Dynamisch netbeheer


alt

Bij dit project deden we een onderzoek voor TenneT, naar dynamisch netbeheer.

Één van de testen hield in een 50mm^2 koperen staaf tot 100 graden te verwarmen bij windkracht 7 (omgeving 12,2 graden), hier was bijna 1000A voor nodig. Onze opstelling kon meer dan 3000A maken.

Omdat hoogspanningslijnen door wind en weer gekoeld worden is het mogelijk om de transportcapaciteit tijdelijk hoger te nemen dan waarvoor de lijn gespecificeerd is. Dit is erg praktisch omdat het net zo veel breder benut kan worden, ook een (tijdelijke)toenemende energievraag kan hiermee opgevangen worden.


Op dit moment wordt er binnen TenneT TSO B.V. vooral statisch netbeheer bedreven. Hiermee wordt bedoeld dat de capaciteit van verbindingen op de ontwerpeisen worden vastgesteld. Als er een 300 MVA verbinding wordt gerealiseerd zal deze verbinding in de bedrijfsvoering nooit boven deze waarde worden belast. Feit is echter dat de capaciteit van een verbinding in hoge mate afhankelijk is van bijvoorbeeld weersinvloeden. Vooral wind en neerslag hebben een grote invloed. De capaciteit van een verbinding kan enkele tientallen procenten hoger zijn op momenten dat er veel wind is. Dit heeft namelijk een koelend effect op de lijn. Op dit moment wordt het transportnet dus niet tot zijn volledige capaciteit benut.

De opdracht luidt dan ook: Zet een methode voor dynamisch netbeheer op waarbij weerinvloeden worden meegenomen.

Het dynamisch netbeheer houdt dus in dat de belasting van de hoogspanningslijnen mede afhangt van de capaciteit, waar weerfactoren dus invloed op hebben.
Het doel is om te komen tot een formule (in een excelsheet) die de transportcapaciteit van een lijnstuk bepaalt aan de hand van omgevingstemperatuur, windsnelheid en, indien van belang, windrichting en neerslag.  Met deze uitkomst kan er meer capaciteit uit het transportnet gehaald worden.

Voor de metingen is er gebruik gemaakt van een zelfgebouwde testopstelling: Een ventilator die tot windkracht 7 kan simuleren, een tweetal transformators aan een variac (maximaal 260V) en een lijnstuk (koper) met een thermokoppel.  Door het lijnstuk koper 1 maal door de kern van de transformatoren te voeren kan er een stroom van meer dan 3000A opgewekt worden, echter is 1000A al voldoende voor deze metingen.

Aan de regeleenheid van de ventilator zit een potentiometer om de snelheid te regelen: Hierover is de spanning gemeten bij verschillende instelling en gekoppeld aan de gemeten windkracht. De windkracht is gemeten met een anemometer en een oscilloscoop. Zie bijlage I voor de gegevens van de anemometer.
Er wordt een temperatuurgrens aangehouden, namelijk 60, 80 en 100 graden. Bij deze temperatuur word de stroom gemeten bij verschillende windsnelheden.

De meetresultaten bij een omgevingstemperatuur van 12,2 graden celcius bij verschillende draaddikten:



Windkracht

De resultaten zijn in verhouding tot windkracht volgens de schaal van Beaufort, dit omdat een windkracht meer zegt dan een snelheid in m/s. Omrekenen is echter niet moeilijk: v=0,836 B^(3/2)  met v als gemiddelde windsnelheid gedurende 10 minuten op een hoogte van 10m boven de grond en B als windkracht op de Beaufort schaal.
Op een bepaalde afstand van de ventilator hangt een lijnstuk met het thermokoppel. Een stroomtang meet de stroom.

