Συστημάτα Ηλεκτρικής Ενέργειας Ι

Transcript

1 Συστημάτα Ηλεκτρικής Ενέργειας Ι Καλώδια Ισχύος Υπεύθυνος μαθήματος Τομέας Ενεργειακών Συστημάτων Εργαστήριο ΣΗΕ

2 Περιεχόμενα Μαθήματος Υπόγειες Γραμμές Ζώνες Διέλευσης Καλώδια ισχύος Αγωγοί υπογείων καλωδίων Συνδεσμολογία Γείωση Καλωδίων Στοιχεία Ελληνικού Συστήματος Μεταφροράς 2

3 Υπόγειες Γραμμές Ζώνες Διέλευσης

4 Μεταφορά με Καλωδιακές Γραμμές Υψηλό κόστος Εφαρμόζεται κυρίως σε πόλεις για λόγους Περιβαλλοντικούς Γεωγραφικούς Ασφάλειας Αδυναμίας εξεύρεσης ζωνών διέλευσης εναέριων γραμμών Εγκαθίστανται καλώδια ΥΤ/ΥΥΤ για τη διασύνδεση Υπεραστικών περιοχών Νησιών με το ηπειρωτικό σύστημα ή μεταξύ τους Διαφορετικών χωρών ή ηπείρων 4

5 Καλωδιακές Διασυνδέσεις Ισχύος Υπόγειο & υποθαλάσσιο (90 kv AC) Υποθαλάσσιο (450 kv DC) 5

6 Εγκατάσταση Καλωδίων Ισχύος Κάτω από πεζοδρόμια Μέσα στο έδαφος σε βάθος cm Πάνω από το καλώδιο τοποθετείται λεπτόκοκκο χώμα Τσιμεντένια πλάκα 20 cm πάνω από το καλώδιο Ψύχονται φυσικώς Κάτω από καταστρώματα οδών Μέσα σε σωλήνες από τσιμέντο ή σίδηρο, διατομής ελάχιστα μεγαλύτερης από αυτή του καλωδίου Συχνά ανοίγματα στο πλάι του δρόμου // όδευση δυσχεραίνει την απαγωγή θερμότητας Ψύξη με φυσικό ή τεχνητό αερισμό 6

7 Εγκατάσταση κάτω από πεζοδρόμια /1 Συνηθιστέρη μέθοδος στην Ελλάδα σε βάθος 0.8 m 1.5 m Τοποθετείται Λεπτόκοκκο χώμα (καλύτερη απαγωγή θερμότητας, αποφυγή τραυματισμού καλωδίων) Επιμήκεις πλάκες από σκυρόδεμα (μηχανική προστασία) Βασικός παράγων η απαγωγή θερμότητας Εξαρτάται από την ειδική θερμική αντίσταση (cm 0 C/w) και τη μέση ετήσια θ περιβάλλοντος Ξερά αμμώδη εδάφη: δυσθερμαγωγά, ακατάλληλα. Τέτοια είναι στην Αττική με τιμή cm 0 C/w. Υγρά χωματώδη εδάφη: κατάλληλα. Τέτοια είναι στις περισσότερες ευρωπαϊκές πόλεις με τιμή cm 0 C/w. Από τις παράλληλες οδεύσεις καλωδίων (μπορεί να περιορίσει την ικανότητα φόρτισης) 7

8 Εγκατάσταση κάτω από πεζοδρόμια /2 Περισσότερες τεχνικές πληροφορίες στο: 8

9 Εγκατάσταση κάτω από καταστρώματα οδών Καταστρώματα οδών ή εντός σε υπόγειες σήραγγες. Υποσταθμούς πόλεων, βιομηχανικές εγκαταστάσεις, κανικές καλωδιακές διαδρομές ευρωπαϊκών πόλεων, κ.τ.λ. Τα καλώδια τοποθετούνται σε σωλήνες (τσιμέντο, σίδηρο, κεραμίδι) Αποφεύγεται η εκσκαφή του δρόμου Παρέχεται ενισχυμένη μηχανική ενίσχυση Εγκατάσταση τοποθέτηση Κατακόρυφη διάταξη, max. 2 σωλήνες Υπάρχουν ανοίγματα (manholes) Δυσχερής απαγωγή θερμότητας Ο ακίνητος αέρας είναι δυσθερμαγωγό μέσο Για μήκη άνω των μερικών μέτρων απαιτείται φυσικός ή τεχνητός αερισμός 9

