1. Fyrirlestur í Tækniskólanum um “afl í rásum með fasviki”. Af hverju er notuð riðspenna en ekki jafnspenna? Aðallega vegna þess að riðspennu er auðvelt að hækka og lækka með spennibreyti. Jafnspennu er nær ógerlegt að breyta. Af hverju viljum við breyta spennu?

2. Riðspenna Í húsum viljum við helst nota lága spennu en á langleiðum frá orkuverum viljum við nota háa spennu. Hver er kosturinn við að nota háa spennu á langleiðum? Straumurinn í línunni lækkar þegar spennan hækkar þar sem aflið sem línan flytur er margfeldi straums og spennu, P=U*I.

3. Launafl/Raunafl Hvað er launafl. Afl er alltaf margfeldi spennu og straums. Riðstraumur og riðspenna eru stöðugt að skipta um formerki og eru ekki alltaf í fasa og því getur afl flætt í báðar áttir. Aflinu má skipta í tvær gerðir, önnur er alltaf pósitíf og kallast raunafl (P) og hefur eininguna (W) Það er það afl sem fer inn í álagið.

4. Launafl/Raunafl Hin kallast launafl (Q) og hefur eininguna Volt Amper reactive (Var) og sveiflast fram og til baka. Heildaraflið kallast sýndarafl (S) með eininguna Volt Amper (VA). Spólur eru skilgreindar sem launaflsþegar af því að þær taka við launafli en þéttar eru skilgreindir sem launaflgjafar því þeir gefa frá sér launafl.

5. Launafl/Raunafl Raunafl getur aldrei breyst í launafl og launafl getur aldrei breyst í raunafl. Jákvæð spenna og neikvæður straumur (eða öfugt) gefa frá sér neikvætt afl. Neikvætt afl er kallað Launafl. Launafl framkvæmir ekki neina vinnu, en þrátt fyrir það til staðar og veldur töpum í flutningskerfum raforku. Það afl sem nýtist og fer í gegnum mæla Rafveitna í öllum heimahúsagerðum kallast raunafl

6. Launafl Launafl – hvað er það? Einn grundvallarmunur á loftlínu og jarðstreng er eiginleiki þeirra til að mynda launafl. Launafl er mælt í VAR (Q) er eðlilegur og nauðsynlegur fylgifiskur riðspennu, en launaflið framkvæmir ekki neina vinnu. Yfirleitt er talað um að launafl myndist í þéttum og strengjum en sé notað í spólum, þar með töldum mótorum. Launaflið tekur upp ákveðna flutningsgetu í línum og strengjum og því meira launafl sem er flutt þeim mun minna raunafl er hægt að flytja.

7. Launafl Strengir og línur framleiða mismikið launafl. Strengir um 20-50 sinnum meira en línur. Of mikið launafl í flutningskerfinu hækkar spennu og gerir stýringu hennar erfiða og jafnvel ómögulega. Nauðsynlegt er að jafnvægi ríki hverju sinni á milli notkunar og framleiðslu launafls í flutningskerfinu. Ef strengur er það langur að hann er farinn að hafa áhrif á spennustýringu flutningskerfisins þarf að jafna út rýmdaráhrifum hans með útjöfnunarstöð.

8. Útjöfnunarstöð til að eyða launafli. Tengja þarf spólurnar við spenni á 5-20 km millibili en fjarlægðin ræðst af spennu strengsins og eiginleikum flutningskerfisins hverju sinni. Spólan er tengd með því að taka enda strengjahlutanna upp úr jörðu, setja í tengimúffur og tengja við spólurnar.

9. 400 kV launaflsjöfnunarstöð Einnig er nauðsynlegt að setja yfirspennuvara til varnar yfirspennu. Á mynd sést annar endi strengs, yfirspennuvari og spóla (shuntreactor)

10. Launafl = Orkutap Ef koma á 220 þús. Volta dreifikerfinu í jörð í hringlínunni, kostar það um 300 milljarða. En það er ekki allur pakkinn. Jarðstrengir auka launafl verulega, sérstaklega á lengri vegalengdum. Launafl veldur miklu orkutapi. Það upphefst mikil orka við launaaflið í strengjunum. Ef allar stóru línurnar okkar verða settar í jörð samsvarar það því að öll orka Búrfells gufaði upp bæði raunafl og launafl.

11. Raunafl/Launafl Raunafl: Aflið sem raforkuframleiðandinn lætur kaupandanum í té skiptist í tvo hluta: Raunafl, sem er hinn nytsamlegi hluti aflsins og hitar eldavélar og knýr tæki o.s.frv. og launafl, en það nýtist kaupandanum ekki.Flest tæki sem knúin eru riðstraumi taka hluta raforkunnar og fela hana í segulsviði umhverfis straumleiðara sína, launaflið sér tækjunum fyrir þessari orku. Kaupandi raforkunnar greiðir aðeins fyrir raunaflið og gerir raforkuframleiðandinn því iðulega þá kröfu til kaupandans að búnaður hans noti hlutfallslega lítið launafl.

12. Raunafl/Launafl Raunafl: Raunafl hefur eininguna Watt [W] og einkennið (P). Líkja má því við magnið sem streymir úr vatnspípu á tímaeiningu s.s. lítrar á sekúndu. Orka er afl eða raunafl sinnum tími og mælist t.d. í Wattstundum [Wh]. Algengast er að nota eininguna kílówattstundir eða [Kwh].

13. Loftlínur eða jarðstrengir Á undanförnum misserum hafa skapast talsverðar umræður um möguleika þess að leggja flutningskerfi raforku sem jarðstrengi í stað loftlína til að draga úr sjónrænum áhrifum háspennulína. Dreifiveitur hafa víða lagt raflínur í jörð en þær hafa mun lægri rekstrarspennu en háspennulínur í flutningskerfinu (66 kV og hærri spenna). Tækniframfarir og kostnaðarþróun undanfarinna ára hafa gert dreifiveitum þessa breytingu mögulega.

14. Loftlínur eða jarðstrengir Háspennulínur, yfir 100 kv spennu, eru almennt lagðar sem loftlínur hér á landi eins og reyndar um allan heim. Ástæður þess eru í senn tæknilegar, rekstrarlegar og fjárhagslegar. Dæmi um tæknilega ástæðu er að meðfram jarðstrengjum þarf að reisa mannvirki með reglulegu millibili til þess að losa strenginn við svokallað launafl.

15. Loftlínur eða jarðstrengir Jarðstrengir auka launafl verulega, sérstaklega á lengri vegalengdum. Launafl veldur miklu orkutapi. Launaflið sem myndast í jarðstrengjum og sem eykst með aukinni rekstrarspennu hamlar flutningi raunafls um strenginn. Með aukinni vegalengd jarðstrengja eykst óhagkvæmni vegna myndunar launafls mjög hratt. Þetta vandamál er ekki fyrir hendi í loftlínum. Einnig má nefna að viðgerðatími jarðstrengja er margfalt lengri en viðgerðartími loftlína og viðgerð jarðstrengja er jafnframt mun flóknari aðgerð.

16. Þriggja fasa mótorar Raunafl P = u*I*√3 *cos ϕ (PF) cos ϕ = P S Sýndarafl S = U*I*√3 Rafmótor notar raunafl sem breytist í hreyfiafl og launafl sem þarf til segulmögnunar ( en framkvæmir ekki vinnu) Cos ϕ c.a. 0,7 Rafveitur fá aðeins greitt fyrir raunafl (P) en álagið verður meira á strengi veitunnar vegna launafls (Q)

17. Kostir raflína og strengja Af ofantöldu er ljóst að þó háspenntum loftlínum og jarðstrengjum sé ætlað sama hlutverk þá henta þessi raforkuvirki misvel til að flytja raforku til notanda. Samanburðatölur á bilunartíðni jarðstrengja og loftlína sýnir að jarðstrengir bila sjaldnar. Hins vegar er viðgerðartími strengja lengri en lína og lengist með hækkandi spennu. Ef borin er saman sá tími sem lína eða strengur er tiltæk í rekstri kemur í ljós að þá er farið að halla á strengina, því meira sem spennan er hærri.

18. Kostir/ókostir raflína og strengja Samkvæmt skilgreiningum framleiða jarðstrengir launafl líkt og þéttar en launafl eyðist í loftlínum eins og á sér stað í spólum. Hins vegar er launaflið nauðsynlegt fyrir mótora, sem þurfa launafl til að geta snúist. (segulmögnun)

19. Gott að vita Afl = Wött eining (P) Hugtakið afl lýsir því hve mikil orka streymir á hverri tímaeiningu. Því segir aflið til um hversu hratt orkan kemur eða fer. Við það að hita vatn á lítilli eldavélarhellu er notað lítið afl. Stór eldavélarhella notar hins vegar mun meira afl. Áður fyrr var mælieiningin hestöfl oft notuð til að lýsa vélarafli en mælieiningin watt hefur víðast hvar leyst hana af hólmi. Sjá nánar hér að neðan í umfjöllun um watt og kílówatt.

20. Gott að vita Spenna (rafspenna) Spennu á rafkerfi má líkja við þrýsting í vatnskerfi þar sem þrýstingurinn á vatninu samsvarar rafstraumnum. SI mælieining er Volt (V), nefnd eftir ítalska eðlisfræðingnum Alessandro Volta. Íslensk heimili nota 230 Volta riðspennu.

21. Gott að vita Straumur (rafstraumur) Straum í rafkerfi má líkja við rennsli í vatnskerfi. Mælieining fyrir straum er Amper (A), nefnd eftir franska eðlisfræðingnum André-MarieAmpère.

22. Gott að vita Watt og kílówatt Watt er eining sem er notuð til þess að mæla afl. Afl lýsir getu til þess að framkvæma vinnu, eða umbreyta orku á tímaeiningu. Hámarks afl véla í bifreiðum er oft gefið upp í einingunni kílówött. 1kílówatt jafngildir 1,3hestöflum. Bifreið sem hefur hámarks afl 100 kw er þannig 130 hestöfl. (1hp (hestafl) jafngildir 736 wöttum)

23. Gott að vita Dæmigerð ljósapera er 60 wött. Dæmigerð brauðrist er 1.200 wött. Fljótsdalsstöð er vatnsaflstöð og er afl hennar er 690.000.000 wött (690.000 kw eða 690 Mw, sem er 925.000 hestöfl). Stöðin getur þannig knúið 11.500.000 ljósaperur sem hver um sig er 60 wött (690.000.000 / 60).

24. Gott að vita KílówattstundKílówattstund (kwst eða kwh) er mælieining fyrir orku sem einkum er notuð til er til að mæla raforkunotkun og raforkuvinnslu. Eldarvélarhella sem er 1 kw notar á einni klukkustund orku sem nemur 1 kwst. Ljósapera sem er 60 wött og logar stöðugt notar 60 x 24 = 1,44 kwst á sólarhring. Ef kílówatt stundin kostar 10 krónur þá kostar 14,40 krónur á sólarhring að láta slíka peru loga stöðugt.

25. Heiti og einkenni Afls Sýndarafl S = U * I [VA] Raunafl P = U * I . cosϕ [W] Launafl Q = U * I . sinϕ [VAr] S = afl í VA ϕ = fasvik P = afl í W cosϕ = raunstuðull = R/Z Q = afl í VAr sin ϕ = launstuðull = X/Z

26. Mynd: Aflstuðullinn (ϕ) Á mynd er önnur líking fyrir launafl. Þar sést maður draga dráttarvél. Þar sem hann er hærri en dráttarvélin nýtist togið ekki til fulls.

27. Aflstuðullinn (ϕ) Powerfactor Aflið sem þarf til að koma dráttarvélinni áfram er raunaflsvektorinn á myndinni. Sýndaraflið er aflið sem maðurinn beitir við að toga. Þægilegast er fyrir manninn að hafa hornið (ϕ) sem minnst til að sýndaraflið sé sem næst raunaflinu að stærð.

28. Aflstuðullinn = hornið (ϕ) Sýndarafl:Það afl sem spennar og rafalar (dynamo; generator) skila frá sér er gefið upp í sýndarafli.Hlutfallið á milli raunafls og sýndarafla er kallað aflstuðull (Powerfactor) Þetta segir okkur að því minni sem aflstöðullinn er, þeim mun meiri þarf aflgeta rafala eða spenna í sýndarafli að vera til að útvega það raunafl sem óskað er eftir.

29. Aflstuðullinn = hornið (ϕ) S Q P Aflstuðull: Hlutfallið sem fæst með því að deila sýndaraflinu upp í raunaflið. Sýndarafl Vektorsamlagning raunafls og launafls Sýndarafl Aflstöðull

30. Aflstuðullinn = hornið (ϕ) Sýndarafl hefur eininguna voltamper [VA] og einkennið (S). Sjá mynd. Launafl: Launafl hefur eininguna voltamper [VAr] og einkennið (Q). Sjá mynd aflstuðull: Aflstuðull sem oft er kallaður cos(ϕ) eða (PF) og er án einingar. Sjá mynd að ofan.

31. Skilgreining á Sýndarafli Sýndarafl er skilgreint sem margfeldi virks gildis spennunnar og virks gildis straumsins: Einingin er watt, eins og á við um allt afl í rafrás. Hins vegar hefur sú hefð myndast í raforkugeiranum að nota eininguna VA (= volt - amper), eða kVA eða MVA

32. Þakkir Fyrirlestur haldinn í tíma hjá Guðný Láru Petersen kennara í rafiðngreinum.30. mars 2011 í Tækniskólanum í Reykjavík um Afl í rásum með fasviki. Takk fyrir: Stefán B. Sigtryggsson