Συστημάτα Ηλεκτρικής Ενέργειας Ι

Transcript

1 Συστημάτα Ηλεκτρικής Ενέργειας Ι Φυσικά Στοιχεία Γραμμών Μεταφοράς Υπεύθυνος μαθήματος Τομέας Ενεργειακών Συστημάτων Εργαστήριο ΣΗΕ

2 Περιεχόμενα Μαθήματος Γενικά Εναέριες Γραμμές Μονωτήρες Αγωγοί 2

3 Γενικά

4 Ελληνικό Δίκτυο Μεταφοράς Υποσταθμοί 150 kv / 20 kv (203 Δίκτυο Διανομής, 58 ΑΠΕ, κτλ) Κέντρα Υπερυψηλής Τάσης (ΚΥΤ): 400 kv / 150 kv 14 ΚΥΥΤ (απομάστευση ισχύος προς το σύστημα των 150 kv) Αυτομετασχηματιστές (ΑΜ/Σ) τριών τυλιγμάτων 400 kv/150kv/30kv. Επιπλέον 11 ΚΥΥΤ σε ΣΠΗΕ για ανύψωση τάσης (π.χ. Αμυνταίου, Καρδιάς, Αγ. Δημητρίου, Λαυρίου, Μελίτης, ΕΝΘΕΣ) Γραμμές Μεταφοράς (66kV, 150 kv, 400 kv) Συσκευές Αντιστάθμισης Αέργου Ισχύος: Πυκνωτές: στατοί πυκνωτές και συστοιχίες Πηνία: σε ΥΣ με υποβρύχια καλώδια, ΑΜ/Σ κατά τις ώρες χαμηλού φορτίου Διεθνείς Διασυνδέσεις (ENTSO-E από το 2004) 4

5 Ελληνικό Δίκτυο Μεταφοράς Περισσότερα στοιχεία στο: /anaptyxi-systimatos/dekaetes-programma-anaptyxis-systimatos-metaforas-dpa/ 5

6 Δίκτυο Μεταφοράς - Υπομεταφοράς Γραμμές Υψηλής Τάσης (ΥΤ) kv (στο ελληνικό σύστημα 150 kv) Εναέριες γραμμές ή υπόγεια/υποβρύχια καλώδια Γραμμές Υπερυψηλής Τάσης (ΥΥΤ) Extra High Voltage (EHV) (800) kv (στο ελληνικό σύστημα 400 kv) Εναέριες τριφασικές γραμμές σε πυλώνες ή υπόγεια/υποβρύχια καλώδια (πιο σπάνια) Γραμμές Εξαιρετικά Υψηλής Τάσης (ΕΥΤ) Ultra High Voltage (UHV) kv (δεν υπάρχουν στο ελληνικό σύστημα) 6

7 Γραμμές Μεταφοράς ΥΥΤ 380 kv (Γερμανία) 1000 kv (Kίνα) Περισσότερες φωτογραφίες στο: 7

8 Εναέριες Γραμμές

9 Ζώνες Διελεύσεως /1 Οι γραμμές διανομής ΧΤ και ΜΤ οδεύουν συνήθως κατά μήκος των οδών και των λεωφόρων Ζώνη διέλευσης: Η επιφάνεια του εδάφους πάνω από την οποία διέρχεται η γραμμή και αγοράζεται από τις ηλεκτρικές εταιρείες Εναλλακτικά μπορούν να εμπίπτουν σε καθεστώς δουλείας Μόνο δικαίωμα εγκατάστασης, διέλευσης και συντήρησης από εταιρείες Το πλάτος των ζωνών εξαρτάται από την τάση μεταφοράς 400 kv 50 m 150 kv 40 m 9

10 Ζώνες Διελεύσεως /2 10

11 Φορείς Γραμμών Διανομής Ξύλινοι στύλοι Οπλισμένο σκυρόδεμα 11

12 Φορείς Γραμμών Μεταφοράς Ξύλινοι στύλοι Τύπου H Μικρότερο κόστος Μικρότερη διάρκεια ζωής Αυξημένη μόνωση Χαλύβδινοι πυλώνες (πύργοι) Μεγαλύτερο κόστος Μεγαλύτερη διάρκεια ζωής Μεγαλύτερη αντοχή 12

13 Παράλληλη Όδευση Γραμμών Μεταφοράς Απλού κυκλώματος Διπλού κυκλώματος Προσφέρεται αυξημένη αξιοπιστία Όταν κάθε κύκλωμα αποτελεί ξεχωριστή και ανεξάρτητη γραμμή Κοινή ζώνη διέλευσης, αλλά σε απόσταση μεταξύ τους οι πυλώνες των διαφορετικών κυκλωμάτων 13

14 Γραμμή Μεταφοράς Απλού/Διπλού Κυκλώματος Διπλού κυκλώματος a b c a A b c B C Απλού κυκλώματος Λόγοι χρήσης γραμμών διπλού κυκλώματος: Δύσκολη εξεύρευση επαρκών διαδρομών Απαιτήσεις μεταφερόμενης ισχύς, ευστάθειας, εφεδρείας Μειονέκτημα: Μειωμένη αξιοπιστία 14

15 Πυλώνες Τομής /Τέρματος / Γωνίας Αντέχουν μεγαλύτερες μηχανικές τάσεις από τους πυλώνες ευθυγραμμίας Πυλώνες Τομής Δυνατότητα τερματισμού γραμμής και από τις δυο πλευρές Παρεμπόδιση διάδοσης μηχανικών ταλαντώσεων Πυλώνες Τέρματος (Πύλη) Δυνατότητα τερματισμού γραμμής από μία μόνο πλευρά Πυλώνες Γωνίας Χρησιμοποιούνται στα σημεία αλλαγής κατεύθυνσης της γραμμής Χαλαρές συνδέσεις Τερματισμός με αλυσίδα μονωτήρων. ΔΕΝ μεταβιβάζονται οι μηχ. τάσεις στους πυλώνες 15

16 Κατάρρευση ΓΜ Κατάρρευση λόγω φυσικών καταστροφών Σεισμοί Αέρας Πάγος 16

17 Αντιμετάθεση Φάσεων Γίνεται για την εξισορρόπηση της αυτεπαγωγής και της χωρητικότητας Σε γραμμή απλού κυκλώματος: 2 αντιμεταθέσεις μεταξύ ΥΣ Σε γραμμή διπλού κυκλώματος: Περισσότερες αντιμεταθέσεις Απλού κυκλώματος Διπλού κυκλώματος 17

18 Σχεδίαση πυλώνων Είναι ένα πρόβλημα κυρίως μηχανικό και οικονομικό, για δεδομένο Αριθμό αγωγών Μέγεθος αγωγών Επιβαλόμενες αποστάσεις μεταξύ των αγωγών και μεταξύ αγωγών και γης Η σχεδίασή τους πρέπει να λαμβάνει υπόψη τη στήριξη των αγωγών σε: Ομαλές συνθήκες Δυσμενείς καιρικές συνθήκες ισχυρό άνεμο σχηματισμό πάγου Αποσβεστήρας (damper) 18

19 Αποστάσεις Ασφαλείας Η απόσταση μεταξύ πυλώνων (ανοίγματα) καθορίζεται από οικονομοτεχνικούς λόγους Μεγάλα ανοίγματα: Λιγότεροι πυλώνες / km Ισχυρότεροι και υψηλότεροι πυλώνες Μεγαλύτερες μηχανικές απαιτήσεις Απαιτείται μεγαλύτερη απόσταση μεταξύ αγωγών (αποφυγή επαφής στο μέσο του ανοίγματος): έτσι αυξάνεται επιπλέον το κόστος των πυλώνων Συνήθη ανοίγματα: m Η ασφαλής απόσταση από το έδαφος εξαρτάται από: Το άνοιγμα των πυλώνων Την επιφάνεια του εδάφους Το φορτίο της γραμμής (μεταβολή μήκους) Τις καιρικές συνθήκες (πάγος, max θερμ.) Ελάχιστες αποστάσεις είναι: 7 m-15 m (αγροτικές περιοχές) 19

20 Αγωγός γης Προστασία από άμεσο πλήγμα Ανακούφιση από έμμεσο κεραυνό Στοιχεία Πυλώνων (Πύργων) /1 Δέσμη Αγωγών Αγωγός φάσης Μονωτήρας Γείωση Βέλος Κάμψης 20