10 Εγκατάσταση κάτω από το έδαφος 10

11 Καλώδια Ισχύος

12 Χαρακτηριστικά Καλωδίων Ισχύος Τα καλώδια ΗΕ ταξινομούνται σύμφωνα με τις ονομαστικές τάσεις U 0 / U, U m. U 0 : η ενεργή φασική τάση μεταξύ αγωγού και γης, ή μεταξύ αγωγού και μεταλλικού κελύφους (ομόκεντρου αγωγού, μηχανικής ενίσχυσης, μεταλλικού μανδύα). U: η ενεργή πολική τάση μεταξύ αγωγών. U m : η μέγιστη επιτρεπόμενη ενεργή πολική τάση μεταξύ αγωγών. Τρόπος γραφής κατά IEC: U 0 / U (U m = ). Πχ: 0,6/1 kv (U m =1,2 kv). Είδος Καλωδίου Χαμηλής Τάσης (ΧΤ) Μέσης Τάσης (ΜΤ) Υψηλής Τάσης (ΥΤ) Ονομαστική τάση Δικτύου U N U N < 1 kv 1 kv < U N < 45 kv 60 kv < U N 12

13 Βασικές καλωδιακές διατάξεις /1 Πολύπλοκη δομή που καθορίζεται από τους κατασκευαστές Βασική κατάταξη σε μονοπολικά και πολυπολικά καλώδια Πολυπολικά σε χαμηλότερες τάσεις με μικρότερες διατομές Μονοπολικά κυρίως σε υψηλότερες τάσεις με μεγαλύτερες διατομές. Εγκαθίστανται σε επίπεδη ή τριγωνική διάταξη. Πολύκλωνα Al Cu Μονοπολικό Πολυπολικό 13

14 Βασικές καλωδιακές διατάξεις /2 Τριφασικό σύστημα με τριπολικό καλώδιο: οι αγωγοί περιβάλλονται από κοινό μεταλλικό μανδύα Τριφασικό σύστημα με τρία μονοπολικά καλώδιο: κάθε ένας από τους τρείς αγωγούς περιβάλλεται από το δικό του μεταλλικό μανδύα 14

15 Τριπολικά Καλώδια Ισχύος 15

16 Τετραπολικά Καλώδια Ισχύος 16

17 Κατασκευαστικά στοιχεία καλωδίων /1 Βασική δομή υπόγειου μονοπολικού καλωδίου Αγωγός (conductor) Ημιαγώγιμη ταινία αγωγού (conductor screen) Μόνωση (insulation) Ημιαγώγιμη ταινία μόνωσης (insulation screen) Μεταλλική θωράκιση με σύρματα Cu (mettalic screen ή shield) Υδατοστεγής ταινία (swelling tape) και έλασμα Al (Al laminate) Εξωτερικό περίβλημα (μανδύας) από πολυαιθυλένιο (PE sheath) 17

18 Κατασκευαστικά στοιχεία καλωδίων /1 Αγωγοί καλωδίων Συμπαγείς: Cu ( 16mm 2 ), Al ( 50mm 2 ) Εξοικονόμηση όγκου: Συμπίεση πολύκλωνων (>35mm 2 ) Κοίλες και ελλειπτικές διατομές σε καλώδια με μόνωση χαρτιού λαδιού και εξωτερικής πίεσης αντίστοιχα Μεγάλες διατομές: μοίρασμα φάσεων σε περισσότερους αγωγούς Εξομαλυντικό στρώμα στους πολύκλωνους: Ημιαγωγό υλικό Μείωση Ε (kv/mm) στην επιφάνεια των αγωγών Αποφυγή κενών μεταξύ αγωγού & μόνωσης -> Ηλ. Εκκενώσεις και καταστροφή της μόνωσης Μείωση θερμικής και μηχανικής καταπόνησης στα βραχυκυκλώματα 18

