neuen technologien für die Übertragungsnetze von morgen

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| | Platzhalter Logo/Schriftzug (Anpassung im Folienmaster: Menü «Ansicht» «Folienmaster») 18.06.2015 Christian M. Franck 1 Christian M. Franck (ETH Zürich, D-ITET, HVL) ESC / RGI – Anlass: «Das Stromnetz der Zukunft», 18. Juni 2015 Untertitel: Stichpunkt 1.Ebene Stichpunkt 2.Ebene Titel Neue Technologien für die Übertragungsnetze von Morgen Quelle: Axpo

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Page 1: Neuen Technologien für die Übertragungsnetze von Morgen

||Platzhalter Logo/Schriftzug(Anpassung im Folienmaster: Menü «Ansicht» «Folienmaster») 18.06.2015Christian M. Franck 1

Christian M. Franck (ETH Zürich, D-ITET, HVL)ESC / RGI – Anlass: «Das Stromnetz der Zukunft», 18. Juni 2015

Untertitel: Stichpunkt 1.Ebene

Stichpunkt 2.Ebene

Titel

Neue Technologien für die Übertragungsnetze von Morgen

Quelle: Axpo

Page 2: Neuen Technologien für die Übertragungsnetze von Morgen

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Motivation

• increased use of new renewable generation sites• long distance between source and load• fluctuating sources and loads• remote bulk storage sitesbut:• little public acceptance for large infrastructure projects

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What are the options (today)?

• Building new overhead lines

• «Upgrading» existing infrastructure

• Underground transmission lines

Aim of talk:• Give overview on (near future) technology options

with advantages and disadvantages

• Give two detailed examples on present research at ETH-HVL

Page 4: Neuen Technologien für die Übertragungsnetze von Morgen

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New OHL (established)

Typical tower structures and rights-of-way for alternative transmissionsystems (2000 MW) [Arrillaga, 1998]

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New OHL (novel)

Four-circuit Wintrackpylon (380kV)[tennet.eu]

16.7 Hz transmission- lower losses- less reactive power

Novel tower design

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„Upgrading“

………… make better use of existing infrastructure

• Voltage increase

220kV 380kV

380kV 500kV

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„Upgrading“

………… make better use of existing infrastructure

• Voltage increase

220kV 380kV

380kV 500kV

• PMU / FACTS – devices

[abb.com]

Page 8: Neuen Technologien für die Übertragungsnetze von Morgen

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„Upgrading“

………… make better use of existing infrastructure

• Voltage increase

220kV 380kV

380kV 500kV

• PMU / FACTS – devices

• High Temperature Conductors

[abb.com]

[3m.com]

Page 9: Neuen Technologien für die Übertragungsnetze von Morgen

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„Upgrading“

………… make better use of existing infrastructure

• Voltage increase

220kV 380kV

380kV 500kV

• PMU / FACTS – devices

• High Temperature Conductors

• Dynamic Line Rating

• Hybrid HVAC/HVDC overhead lines

[abb.com]

[3m.com]

Page 10: Neuen Technologien für die Übertragungsnetze von Morgen

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„Upgrading“

………… make better use of existing infrastructure

• Voltage increase

220kV 380kV

380kV 500kV

• High Temperature Conductors

• PMU / FACTS – devices

• Dynamic Line Rating

• Hybrid HVAC/HVDC overhead lines

Example in this presentation

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Undergrounding (today)

• Paper-Oil Insulated cables

• XLPE insulated cables

[abb.com]

[bruggcables.com]

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Undergrounding (prospective)

• Gas Insulated Lines

• Superconducting Cables

[siemens.com]

[nexans.de]

Page 13: Neuen Technologien für die Übertragungsnetze von Morgen

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Example I: Hybrid AC/DC overhead lines

In cooperation with and/or supported by:

Page 14: Neuen Technologien für die Übertragungsnetze von Morgen

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Example I: Hybrid AC/DC overhead lines

400kV multi-circuit AC line replace one AC system

with HVDC using existing construction

Research question: optimal conductor

arrangement subject to legislation constraints?(several hundred options)

Page 15: Neuen Technologien für die Übertragungsnetze von Morgen

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Example I: Hybrid AC/DC overhead linesadvantage: DC power with Upeak

no skin-effect No reactive power of line Better control of power flow

(n-1 criterion)

Influencing factors: Split up AC bundles?

Neutral return? Structural strength?

Voltage increase? Insulators? Corona?

~ +

−~

~

oo

n

~ +

−~

~

Page 16: Neuen Technologien für die Übertragungsnetze von Morgen

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Example I: Hybrid AC/DC overhead linesCorona: - partial discharges due to locally enhanced fields

- Ionisation above critical surface voltage gradient- space-charge dominated electric field strength

effects: power loss, space charge, radio interferenceaudible noise, ozone production

source: Phase-One @ ETH Zürich

[Kapzow 1955]

Foto: High Voltage Laboratory, ETH

Page 17: Neuen Technologien für die Übertragungsnetze von Morgen

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Example I: Hybrid AC/DC overhead lines

effects: power loss, space charge, radio interferenceaudible noise, ozone production

magnetic ground fieldelectric ground field

Corona

magnetic ground fieldelectric ground field

Ion currentsCorona

AC fields

AC-Corona

DC fields

DC-Corona

Quelle: Phase-One @ ETH Zürich

Page 18: Neuen Technologien für die Übertragungsnetze von Morgen

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Verification of simulations with experiments

Corona investigation at ETH Zurich (HVL)

Calculation of

• Ion currents• Current coupling• Fields on ground• Audible noise

Page 19: Neuen Technologien für die Übertragungsnetze von Morgen

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Corona investigation at ETH Zurich (HVL)

HVL-LabHVDC (6m)± 0-240 kV

HVAC (6m)0-200 kVeff

FKH-Dänikensource: Google Maps

l = 40md = var. Outdoor

(in preparation)

Page 20: Neuen Technologien für die Übertragungsnetze von Morgen

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Field enhancement on ground by ions

Electric field is influenced by ion currents (space charge)

[Guillod 2013], ETH

Conductor arrangement• Optimization possible• conductors can shield ion currents• but: current coupling

Page 21: Neuen Technologien für die Übertragungsnetze von Morgen

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Ion drift by wind

wind increases corona current

Influence of wind direction

wider corridor?

increased coupling?

[Guillod et al. 2014], ETH

Page 22: Neuen Technologien für die Übertragungsnetze von Morgen

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DC corona and rain (lab)

(1) Start of rain, drops on top

(2) Constant rain, many (sharp) drops

(3) After rain (drying off), few (blunt) drops

(1) Start of rain: Corona onset due to rain drops Increasing number of drops

Increasing corona currentdecreasing audible noise level

(2) steady-state rain: Many (sharp) droplets

Highest ion current level Lowest audible noise level

(3) After rain (drying off): Few (blunt) drops

Highest audible noise level lowest ion current

(1)

(2)

(3)

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Future Electric Power Transmission

today: 2’000 MVA «tomorrow»: 5’600 MVA

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Future Electric Power Transmission

today: 2’000 MVA «tomorrow»: 5’600 MVA

2 x 400 kVAC: 2 x 1’000 MVA

400 kVAC: 1’700 MW

500 kVDC: 2’900 MVA400 kVAC:

1’000 MVA

Page 25: Neuen Technologien für die Übertragungsnetze von Morgen

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit