10.Elektroenergetyczne linie napowietrzne

Podstawowe elementy elektroenergetycznej linii napowietrznej:

1. przewody robocze;

2. przewody odgromowe;

3. izolatory lub układy izolatorów z osprzętem;

4. konstrukcje wsporcze

5. fundamenty i uziemienia konstrukcji wsporczych.

10.1.Przewody robocze

Charakterystyka przewodów. Materiały: głównie miedź i aluminium, stal i stopy (np. brąz) w mniejszym stopniu. Stosunku się przewody: jednodrutowe, wielodrutowe (tzw. linki) wiązkowe i specjalnej konstrukcji. Obecnie coraz częściej w budowie linii stosuje się przewody w pełni izolowane i przewody o osłonie izolacyjnej. (Rys.10.1)

W liniach NN, WN, SN i nn na przewody robocze stosuje się linki stalowo-aluminiowej typu AFL o przekroju do:

• 525mm² w liniach przesyłowych;

• 120mm² w liniach sieci rozdzielczej i dystrybucyjnej.

Cecha charakterystyczne linek AFL - stosunek przekroju aluminium do stali (m). W Polsce wynosi 20, 8, 6, 4, 3, 1.7, 1.25 dla różnych przekrojów.

10.2.Łączenie przewodów

Do łączenia przewodów LN wykorzystuje się: złączki, zaciski i uchwyty.

Złączki stosuje się w połączeniu przenoszących się naciągu przewodów i od których wymaga się dobrego połączenia elektrycznego. Najszersze zastosowanie znalazły do karbowania i zaprasowania.

Zaciski - stosuje się dla połączeń nie narażonych na działanie naciągu, wymaga odrębnego połączenia elektrycznego (np. w mostku na słupie odporowym). Najczęściej wykonuje się zacisk: mostkowy, kabłąkowy, uniwersalny oraz odgałęźny śrubowy.

Uchwyty - stosuje się wyłączenia do połączenia przewodów narażonych przy zawieszeniu mocnym). Typowe uchwyty

10.3.Obciążenia mechaniczne przewodów

W warunkach: normalnych - naprężenia przewodu nie mogą przekraczać naprężeń odpowiadających granicy sprężystości materiału przewodów; katastrofalnych - granic plastyczności.

Czynniki atmosferyczne wpływające na wartość naprężeń:

1. najwyższa i najniższa temperatura występująca na wartość naprężeń;

2. prędkość wiatru,

3. osady sadziowe (tj. śnieg, szum, lód),

Przy określaniu naprężeń przewodów w polskich warunkach przyjmuje się następujące temperatury ekstremalne:

1. temperatura mrozu -25⁰C;

2. temperatura upału +40⁰C

3. temperatura występujących osadów -5⁰C

Z punktu widzenia obciążenia przewodów wiatrem obszar Polski dzieli się na dwie strefy:

1. I - strefa nizinna (obejmuje 90% powierzchni),

2. II - obejmuje: 30km przy terenie wzdłuż wybrzeża, Sudety, Karpaty i podgórze.

Z punktu widzenia obciążeń przewodów wywołanych osadami sadziowymi obraz Polski dzieli się na cztery strefy: SI, SII, SIa, SIIa (największe obciążenie sadzią).

Przewody mocowane są na konstrukcjach wsporczych uzbrojonych w odpowiedni sprzęt oraz układy izolacyjne.

Podstawowy element linii stanowi przęsło - tj. część linii napowietrznej zawarta między dwoma konstrukcjami wsporczymi.

10.4.Konstrukcje wsporcze

Gabaryt słupa obejmuje jego wysokość i szerokość. Zależy od:

1. sposobu rozmieszczania przewodów,

2. zastosowanie przewodów i ich liczby,

3. napięcia znamionowego,

4. rodzaju zastosowanych izolatorów i osprzętu,

minimalnej wymaganej wysokości zawieszenia przewodu nad ziemią lub obiektem z którym krzyżuje się linia

Odległość h_min w sieci nn dla przewodów: nieuziemnionych - 5m, uziemionych - 4,5m. W liniach o napięciu U_N > 1kV. „h_min”

10.5.Układy przewodów na słupach

Przewody na słupach układa się w układzie jedno lub dwutorowym

10.6.Rozwiązanie techniczne konstrukcji wsporczych

Słupy, w zależności od funkcji, jaką spełniają w linii elektroenergetycznej dzielą się na:

1. przelotowe (P),

2. narożne (N),

3. odporowe (o),

4. odporowo-narożne (ON),

5. krańcowe (K),

6. rozgałęźne (R),

7. skrzyżowaniowe (s).