19 Κατασκευαστικά στοιχεία καλωδίων /2 Μόνωση Διάφοροι τύποι PVC, PE, XLPE, EPR, ελαστικό, καουτσούκ, κτλ Εκλογή είδους και πάχους Λαμβάνονται υπόψη: ηλεκτρικές, θερμικές, μηχανικές ιδιότητες, ευκαμψία. Επίσης, έκτακτες καταπονήσεις (σφάλματα, κεραυνικό πλήγμα). Δύο βαθμοί μόνωσης: γειωμένος ή αγείωτος ουδέτερος. Μανδύας Περιορισμός ηλ. πεδίου Απομόνωση αγωγών που φέρουν τάση Έλεγχος χωρητικών ρευμάτων & βραχυκύκλωσης Προστατευτικό στρώμα κατά της υγρασίας, Συρματίδια μόλυβδου ή αλουμινίου, ή τανία Cu 19

20 Κατασκευαστικά στοιχεία καλωδίων /3 Οπλισμός: Προστασία και μηχανική ενίσχυση Χαλύβδινα ελάσματα ή σύρματα Εξωτερικό προστατευτικό στρώμα (εξ. μανδύας) Προστασία καλωδίου και παροχή μηχ. Ενίσχυσης κυρίως κατά την εγκατάσταση του καλωδίου Από διάβρωση και χημικές επιδράσεις, Γιούτα εμποτισμένη με ασφαλτούχο ουσία, PVC, πολυαιθυλένιο. 20

21 Πολυβινυλοχλωρίδιο (PVC) Μόνωση καλωδίων /1 Επίπεδο τάσης: < 10 kv. Μέγιστη συνεχώς επιτρεπόμενη θερμοκρασία: C. Πλεονεκτήματα: Πολύ ανθεκτικό σε χημικές προσβολές, ανθεκτικό στην υγρασία, δρα ανασταλτικά στην εξάπλωση της πυρκαγιάς Μειονεκτήματα: Υψηλές διηλεκτρικές απώλειες (tanδ 10-2 ), εύθραυστο σε χαμηλές θερμοκρασίες, τοξικό και οξειδωτικό σε πυρκαγιές. Ειδικές χρήσεις: Τοποθέτηση στο έδαφος χωρίς πρόσθετη προστασία, έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής. 21

22 Πολυαιθυλένιο (PE) Μόνωση καλωδίων /2 Επίπεδο τάσης: > 10 kv. Μέγιστη συνεχώς επιτρεπόμενη θερμοκρασία: 70 C. Πλεονεκτήματα: Χαμηλή διηλεκτρική σταθερά (ε r = 2,5), χαμηλές διηλεκτρικές απώλειες (tanδ = 10-4 ), πολύ καλή αντοχή στην υγρασία και σε χημικές ουσίες (οξέα). Μειονεκτήματα: Συντηρεί τη φλόγα, διογκώνεται όταν είναι μέσα σε μονωτικό λάδι, έχει μεγάλο συντελεστή θερμοκρασιακής διαστολής, προσβάλλεται από την υπεριώδη ακτινοβολία. Με δικτύωση των μορίων του PE βελτιώνεται η αντοχή του στις υψηλές θερμοκρασίες. Cross-Linked Polyethylene, XLPE 22

23 Μόνωση καλωδίων /3 Δικτυωμένο Πολυαιθυλένιο (XLPE) Επίπεδο τάσης: > 10 kv. Μέγιστη συνεχώς επιτρεπόμενη θερμοκρασία: 90 C. Πρόσθετα πλεονεκτήματα: Βελτιωμένη αντίσταση στη δημιουργία ρωγμών, όταν επιβάλλονται μηχανικές τάσεις, αυξημένη αντοχή σε χημικές ουσίες. Καλώδια XLPE είναι διαθέσιμα για τάσεις μέχρι 550 kv. Σε υποθαλάσσια καλώδια περιορίζονται από την έλλειψη κατάλληλων συνδέσμων. 23