21 Στοιχεία Πυλώνων (Πύργων) /2 21

22 Μονωτήρες

23 Τύποι Μονωτήρων /1 Παρέχουν μόνωση μεταξύ αγωγών και μεταλλικών μερών πυλώνα Κεραμικοί (γυαλί, πορσελάνη) ή συνθετικοί (πολυμερή υλικά) Μονωτήρες στηρίξεως (ΜΤ) Αποτελούνται από περισσότερες από μια πτυχές Μονωτήρες αναρτήσεως ή αλυσοειδείς μονωτήρες (ΜΤ/ΥΤ/ΥΥΤ) Αποτελούνται από δισκία, ο αριθμός των οποίων εξαρτάται από α) την τάση της γραμμής, β) την κρουστική τάση Κεραμικός Συνθετικός 23

24 Τύποι Μονωτήρων /2 Χαλύβδινη κεφαλή Τσιμέντο Πορσελάνη Μονωτήρες στήριξης Χαλύβδινος πείρος Δισκοειδείς μονωτήρες ανάρτησης 24

25 Απαιτήσεις Μόνωσης Ομαλές κάμψεις των αγωγών στα σημεία πρόσδεσης Μηχανικές ταλαντώσεις (άνεμος, πάγος) Ηλεκτρική διάσπαση μόνωσης Εξωτερική υπερπήδηση αντί εσωτερικής διάτρησης μονωτήρα Η τάση υπερπήδησης μονωτήρα εξαρτάται από: Τη γεωμετρική μορφή του Το υλικό επιφανείας του Την υγρασία Τη μορφή και το υλικό των γειτονικών αντικειμένων Μέγιστη κρουστική τάση αντοχής Basic Impulse/Insulation Level (BIL) Για το επίπεδο των 20 kv: 125 kv Για το επίπεδο των 150 kv: 750 kv Για το επίπεδο των 400 kv: 1425 kv και 1550 kv 25

26 Υπερπήδηση (flashover) Υπερπήδηση και Διάτρηση π.χ. λόγω ρύπανσης. Αναφέρεται στο γεγονός ότι δηµιουργείται γεφύρωση µε ηλεκτρικό τόξο διαµέσου του αέρα του διακένου, στην επιφάνεια του μονωτήρα. Το διάκενο εμφανίζεται µεταξύ του σηµείου πρόσδεσης του αγωγού της γραµµής στο µονωτήρα και του γειωµένου σηµείου στήριξης ή ανάρτησης του µονωτήρα Εσωτερική Διάτρηση ΔΕΝ αυτοαποκαθίσταται και σχεδόν πάντα αχρηστεύει τον μονωτήρα 26

27 Σχεδίαση μονωτήρων Η μορφή επιφάνειας πρέπει να είναι τέτοια ώστε η τάση υπερπηδήσεως να επηρεάζεται σε μικρό ποσοστό από τις επικαθίσεις και την υγρασία Άνω επιφάνεια: λεία, ώστε να εμποδίζει τις επικαθίσεις Κάτω επιφάνεια: με πτυχώσεις για την αύξηση του μήκους της επιφανειακής διαδρομής και αύξηση του μη εκτεθειμένου στη βροχή τμήματός της Πλύσιμο μονωτήρων Σε περιοχές με έντονη ομίχλη, καθαλατώσεις ή ρύπους Περιοδικός καθαρισμός υπό ή εκτός τάσης video 27

28 Προσβολή αγωγού προστασίας (direct strike) για ρεύμα κεραυνού πάνω από συγκεκριμένο όριο έντασης Απευθείας πλήξη αγωγού φάσης (shielding failure) για ρεύμα κεραυνού κάτω από το όριο έντασης Επαγόμενες κεραυνικές υπερτάσεις (induced overvoltages) Ανάστροφη υπερπήδηση (backflashover) Κεραυνική υπέρταση Απευθείας προσβολή πύργου ή αγωγού προστασίας backflashover με τον αγωγό φάσης μέσω του μονωτήρα Προσβολή αγωγού προστασίας στο μέσο της γραμμής backflashover με τον αγωγό φάσης μέσω του αέρα Προσβολή αγωγού φάσης flashover μέσω του μονωτήρα ανύψωση δυναμικού πύργου backflashover μέσω του μονωτήρα 28

29 Αρματωσιά δακτυλίου / Κεράτια Δακτύλιοι εξομάλυνσης ηλεκτρικού πεδίου (field grading Corona rings) Εξομάλυνση ηλεκτροστατικού πεδίου Περιορισμός φαινομένου Corona Κεράτια απαγωγής τόξου (arcing horns) Μετατόπιση ηλεκτρικού τόξου στο κενό Ο μονωτήρας δεν καταστρέφεται 29