Turbulentie

Het gebruik van een ventilator geeft wel een zeer turbulente stroming. Deze is te waarderen met het Reynoldsgetal: Re=VL/v met Re als Reynoldsgetal, V als snelheid van het stromende medium, L als lengte (diameter van de ventilator) en v als dynamische viscositeit. Voor deze opstelling komt daar ter plaatse (op een afstand 0 van de ventilator) een getal uit van 176000, een stroming is turbulent vanaf 3500. Omdat het hier een gas betreft en geen vloeistof mag er rekening gehouden worden met een factor van ongeveer 100 om te compenseren (het Reynoldsgetal word eigenlijk gebruikt voor stromingen van viscose vloeistoffen in processen) maar dit verandert niets aan de uitkomst dat de stroming zeer turbulent is. Op 30 cm afstand van de ventilator moet dit ook al iets beter zijn. De wind daarentegen is minder turbulent. Uit een onderzoek van Werner en Draxl uit 2007 blijkt echter wel dat wind bij hogere snelheid, op een hoogte van 30 meter, ook al zeer turbulent is. Met dit resultaat is voor dit project besloten dat de meetresultaten betrouwbaar zijn om een redelijke inschatting te maken van de invloed van wind op transportcapaciteit.  Wel moet opgemerkt worden dat turbulente wind een beter koelend effect heeft dan laminair stromende wind.
Deze meting is herhaald om na te gaan dat de eerste meting correct is verlopen. Ook is gemeten met verschillende omgevingstemperaturen en verschillende diameters.
Er blijkt inderdaad een verband te bestaan tussen windsnelheid, omgevingstemperatuur, diameter, hoek en stroomsterkte(zie verslag).

In de grafiek staat dus bijvoorbeeld dat bij een normale temperatuur van 80 graden en windkracht 4 er een stroom van 76 A kan lopen in plaats van de 35 A die er normaal mag lopen. Let wel, het gaat hier om koper (installatiekabel) en niet om een aluminiumlijn. De omgevingstemperatuur in deze metingen was 22.6 graden. Er word in de eindformule nog een correctie toegepast. Het blijkt dat de capaciteit bijna lineair toeneemt (er zit een knik in de grafiek bij windkracht 4) met een toenemende windkracht (Beaufort) en kwadratisch met oppervlak van de geleider (lineair met de diameter). De omgevingstemperatuur speelt ook een grote rol. Zie bijlagen voor alle resultaten.
Hoek

In de praktijk staat de wind niet altijd loodrecht op een lijnstuk. Daarom zijn ook metingen verricht onder andere hoeken, namelijk 30 en 45 graden. Er is afgesproken om te spreken over 0 graden hoek als het lijnstuk in dezelfde richting loopt als de windstroom en 90 graden als het lijnstuk dwars in de windrichting ligt. Het blijkt dat bij een hoek van 30 graden er weinig verschil is, maar bij 45 graden is de koeling al effectiever.
De koeling is het meest effectief is bij een bepaalde hoek. Naarmate de hoek kleiner dan deze optimale hoek word, word de koeling ook minder effectief. De top ligt bij een hoek iets groter dan 45 graden,  (bepaald met een polynomiale benadering van de tweede macht) op ongeveer 60 graden.


Krachten

Als er meer stroom door een geleider gaat, doordat de capaciteit toeneemt vanwege bijvoorbeeld de koelende werking van wind en regen, neemt ook het magnetisch veld rond deze geleider toe, met de krachten hierin. Deze krachten zijn ook gemeten en berekend. Dit is van belang voor dit project omdat de geleiders van hoogspanningslijnen in paren aan de masten hangen. De afstand tussen deze lijnen word bewaard door gebruik te maken van spacers.
Vorst
Het blijkt dat de omgevingstemperatuur een zeer grote rol speelt in de koeling van een hoogspanningslijn. De verrichtte metingen zijn gedaan bij een omgevingstemperatuur van 22.6 graden (luchtvochtigheid 58%) en 12.2 graden (luchtvochtigheid 64%). De transportcapaciteit nam toe met 20%, op een koperen geleider met oppervlakte van 6 mm kwadraat.



Conclusie

Er zijn theoretische mogelijkheden voor een dynamisch netbeheer waarbij alle invloeden (wind, regen, vorst, sneeuw, luchtvochtigheid, turbulentie,...) worden meegenomen maar de praktische kant ligt veel moeilijker. Het is van belang dat IEDER stuk lijn voldoende wordt gekoeld. Het is daarentegen onmogelijk om op elk stuk van het traject de temperatuur, regenval, windsnelheid e.d. te meten, dit gaat immers teveel kosten.
De verbanden tussen de weersinvloeden en transportcapaciteit zijn wel aangetoond en onderzocht. Een semi-dynamisch netbeheer dat alleen uitgaat van de omgevingstemperatuur is wel praktisch mogelijk.

Er is een eindformule tot stand gekomen, waaruit aan de hand van omgevingstemperatuur, invalshoek van de wind en oppervlakte van de geleider een maximale stroom berekend word die door deze geleider onder deze omstandigheden mag lopen zodat de maximum temperatuur van 80 graden niet overschreden wordt. Zie de projectbestanden voor meer informatie.

Download de projectbestanden


We hebben 50 gasten en geen leden online