24 Μόνωση καλωδίων /4 Χαρτί Λάδι (Mass Impregrated Paper) Πρόκειται για χαρτοταινία τυλιγμένη γύρω από τους αγωγούς, εμποτισμένη με μονωτικό λάδι ή παχύρευστη μάζα για την αύξηση της διηλεκτρικής αντοχής & συμπληρωση διακένων. Παχύρευστο λάδι για να μη ρέει σε μέρη με υψομετρικές διαφορές. Μέγιστη συνεχώς επιτρεπόμενη θερμοκρασία: 80 C. Κατασκευάζονται: πολυπολικά (Χ.Τ. & Μ.Τ.) και μονοπολικά (Υ.Τ.) Χρησιμοποιούνταν παλιότερα σε όλο το εύρος των διαθέσιμων τάσεων. Έχουν πλέον αντικατασταθεί από XLPE για τάσεις<550 kv. Τα καλώδια εμποτισμένης σε λάδι χαρτοταινίας χρησιμοποιούνται ακόμα ως υποθαλάσσια καλώδια για μήκη <60 km. Τα καλώδια εμποτισμένης σε λάδι παχύρευστης μάζας παραμένουν η καλύτερη λύση για DC υποθαλάσσια καλώδια τάσης <500 kv και μήκους >60 km (90% των εφαρμογών σήμερα). 24

25 Εσωτερικής πίεσης ελαίου Μόνωση καλωδίων /5 Πλην του εμποτισμού του χαρτιού με λάδι υπάρχει και υγρό λάδι υπό πίεση στο εσωτερικό των αγωγών, οι οποίοι είναι κοίλοι. Αυξάνεται σημαντικά η διηλεκτρική αντοχή της μόνωσης. Στα τέρματα και σε ορισμένους ενδιάμεσους συνδέσμους εγκαθίστανται δοχεία λαδιού υπό πίεση, για τη διατήρηση της μονωτικής ικανότητας κατά τη διαστολή/συστολή. Διακρίνονται σε καλώδια χαμηλής και υψηλής πιέσεως. Χρησιμοποιούνταν παλαιότερα στην Ελλάδα για τις υπόγειες γραμμές 150 kv. Υπάρχουν και σε περιορισμένη εφαρμογή καλώδια υψηλής τάσεως εσωτερικής πιέσεως (15 At) με αέριο άζωτο. 25

26 Εξωτερικής πίεσης αερίου ή ελαίου (ελαιοστατικά) Αποτελούνται από χαλύβδινο σωλήνα στο εσωτερικό του οποίου υπάρχουν τρία μονοπολικά καλώδια. Πλεονεκτήματα: Μεγάλη μηχανική αντοχή λόγω του χαλύβδινου σωλήνα αρχική εγκατάσταση μόνο του σωλήνα κάτω από το οδόστρωμα χωρίς προβλήματα εκσκαφών Δυνατότηα δέσμευσης διαδρομής μόνο με το σωλήνα και μετέπειτα τοποθέτηση των καλωδίων. Χρήσεις: Μόνωση καλωδίων /6 Εφαρμόζονται στις Υ.Τ. και στις Υ.Υ.Τ. Εγκαθίστανται κάτω από τα καταστρώματα των οδών. Δεν έχουν χρησιμοποιηθεί στο Ελληνικό σύστημα 26

27 Κρυοαγώγιμα καλώδια Η θερμοκρασία των αγωγών διατηρείται σε πολύ χαμηλές τιμές με υγρό άζωτο ή ήλιο. Η ωμική αντίστασή τους είναι αμελητέα. Επομένως παρουσιάζουν πολλαπλάσια ικανότητα φόρτισης σε σχέση με τα συμβατικά καλώδια. Κρυοαγώγιμα: Οι αγωγοί αποτελούνται από συμβατικό υλικό, πχ. Al, το οποίο ψύχεται με υγρό άζωτο (π.χ. 80 K= o C). Υπεραγώγιμα: Χρησιμοποιείται νέο υλικό αγωγών (νιόβιο), το οποίο ψύχεται με υγρό ήλιο. Ηλεκτρική μόνωση: Χρησιμοποιούνται συνθετικά μονωτικά ή συνθετική μόνωση εμπόυτισμένη με κρυογενές υγρό ή κενό (και για θερμική μόνωση). Θερμική μόνωση: Για τη διατήρηση του ψύχους. 27