30 Αγωγοί

31 Υλικό Αγωγών Εναέριων Γραμμών /1 Χαλκός (Cu) σκληρής ολκήσεως Υψηλή αγωγιμότητα Μεγάλη μηχανική αντοχή Μεγάλο βάρος Αλουμίνιο (Al) Μικρότερη αγωγιμότητα, μηχανική αντοχή και βάρος Φθηνότερο και ευκολότερα διαθέσιμο Αλουμίνιο με επένδυση ή ενίσχυση χάλυβα (ACSR) Χαρακτηριστικά Al, αλλά με μεγάλη μηχανική αντοχή Κράματα Al με άλλα μέταλλα (Mg, Si) Μεγάλη μηχανική αντοχή (χωρίς ανάγκη επένδυσης χάλυβα) Παραπλήσια αγωγιμότητα με αυτή του Al Ομοιογένεια (όχι ηλεκτρολυτική διάβρωση, ευκολία συνδέσεων/τερματισμού) 31

32 Υλικό Αγωγών Εναέριων Γραμμών /2 Αγωγοί αλουμινίου με σύνθετο πυρήνα (Aluminum conductors composite core, ACCC) Ελαφρύτεροι από τους ACSR Επιτρέπουν τη χρήση πιο μαλακού Al Μικρότερο συντελεστή διαστολής Μεγαλύτερο κόστος Πιο ελαστικοί υπό συνθήκες πάγου Πιο περίπλοκη διαδικασία κατά την εγκατάσταση Περίπου διπλάσιο ρεύμα σε σχέση με τους ACSR ίδιας διατομής 32

33 Συμπαγείς αγωγοί (μονόκλωνοι) Πλήθος συνεστραμμένων κλώνων (πολύκλωνοι) Ευκαμψία Αυξημένη ασφάλεια σε μηχανική θραύση Ενσωμάτωση συρμάτων χάλυβα Διαδοχικά στρώματα (συνεστραμμένα εναλλάξ) Τύποι Εναέριων Γραμμών Κεντρικός κλώνος ή πυρήνας ή ψυχή 33

34 Φαινόμενο Corona Λόγω των υψηλών τάσεων μεταφοράς αναπτύσσεται μεγάλη ένταση ηλεκτροστατικού πεδίου στην επιφάνεια του αγωγού που προκαλεί μερική διάσπαση του περιβάλλοντος αέρα. Αποτέλεσμα: Θόρυβος (τριγμός) Απώλειες ενέργειας Υψίσυχνες ταλαντώσεις (παρεμβολές) Αντιμετώπιση με αύξηση ακτίνας καμπυλότητας: Αύξηση της διατομής των αγωγών (μη συμφέρουσα) Χρήση κοίλων αγωγών (μόνο για Cu) Ισοκατανομή του ηλ. φορτίου με χρήση πολλών αγωγών ανά φάση (συμφέρουσα). 150 kv ένας αγωγός ανά φάση 400 kv δίδυμοι αγωγοί ανά φάση 34

35 Αγωγοί γης (sky/ground wires) Συνήθως είναι χαλύβδινοι αγωγοί με συνεστραμμένους κλώνους. Σπάνια χρησιμοποιούνται αγωγοί ACSR. Optical ground wire (OPGW): για παράλληλη μεταφορά πληροφορίας Διαρρέονται από ρεύματα: Στη μόνιμη κατάσταση λόγω επαγώμενων τάσεων (μικρά ρεύματα) Σε περίπτωση εμφάνισης μονοφασικών ή διφασικών βραχυκυκλωμάτων ως προς τη γη Κρουστικά ρεύματα, όταν πληγούν από κεραυνό (μικρή διάρκεια) 35

36 Μηχανικά Χαρακτηριστικά ΓΜ

37 Μηχανικά χαρακτηριστικά εναερίων ΓΜ Απαιτήσεις μηχανικής σχεδίασης - Ελάχιστες αποστάσεις από το έδαφος - Ελάχιστες αποστάσεις από γειτονικά κτίσματα - Μηχανική αντοχή των αγωγών, μονωτήρων, φορέων Μηχανικές δυνάμεις καταπόνησης - Βάρος αγωγών - Δύναμη ανέμου - Βάρος του πάγου Έτσι βάσει τον δυνάμεων υπολογίζονται: - Καταπόνηση μηχανική αντοχή αγωγών και στηριγμάτων - Καμπύλη αγωγών στο χώρο - Αποστάσεις αγωγών από το έδαφος

