene for elektriske anlegg ble utferdiget av Industridepartementet i 1963 og trådte i kraft i 1964. Man har basert seg på et løsbladsystem slik at endringer og tilføyelser kan foretas uten å måtte komme med nye utgaver. Det er allerede kommet en god del erstatningsblad. Det ble tidligere brukt en egen bok med kommentarer til forskriftene for elektriske anlegg. Nå er disse kommentare­ ne tatt med i samme perm som selve forskriftene. En finner dem som en motivering eller nærmere forklaring i tilknyt­ ning til de fleste av paragrafene. Som tillegg til selve forskriftene er for øvrig tatt med utdrag av lovbestemmelser, meddelelser fra Norges Vass­ drags- og Elektrisitetsvesen (NVE) etc. Forskriftene er inndelt i følgende avsnitt: I Alminnelige forskrifter. A. Tilsyn. B. Konsesjon og melding. C. Generelle krav. D. Dispensasjoner og straffeansvar. E. Ikrafttreden. 20

II Tekniske forskrifter. A. Definisjoner. B. Forskrifter for svakstrømsanlegg. C. Forskrifter for lavspenningsanlegg. D. Forskrifter for mellomspenningsanlegg. E. Forskrifter for høyspenningsanlegg. F. Forskrifter for elektriske sporveis- og baneanlegg. G. Forskrifter for elektriske anlegg om bord i skip. Fra innholdet skal nevnes at det i §1 under avsnittet om tilsyn står at utførelse, drift og vedlikehold av elektriske anlegg er underlagt offentlig kontroll og tilsyn, som utøves av NVE ved Elektrisitetstilsynet. Dette tilsyn omfatter ikke svakstrømsanlegg, bortsett fra de deler som krysser eller kommer i farlig nærhet av sterkstrømsanlegg. Under samme avsnitt står videre at NVE i spesielle tilfelle kan anordne et særlig tilsyn (må ikke forveksles med stedlig tilsyn). Særlig tilsyn er opprettet for Norges Statsbaner, Televerket, Fyrvesenet og noen besiktigelsesinstitusjoner for skip. NVE kan bestemme at eiere av visse elektriske anlegg (f.eks. elektrisitetsverk) selv plikter å føre tilsyn med de elektriske installasjoner som er tilknyttet vedkommende anlegg. Dette stedlige tilsyn er underlagt Elektrisitetstilsy­ nets kontroll. Under de alminnelige forskrifter er tatt inn bestemmelser om Elektrisitetstilsynets oppgaver, om fagmessig utførelse, bruk og vedlikehold av elektriske anlegg, om foranstaltnin­ ger mot radiostøy og om hensyn til omgivelsene (anleggene skal ikke være unødig skjemmende). Fra de tekniske forskriftene nevnes at en der finner f.eks. definisjon av svakstrømsanlegg, sterkstrømsanlegg, lav­ spenningsanlegg, mellomspenningsanlegg og høyspennings­ anlegg. Med svakstrømsanlegg forstås anlegg hvor elektrisiteten utelukkende brukes til overføring av lyd, bilder, tegn, skrift, figurer, signaler o.l., samt anlegg som arbeider med så lav spenning eller strøm at anlegget ikke kan medføre fare for liv og eiendom. Med sterkstrømsanlegg forstås alle elektri­ ske anlegg som ikke kan ansees som svakstrømsanlegg. Med lavspenningsanlegg forstås sterkstrømsanlegg med spenning opptil 250 V vekselstrøm eller 500 V likestrøm, for sporveis- og baneanlegg opptil 800 V likestrøm. Med mellomspenningsanlegg forstås vekselstrømsanlegg med 21

spenning over 250 V opptil 1000 V eller likestrømsanlegg med spenning over 500 V opptil 1500 V. Med høyspen­ ningsanlegg forstås sterkstrømsanlegg med spenning over 1000 V vekselspenning eller over 1500 V likespenning.