28 Αγωγοί υπογείων καλωδίων

29 Αλουμίνιο: Χαλκός: Αγωγοί /1 Το μικρό του βάρος δεν προσφέρει τόσα πλεονεκτήματα για τα καλώδια, όσο για τις εναέριες γραμμές Μεγαλύτερη διατομή έναντι του χαλκού, δεν είναι απαραίτητη από άποψη corona. Αντιθέτως συνεπάγεται μεγαλύτερο κόστος μονώσεως, μανδύα, εξωτ. περιβλήματος και μεγαλύτερη συνολική διάμετρο Συνήθως ανοπτημένος. Η ανόπτηση προκαλεί μείωση της μηχανικής αντοχής, αλλά αυξάνει την ευκαμψία και την αγωγιμότητα. Δεν χρησιμοποιείται αγωγός χαλκού σκληρής ολκήσεως όπως στις εναέριες γραμμές, για μεγαλύτερη μηχανική αντοχή 29

30 Αγωγοί /2 30

31 Ιδιότητες Αγωγού /1 1. Ικανότητα μεταφοράς ρεύματος (Current carrying capability): να φέρει το απαραίτητο ρεύμα φορτίου και το εκτιμημένο ρεύμα σφάλματος. 2. Κανονισμός τάσης (Required Voltage Regulation): Η επιλογή του υλικού και του τύπου του αγωγού επηρεάζει την πτώση τάσης κατά μήκος του καλωδίου. 3. Απώλειες αγωγών (Required conductor losses): Η παρουσία στρωμάτων μόνωσης και υπερ-προστατευτικών περιβλημάτων, με σχετικά υψηλές θερμικές ειδικές αντιστάσεις αυξάνουν τη θερμική αντίσταση μεταξύ του αγωγού και του εδάφους. 31

32 Ιδιότητες Αγωγού /2 4. Ακτίνα αναδίπλωσης, ευελιξία και βάρος (Bending radius, flexibility and weight): Ικανότητα αναδίπλωσης για αποθήκευση και μεταφορά αλλά και εγκατάσταση. 5. Ενώσεις/Συνδέσμοι Αγωγών (Jointing): Εύκολη επεξεργασία υλικού, εύκολη σύνδεση μέσω συγκόλλησης ή άλλων μηχανικών μεθόδων. 6. Κόστος: Ένα χάλκινο καλώδιο ίδιας διατομής με ένα καλώδιο αλουμινίου θα κοστίσει περισσότερο δεδομένου ότι η τιμή πρώτης ύλης είναι υψηλότερη. 32

33 Ακροκιβώτια και Σύνδεσμοι Καλωδίων Ακροκιβώτια καλωδίων (3πολικού / 1πολικού) Σημεία τερματισμού Προσδίδουν ηλεκτρική αντοχή στις άκρες Απαγορεύουν την είσοδο της υγρασίας, νερού. Σύνδεσμος καλωδίων (μούφα) Στα υπόγεια καλώδια μόνο Στα υποθαλάσσια αποφεύγεται (καρούλι) 33

34 Συνδεσμολογία Γείωση Καλωδίων

35 Παράδειγμα προς αποφυγή Συνδεσμολογία #1 Red Core Earth Red Core Phase Blue Core Earth Blue Core Phase Yellow Core Earth Yellow Core Phase Mutual Earth Earth Bond Αυτή η συνδεσμολογία προκαλεί circulating currents επηρεάζουν το current rating των αγωγών κάθε φάσης. Cable Joint τα οποία 35

36 Συνδεσμολογία #2 Single Point End Bonding Red Core Earth Red Core Phase Blue Core Earth Blue Core Phase Yellow Core Earth Yellow Core Phase Mutual Earth Earth Bond Cable Joint Σε κυκλώματα με ρεύμα μικρής έντασης. Σε διάταξη καλωδίων επίπεδη ή τριγωνική. Τάση στη μη γειωμένη άκρη θέτει περιορισμούς στο μήκος του καλωδίου. 36