38 Υπολογισμός καμπύλης και βέλους αγωγών

39 Μηχανικά χαρακτηριστικά εναερίων ΓΜ /1 Δυνάμεις που δρουν στο τμήμα OP - Οριζόντια τάση H στο O - Τάση T στο σημείο P - Βάρος p s του τμήματος OP Αλυσσοειδής εξίσωση καμπύλης της ΓΜ σε ισορροπία: H px y = cosh 1 p H

40 Μηχανικά χαρακτηριστικά εναερίων ΓΜ /2 Αν τα σημεία αναρτήσεως Α και Β βρίσκονται στο ίδιο ύψος και η μεταξύ τους απόσταση είναι 2l Τότε στα σημεία αυτά η τάση (τάνυση) είναι: T Hcosh p = H Βέλος της ΓΜ είναι η τιμή του y στα σημεία Α και Β d H p = cosh 1 p H H p Συνολικό μήκος αγωγού: S = 2 sinh p H

41 Επίδραση ανέμου και πάγου Η εξωτερική επιφάνεια του αγωγού με το στρώμα πάγου είναι αυξημένη και αυτό συνεπάγεται: - Πρόσθετο βάρος πάγου (p π ) - Αυξημένη δύναμη ανέμου (p α ) Συνολική δύναμη ανά μονάδα μήκους: ( ) 2 2 a F = p + p + p 2 2 D D pπ = ( βάρος) π + K 2 2 a ( ) p = u D + K Kg/m π 4 10 Kg/m - D: διάμετρος αγωγού - K: πάχος γύρω από τον αγωγό - u: πίεση ανέμου

42 Ανάρτηση αγωγών σε κεκλιμένο έδαφος Έστω Ο το σημείο στο οποίο ο αγωγός είναι οριζόντιος Η μέγιστη τάνυση εμφανίζεται στο P 2 καθώς είναι το υψηλότερο σημείο 1 T h pm h = d2 d1 = ( x2 x1 ) 1 T h 2T = + x 1 = 2 m pm x 2 2 m pm

43 Ικανότητα φορτίσεως εναερίων γραμμών

44 Ικανότητα φορτίσεως εναέριων ΓΜ Θερμότητα Joule (I 2 R) - Δια ακτινοβολίας του ήλιου οδηγεί σε αύξηση 2 o C - 8 o C και συνεπώς μπορεί να παραληφθεί - Διά μεταφοράς προσεγγιστικά είναι: Θερμικό όριο Wc = Δ t, W cm 2a - Μέγιστη επιτρεπτή θερμοκρασία συνεχούς λειτουργίας των εναέριων ΓΜ περιορίζεται σε 100 o C, λόγω της βραδείας ανόπτησης των αγωγών - Συνεπώς η θερμοκρασιακή ανύψωση περιορίζεται σε 40 o C ή 50 o C - Ωστόσο, το θερμικό όριο αποτελεί πρακτικά σημαντικό κριτήριο σε: - Κοντές γραμμές ΧΤ - Περιπτώσεις ανάγκης σε ανώμαλες καταστάσεις 2

45 Ανόπτηση (annealing) Ανόπτηση (μεταλλουργία): η θερμική κατεργασία στην οποία υποβάλλεται ένα μέταλλο ή κράμα, που έχει υποστεί κάποια κατεργασία π.χ. σφυρηλάτηση προκειμένου στη συνέχεια να υποβληθεί σε ψύξη για να: - βελτιωθεί η ευκαμψία του - μειωθεί η σκληρότητά του - επανέλθει η τιμή της R dc του μετάλλου στην αρχική τιμή (αλλάζει λόγω της κατεργασίας του μετάλλου μέσα από ράουλα, για τη δημιουργία των συρματιδίων. Οπότε αλλοιώνεται η κρυσταλλοδομή του μετάλλου) Τύποι μετάλλων - Cu: σχεδόν πάντα εφαρμόζεται ανόπτηση - Al: εξαρτάται από την εφαρμογή και τις προδιαγραφές του κατασκευαστή

46 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 Π.Ν. Μικρόπουλος, Σημειώσεις μαθήματος ΥΤ Ι-ΙV, ΤΗΜΜΥ, ΑΠΘ Β. Παπαδιάς, Γραμμές Μεταφοράς ΗΕ, Εκδόσεις Συμμετρία 46