Institusjoner og organisasjoner

Det er en rekke institusjoner og organisasjoner som har sitt virke innen området elektrisitetsforsyning, og som her utøver kontroll eller annen innflytelse. Statsinstitusjonen «Norges vassdrags- og elektrisitetsve­ sen» er allerede nevnt. NVE ledes av et hovedstyre med en generaldirektør og er for øvrig delt i Administrasjonsdirektoratet, Vassdragsdirektoratet, Elektrisitetsdirektoratet og Direktoratet for statskraftverkene. Norske Elektrisitetsverkers Forening (NEVF) ble stiftet allerede i 1901. Foreningens hovedoppgave er å fremme medlemmenes interesser. Men den har etter overenskomst med NVE også som oppgave å administrere institusjonen «Norges Elektriske Materiellkontroll». Norges Elektriske Materiellkontroll (NEMKO) har i henhold til Tilsynsloven av 1929 til oppgave å kontrollere elektriske apparater og materiell for spenning i området 42 til 500 V. NEMKO utgir årlig i bokform komplette og ajourførte lister over godkjente elektriske apparater, mate­ riell, ledninger og lysutstyr. Ved kontrollen legges særlig vekt på brannfare, beskyttelse mot berøring av spenningsførende deler samt radiostøy. Godkjent apparat merkes

NEMKO har et nært samarbeid med tilsvarende institu­ sjoner i de øvrige nordiske land, og representerer de norske interesser i den internasjonale organisasjonen «The Interna­ tional Commission on Rules for the Approval of Electrical Equipment» (CEE). Norsk Elektroteknisk Komite (NEK) har som formål å arbeide for standardisering på det elektrotekniske område, og samarbeider her med Norges Standardiseringsforbund og andre organisasjoner. NEK er det norske medlemsorgan i den internasjonale standardiseringsorganisasjon på det elektrotekniske område «International Electrotechnical Commission» (IEC). Av øvrige norske institusjoner på det elektrotekniske område kan nevnes Elektrisitetsforsyningens Forsknings­ institutt (EFI), Samkjøringen av kraftverker i Norge, Stu-

22

dieselskapet for Norges vannkraft, Statens energiråd og Norsk Elektroteknisk Forening (NEF).

Normer

Som et ledd i arbeidet med standardisering på det elektro­ tekniske området har Norsk Elektroteknisk Komite gitt ut en del normer i form av hefter. Av disse nevnes: «Norske normer for krafttransformatorer», «Norske normer for mekanisk dimensjonering og utførelse av elektriske luftled­ ninger», «Norske normer for PVC-isolert sterkstrømkabel for spenningene 6 kV og 10 kV», «Norske normer for papirisolert sterkstrømkabel (massekabel) for spenninger fra 1 kV til 33 kV», «Norske normer for isolasjon av luftledninger», «Norske normer for tørrbatterier» og «Nor­ ske normer for elektrotekniske tegnesymboler». Publikasjoner fra NEK er basert på IEC’s anbefalinger. Enkelte av disse er vedtatt som Norsk Standard. Dette gjelder f.eks. «Norske normer for elektrotekniske tegnesym­ boler». For de tilfeller der det ikke finnes norske normer, har det vært vanlig å basere seg på IEC-normer, eventuelt svenske eller tyske normer.