37 Συνδεσμολογία #3 Mid Point Bonding Red Core Earth Red Core Phase Blue Core Earth Blue Core Phase Yellow Core Earth Yellow Core Phase Mutual Earth Earth Bond Cable Joint Η συνδεσμολογία επιτρέπει τη χρήση διπλάσιου μήκους καλωδίου. Τα προστατευτικά περιβλήματα των καλωδίων γειώνονται στο κέντρο. Δεν υπάρχουν circulating currents. 37

38 Συνδεσμολογία #4 Cross Bonding - Earth Cross Bonding Red Core Earth Red Core Phase Blue Core Earth Blue Core Phase Yellow Core Earth Yellow Core Phase Mutual Earth Earth Bond Cable Joint Για αγωγούς μεγάλου μήκους ρεύμα μεγαλύτερης έντασης. Συνδεσμολογία αντιμετάθεσης οι τάσεις των 3 περιβλημάτων αθροίζονται κατα μήκος του καλωδίου) Τα sheaths εναλλάσσονται μεταξύ των αγωγών φάσης. Μειώνεται η τάση μεταξύ προστατευτικού περιβλήματος και γης άρα τα circulating currents είναι αμελητέα. Χρήση σε καλώδια με τριγωνική διάταξη (trefoil formation) 38

39 Συνδεσμολογία #5 Cross Bonding - Phase Cross Bonding Red Core Earth Red Core Phase Blue Core Earth Blue Core Phase Yellow Core Earth Yellow Core Phase Mutual Earth Earth Bond Cable Joint Χρήση σε καλώδια με οριζόντια διάταξη (flat formation). Οι αγωγοί φάσης (phase conductors) εναλλάσσονται μεταξύ των earth conductors (sheaths). 39

40 Στοιχεία Ελληνικού Συστήματος Μεταφροράς

41 Το Ελληνικό Σύστημα Μεταφοράς 41

42 Εξέλιξη Δικτύου Μεταφοράς 42

43 Δίκτυο Μεταφοράς (km) Δεδομένα 2012 Δίκτυο 400 kv 400 kv 150 kv 66 kv Σύνολο DC Εναέριο Υπόγειο Υποθ Σύνολο

44 Διασυνδετικές ΓΜ Διασυνδετικές ΓΜ Αλβανία 400 kv KYT Καρδιάς - Elbasan FYROM 400 kv KYT Θεσ/νίκης Dubrovo ΚΥΤ Μελίτης - Bitola Βουλγαρία 400kV KYT Θεσ/νίκης - Blagoevrag Ιταλία 400 kv dc KYT Αράχθου - Ιταλία Τουρκία 400 kv KYT N. Σάντας - Babaeski 44

45 Λειτουργία Διασυνδέσεων ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΕΩΝ (GWh) Εισαγωγές Εξαγωγές Διαφορά Αλβανία FYROM Βουλγαρία Τουρκία Ιταλία ΣΥΝΟΛΟ

46 Εξέλιξη Δικτύου Διανομής 46

47 Δίκτυο Διανομής (km) Εξέλιξη Δικτύου Διανομής Δίκτυο 22 kv, 20 kv, 15 kv, 6.6 kv 400 V Σύνολο Εναέριο Υπόγειο Υποθ Σύνολο

48 Πηγές - Αναφορές Θ. Παπαδόπουλος, Παρουσιάσεις στο μάθημα ΠΜΔΗΕ Ι, ΤΗΜ ΤΕ, ΤΕΙ Δ. Μακεδονίας Β. Νικολαϊδης, Παρουσιάσεις στο μάθημα ΔΛΣΗΕ, ΤΗΜΜΥ, ΔΠΘ Δ. Λαμπρίδης, Γ. Ανδρέου, Παρουσιάσεις στο μάθημα ΣΗΕ ΙΙ, ΤΗΜΜΥ, ΑΠΘ Β. Παπαδιά, Γραμμές Μεταφοράς ΗΕ, Εκδόσεις Συμμετρία X. Χαραλάμπους, Παρουσιάσεις στο μάθημα ΗΜΥ 796, ΤΗΜΜΥ, ΠΚ