Sähkönsiirtojohdon reaktanssin pienentäminen

Abstract

Tässä kandidaatintyössä etsitään ratkaisua ongelmaan, joka syntyy, kun alkuperäisellä johtokadulla on kaksi voimajohtoa ja kolmas voimajohto kiertää pidemmän matkan. Mikäli toinen alkuperäisen johtokadun voimajohdoista vioittuu, joudutaan asemavälillä siirtämään tehoa vain yhdellä alkuperäisellä johtokadulla olevalla johdolla sekä kiertävällä voimajohdolla. Koska kiertävän voimajohdon impedanssi on suurempi, kuormittuu alkuperäisellä johtokadulla oleva johto enemmän. Tällöin on mahdollista, että kyseinen voimajohto ylikuormittuu. Suurjännitejohdon impedanssi koostuu resistanssista ja reaktanssista, mutta reaktanssi on suurjännitejohdoilla huomattavasti suurempi.

Työn tavoitteena oli selvittää, miten voimajohdon reaktanssia pystytään pienentämään johdin- ja osajohdinasettelulla sekä laskea erilaisten asetteluiden reaktansseja. Työssä selvitettiin myös vähimmäisetäisyydet vaihejohtimien välillä ja vähimmäisetäisyydet vaihejohtimien ja ukkosjohtimien välillä. Työhön kuului myös karkea kustannusanalyysi, jossa etsittiin suuntaa-antavat kustannusarviot erityyppisten voimajohtojen rakentamiselle. Työ tehtiin Fingrid Oyj:lle.

Työtä varten tehtiin Excel-laskentataulukko, jolla pystytään laskemaan erilaisten johdin- ja osajohdinasetteluiden reaktansseja. Työssä koottiin erilaisten asetteluiden reaktanssit ja arvioidut kustannukset taulukkoon, jota voi käyttää verkkosuunnittelun apuna. Lasketut reaktanssit verifioitiin PSCAD-ohjelmistolla.

Tutkimuksessa havaittiin, että voimajohdon reaktanssia pystytään pienentämään suurentamalla osajohtimien etäisyyttä tai pienentämällä vaiheväliä. Yksittäisellä voimajohdolla osajohdinvälin suurentaminen ei pienennä voimajohdon reaktanssia merkittävästi. Vaiheväliä voidaan pienentää vaihtamalla eristinketjun tyyppiä, mutta se ei alenna reaktanssia merkittävästi. Voimajohdon toteuttaminen delta-asettelulla pienentää reaktanssia merkittävästi vain, jos lisätään kolmas osajohdin. Kolmen osajohtimen delta-rakenteisen johdon rakennuskustannukset ovat kuitenkin korkeat. Reaktanssia voidaan pienentää huomattavasti, jos johto toteutetaan kaksoisjohtona, jonka vaiheet on kytketty rinnan.

Työn jatkotutkimus- ja kehityskohteita ovat selvitettyjen johdingeometrioiden vaikutukset koronahäviöihin, sähkökenttiin ja vuorottelun toteuttamiseen. Lisäksi voimajohtorakenteiden kustannusanalyysiä tulee tarkentaa ja jatkotutkimuksissa tulee selvittää käytännön toteutustapoja matalareaktanssiselle voimajohdolle.

This thesis seeks to find a solution to a problem which occurs when two transmission lines are on the original right-of-way and a third goes a longer distance. If one of the lines in the original right-of-way is damaged, power will only go through the remaining line in the original right-of-way and the longer line. Because the longer line has greater impedance the line in the original right-of-way will take more load. In this case it is possible that the line in the original right-of-way will overload. Impedance in high voltage transmission lines consists of resistance and reactance, but reactance is much higher.

The goal of this bachelor’s thesis was to find out how to reduce the reactance of a transmission line with conductor and sub-conductor positioning and to calculate the reactances of different layouts. The minimum distances between the phase conductors and between the phase and earthing conductors were also researched. The thesis includes rough cost analysis which finds directional costs of building transmission lines with different layouts. The thesis was made for Fingrid Oyj.

For this thesis, an Excel spreadsheet was made for calculating the reactances of different conductor and sub-conductor layouts. The reactances and estimated costs with different layouts are compiled into a table which can be used in designing transmission line routes. Calculated reactances were verified with PSCAD software.

The study found that the reactance of the transmission line can be reduced by enlarging the distance between sub-conductors or by reducing the spacing between phase conductors. Enlarging the sub-conductor spacing does not significantly reduce the reactance of the transmission line. The phase conductor spacing can be reduced by changing the type of insulation strings, but it does not significantly reduce reactance. Transmission line can be made with a delta-layout but it reduces reactance significantly only if a third sub-conductor is added. However, the construction costs of a three sub-conductor delta-layout are expensive. Reactance can be significantly reduced if the conductor is made by a double circuit line where phases are coupled in parallel.

The future research and development targets are different layout’s effects to the corona discharges, electric fields and phase transposition. Cost analysis also needs to be refined and further studies should clarify practical implementation methods for a low-reactance transmission line.