1.6 Øvingsoppgaver 1. Nevn eksempler på at likestrøm har fordeler foran vekselstrøm i elkraftteknikken. 2. Hvorfor må vannforbruket i ethvert øyeblikk følge det elektriske energiforbruket i et elkraftsystem basert på vannkraft? 3. Hva er det som utgjør forskjellen mellom bruttoforbruk og alminnelig forbruk? 4. På hvilken tid av året, og på hvilken tid av døgnet, kan en regne med maksimal effekt i det elektriske energifor­ bruket i en norsk by? Begrunn svaret. 5. a) Definer begrepet brukstid for elektrisk energi. b) Et elektrisitetsverk har i løpet av et døgn levert 350 MWh til sine abonnenter. Maksimallasten i dette døgnet var på 25 MW. Beregn brukstiden. (Svar: 14 timer) 6. Hvorfor er det bare ved overføring av store energimeng­ der over lange avstander at det lønner seg å benytte de høyeste spenningene? 23

7. Angi to fordeler og en ulempe med ringnett i forhold til radialnett. 8. Gjør rede for fordeler og ulemper med samkjøring av kraftverker. 9. Hvem fører tilsyn med at Forskrifter for elektriske anlegg blir overholdt? 10. Hva forstås med lavspenningsanlegg ifølge statens for­ skrifter? 11. Hvilke oppgaver har NEMKO, og hvilke oppgaver har NEK?

2 Elektroteknisk ledningsberegning 2.1 Strømsystemer Da en begynte å anvende elektrisiteten til nyttige formål, nyttet en til å begynne med bare seriesystemet, dvs. en koblet alle forbruksapparater (f.eks. lamper) etter hveran­ dre slik at alle fikk samme strøm gjennom seg (se fig. 2.1).

Fig. 2.1 Seriesystem med forbikoblingsbrytere

Dette systemet kan anvendes både for likestrøm og vek­ selstrøm. I et slikt system må alle forbruksapparater være beregnet for samme strøm (de må ha samme merkestrøm), og de vil dele generatorspenningen mellom seg i forhold til de resistanser eller impedanser de representerer. Her gjelder

U

= ^ + ^2+^3+ ••• + £>*

* Pilene (vektortegnene) er tatt med fordi en ved vekselstrøm kan ha faseforskyvning som gjør at aritmetisk summasjon blir feil.

25

For at apparatene skal avgi riktig effekt, må en holde strømmen konstant så lenge resistansene ikke kan varieres. En kan si en har med et konstantstrømsystem å gjøre.

Fig. 2.2 Parallellsystem

Dersom apparatenes resistans eller impedans varierer, vil spennings- og effektfordelingen variere. Ved brudd i et apparat vil hele generatorspenningen bli liggende over dette, noe som kan medføre brann eller personfare. En kan unngå dette ved at en forbikoblingsbryter automatisk blir lagt inn. Ettersom parallellsystemet tidlig kom inn i bildet og har flere fordeler foran seriesystemet, har seriesystemet hatt liten anvendelse. Ved parallellsystemet kobles alle forbruksapparater pa­ rallelt slik at alle får samme spenning (se fig. 2.2). Også dette systemet kan anvendes såvel for likestrøm som for vek­ selstrøm. Her må alle apparater være beregnet for samme spenning (de må ha samme merkespenning). De vil dele generatorstrømmen i forhold til de konduktanser (lednings­ evner) eller admittanser de representerer. Her gjelder

For at apparatene skal avgi riktig effekt ved den strøm de er beregnet for, må en holde spenningen konstant. En kan derfor snakke om et konstantspenningssystem. Forbruksapparatene kan kobles ut og inn uten å påvirke hverandre. Denne uavhengigheten er en stor fordel. Parallellsystemet behøver ikke bestå av bare to hovedle­ dere som utgjør en fram- og tilbakeleder. Både ved li­ kestrøm og vekselstrøm nyttes i stor utstrekning forskjellige

26

flerledersystemer. En kan også benytte jord som tilbakeleder og dermed få et enledersystem. Av flerledersystemer for likestrøm er det systemet som er vist i fig. 2.3 viktigst.

Fig. 2.3 Treledersystem for likestrøm

En kan si at dette systemet består av to stk. toledersystem med felles tilbakeleder. En sparer dermed en leder. Dessuten vil strømmen i tilbakelederen kunne bli nær null slik at tverrsnittet kan reduseres (/0 = —/2). Videre har systemet den fordel at en kan ta ut en spenning som er summen av de to sammensatte systemers spenninger, f.eks. som vist på fig. 2.3. Som tilbakeleder eller null-leder benyttes i mange tilfeller jord. Det systemet som er vist i fig. 2.3, benyttes først og fremst ved likestrøm, men kan også benyttes ved vekselstrøm. En snakker da om enfase treledersystem. Ved vekselstrøm er imidlertid trefase treledersystemet (fig. 2.4) og trefase fireledersystemet (fig. 2.5) viktigst. For

Fig. 2.4 Trefase treledersystem med 3 enfaselaster og 1 trefaselast

øvrig skal nevnes tofase treledersystemet (fig. 2.6) som benyttes en del i forbindelse med industriovner. 27

R

Fig. 2.6 Tofasesystem med 2 enfaselaster

Ved trefasesystemene har en spenningskilder hvor fasespenningene er 120 grader forskjøvet i tid. Ved tofasesystemet har en 90 graders faseforskyvning mellom spenningene i de to fasene. Spenningskildene (på et spenningsnivå) kan ved vekselstrøm være enten generatorviklinger eller en transformators sekundærvikling. Ved overgang fra symme­ trisk trefasesystem (lik spenning og impedans i alle faser) til symmetrisk tofasesystem kan benyttes en transformator i såkalt Scott-kobling (blir ikke behandlet i denne boka). Legg merke til at om alle parallelle belastninger slås sammen til en resultantlast, vil trefasesystemene kunne tegnes som vist på fig. 2.7.

Fig. 2.7 Ekvivalentskjema for trefasesystem (forenklet)

28

En ser at ved treledersystemet utgjør lasten en trekantkobling av impedanser, mens den ved fireledersystemet utgjør en stjernekobling. Spenningskildene kan være både stjernekoblet og trekantkoblet ved treledersystemet. Ved fireledersystemet kan ikke spenningskilden være trekantko­ blet på grunn av null-lederen. Her benytter man imidlertid ofte såkalt siksak-kobling (se Elkraft-teknikk 1) i stedet for stjernekobling av transformatorens sekundærvikling. Årsa­ ken til dette er at en kan få problemer ved skjevlast mellom fase og null-leder når transformatorenes sekundærside er stjernekoblet. Ved lavspent fordeling (220 til 230 volt) nyttes begge disse trefasesystemene. Ved treledersystemet må da hovedspenningen være lik den spenning apparatene er beregnet for, dvs. 220-230 V, mens en ved fireledersystemet må ha en hovedspenning som er lik forbrukerspenningen multiplisert med ]/3, dvs. ca. 380 V. Her blir nemlig apparatene tilkoblet mellom null-leder og fase slik at de får fasespenningen. Når det gjelder trefaseapparater som f.eks. større motorer, må de alltid ha en merkespenning som er lik systemets hoved­ spenning. Legg merke til at null-lederen er jordet og at det kan være aktuelt med såkalt nulling av kapslingen til et forbruksapparat. (Se fig. 2.5.) I elektrisitetsforsyningen nyttes altså et høyere spennings­ nivå ved fireledersystemet enn ved treledersystemet. Dette medfører mindre strømmer ved en viss effekt og dermed besparelser, men også større faremomenter. I Norge er treledersystemet nesten enerådende, mens en f.eks. i Sverige for det meste nytter fireledersystemet.

2.2 Spenningsfall og effekttap Ekvivalentskjema ved toledersystem

I strømførende ledninger vil den elektriske strømmen alltid møte en viss resistans. Dette gjelder såvel ledninger i maskiner og apparater som forbindelsesledninger mellom energikilde (spenningskilde, strømkilde) og last. På grunn av magnetfelt og elektrisk felt i forbindelse med strømmen vil det også alltid eksistere mer eller mindre reaktans og kapasitans. Ved likestrøm vil reaktanser og kapasitanser bare merkes ved inn- og utkobling av strømkretser (overgangsforløp), mens en ved vekselstrøm vil kunne ha føling med disse begrepene hele tiden ved siden av resistansen.

29

Dersom en skal kunne danne seg et fullstendig bilde av hvordan resistanser, reaktanser og kapasitanser virker, f.eks. i et toledersystem, må en bruke et forholdsvis kompli­ sert ekvivalentskjema, f.eks. som vist i fig. 2.8.

Fig. 2.8 Fullstendig ekvivalentskjema for toledersystem

Det er særlig hensynet til de jevnt fordelte kapasitansene og isolasjonsresistansene som kompliserer skjemaet. I de fleste tilfeller viser det seg imidlertid at nettopp disse har svært liten betydning for spenningen og effekten ved normal drift. Bare ved de høyeste spenninger og ved særlig lange overføringslinjer eller kabler vil feilen kunne bli betydelig ved å neglisjere kapasitansene eller isolasjonsresistansene. For luftledninger regnes vanligvis grensene å være 100 kV og 50 til 100 km. for å kunne regne med bare ledningsresistans og reaktans. Ved å se bort fra kapasitanser og avledning gjennom isolasjonen, kan ekvivalentskjemaet i fig. 2.8 forenkles til det som er vist i fig. 2.9.

Fig. 2.9 Forenklet ekvivalentskjema for toledersystem

Her er resistansen i hver leder (ledning) representert i ett symbol. Det samme gjelder reaktansen. Dersom en har en avgrening, må imidlertid lederstykkene på hver side repre30

senteres i hver sine symboler. På den annen side kan en som regel slå sammen resistans, henholdsvis reaktans for framog tilbakeleder i ett symbol og dermed få en ytterligere forenkling.

Definisjoner og re8*er

Ved bruk av Kirchhoffs lover kan en summere aritmetisk ved likestrøm, mens en ved vekselstrøm ofte må summere de

Fig. 2.10 Likestrømkrets

Fig. 2.11 Vekselstrømkrets

tilsvarende verdier (effektivverdier) vektorielt. For den enkle likestrømkretsen som er vist i fig. 2.10 kan en sette

Ur = RI+U2 + RI Ur-U2 = 2RI

(2.2a)

For den tilsvarende vekselstrømkrets i fig. 2.11 blir lignin­ gen

= zT+u2+zT Ur-U2 = 2ZI

(2.2b)

En må her være oppmerksom på at en bare i spesialtilfeller kan sette U.-U2 = \UX\-\U2\

Dette betyr at den spenning en til sammen vil måle med voltmeter langs ledningene ikke nødvendigvis er lik diffe­ rensen mellom spenningene målt med voltmeter for hen­ holdsvis Ur og U2. En har valgt å definere spenningsfallet mellom to steder i et ledersystem som differensen mellom de disponible spen­ ninger en vil måle med voltmeter. Begrepet spenningsfall er dermed entydig både ved likestrøm og vekselstrøm. Gene­ relt kan spenningsfallet uttrykkes matematisk ved AU=\Ul\-\U2\

31

(2.2c)

Effekttapet i ledningene blir i en enkelt likestrømkrets som den en har i fig. 2.10 AP = (Ut - U2)I = 2RI2

(2.2d)

Bortsett fra ved rent ohmske nett kan en ved vekselstrøm ikke sette

AP = (U1-U2)I Årsaken er at en må ta hensyn til faseforskyvningen mellom strøm og spenning. Kjenner en imidlertid resistansen i ledningene kan en såvel ved vekselstrøm som ved likestrøm benytte AP = RI2 (watt pr. leder)

(2.2e)

Ved vekselstrøm snakker en også om tap av reaktiv effekt i ledningene. Dette tapet kan tilsvarende uttrykkes ved AQ = XI2 (VAt pr. leder)

(2.2f)

For spenningsfall og effekttap er det ofte praktisk å nytte relative eller prosentuelle verdier. Det kan da være spørsmål om disse skal regnes ut fra spenning og effekt i mateende eller den ende av ledningene som lasten er tilknyttet (motta­ kerende). Her vil imidlertid verdiene i mottakerenden kon­ sekvent bli brukt som utgangspunkt. Årsaken til dette valget er først og fremst at det er spenningen og effekten i denne enden en har merkeverdier for i og med forbruksapparatenes merkeverdier. En må sørge for mest mulig kon­ stante forhold i denne enden slik at merkeverdiene kan holdes. Spenning og effekt i mateenden må tilpasses etter disse verdiene samt tapet i ledningene. De prosentuelle verdier for spenningsfall og effekttap uttrykkes ved Au = -^-100%

(2.2g)

Ap =—-100%

(2.2h)

^*2

Verdiene er naturligvis avhengig av belastningens størrelse. For at de skal kunne oppgis som entydige verdier, må de være gitt ved en viss last, vanligvis maksimallast eller merkelast. 32

Både av tekniske og økonomiske grunner bør de relative verdier holdes små. En må særlig være oppmerksom på de spenningsvariasjoner spenningsfallet kan føre til. Det er ofte snevre grenser for hva forbruksapparatene kan tåle av spenningsvariasjoner for å virke helt tilfredsstillende. Som eksempel kan nevnes at lyset fra glødelamper er meget spenningsavhengig, og at selv små spenningsvariasjoner kan føre til irriterende blinking (særlig ved 1 til 30 variasjo­ ner pr. sek.). En krever vanligvis at spenningsfallet i ledninger holdes under 2 til 5% ved lavspenning. Ved ren motorlast kan noe mer tillates.

Lederkonstanter

Resistans og reaktans pr. meter ledning kan uttrykkes ved

R = rl og X = xl

(2.2i)

Her er

l = ledningens (eller kabelens) lengde. r = resistans pr. lengdeenhet (m eller km). x = reaktans pr. lengdeenhet (m eller km).

/ Resistansen kan beregnes ut fra formelen R = q — A = spesifikk resistans for ledermaterialet. A = ledertverrsnitt. q

Reaktansen skriver seg fra det magnetfelt en vil få i forbindelse med strømmen. Den avhenger av frekvens, geometriske forhold og om ledermaterialet er magnetisk. Tallverdiene vil ikke avhenge så sterkt av ledertverrsnittet som resistansen. Ved overslagsberegninger kan en for umagnetiske ledere anta at x æ0,4 ohm/km og fase for trefase luftledninger. For jordkabler vil verdiene være i området 0,04 til 0,14 ohm/km og fase ved spenninger opp til 66 kV. Reaktansen vil avta ved økende ledertverrsnitt og øke ved økende lederavstand. Den vil følgelig være mest merkbar ved høye spenninger. x Ved lavspente trefasekabler er forholdet — 2 + RI+jXI

(2.21)

Tallverdien (det en vil måle med voltmeter) blir l^iyl = j/(^2y COS (p2 + RI)2 + (U2y sin cp2 + XI)2 (2.2m) c) Projeksjonsmetoden Dette er en «tilnærmet» beregningsmetode. Men den er som regel den raskeste metoden, og nøyaktigheten er i de fleste tilfeller tilstrekkelig. Metoden er illustrert i fig. 2.18. En ser at

AU = \Uly\ —\U2y\KIR cos (p2 A-IXsin (p2 37

(2.2n)

Fig. 2.18 Prosjektmetoden for beregning av spenningsfall

Ved bruk av projeksjonsmetoden ser en at spenningsfallet kan uttrykkes på følgende måte: Ved enfase

d U = 2I(R cos cp2 + X sin (p2) 2IU2 cos (o2 , „ =----- 2 -(Å+Xtan