W zależności od materiału, z którego słupy są wykonane dzielą się na:

1. drewniane,

2. żelbetonowe (wibrobetonowe - o przekroju dwu lub trójteowym, np. ŻN, strunobetonowe, strunobetonowe-wirowane)

3. stalowe (linie o U_N > 110kV).

10.7.Izolatory

10.7.1.Wprowadzenie

1. oddzielenie przewodów od siebie o konstrukcji wsporczych;

2. przenoszenie i wytrzymywanie siły naciągu przewodów;

3. wytrzymywanie ciężaru przewodów wraz z obciążeniem sadzą i wiatrem.

Podstawowym parametrem izolatorów: napięcie znamionowe, napięcie probiercze udarowe i znamionowa wytrzymałość mechaniczna (oraz środowiskowa).

Wymagania (natury elektryczne i mechaniczne) stawiane materiałom stosowanym do wyrobu izolatorów:

1. znaczna rezystancja i wytrzymałość elektryczna;

2. odpowiednia wytrzymałość mechaniczna;

3. odporność na wszelkie wpływy atmosferyczne i chemiczne;

4. nienasiąkliwość i odporność na nagłe zmiany temperatury;

5. łatwość w obróbce;

6. jednorodność strukturalna.

Metody stosowane na izolatory

1. ceramiczne (porcelana, stearyt, kordieryt);

2. szkło hartowane;

3. materiały kompozytowe (obejmują: włókno szklane, żywiczne, epoksydowe i poliestrowe)

Izolatory dzielą się na niskonapięciowe (U_N = 1kV) i wysokonapięciowe.

10.7.2.Izolatory na napięcie do 1kV

Ze względu na sposób mocowania dzielą się na stojące (porcelanowe typu N lub szklane typu Ns - stosowane głównie na słupach przelotowych) i szpulowe (typu S stosowane na słupach krańcowych, narożnych i odporowych

10.7.3.Izolatory na napięcie powyżej 1kV

Dzielą się na stojące (stosowane w sieciach o U_N < 40kV) i wiszące (stosowane w sieciach o U_N > 40kV

Dla napięć wyższych do (30-40)kV stosuje się izolatory wiszące kołpakowe i pionowe podwyższające izolatory stojące zarówno pod względem wytrzymałości elektrycznej i mechanicznej

10.8.Zawieszenie przewodów

W zależności od funkcji, jaką spełnia konstrukcja oraz jaka jest wytrzymałość mechaniczna tej konstrukcji, stosuje się zawieszenie przelotowe (zwane luźnym) lub odciągowe (zwane mocnym) przewodów zarówno na izolatorach stojących jak i izolatorach wiszących.

10.9.Obostrzenia

Obostrzenie - dodatkowe środki zabezpieczeń linii w miejscu krzyżowania z innymi liniami, obiektami lub zbliżeniami do nich, np. krzyżowaniu z liniami kolejowymi, rzekami, szlakami żeglowymi, torem zabudowanym, itp. Są trzy stopnie obostrzenia: 1⁰, 2⁰, 3⁰.

Zwiększenie bezpieczeństwa linii elektroenergetycznej realizuje poprzez:

1. odpowiednio zgodnie z PN-E-050100-1÷3, dobór przekroju przewodów i stosowane w ich odpowiednie naprężeń - normalnego i katastrofalnego,

2. stosowanie dodatkowych izolatorów w przypadku izolatorów oraz dwu lub trójrzędnych łańcuchów w przypadku izolatorów wiszących,

3. stosowane w krańcach przęsła skrzyżowanego słupów przelotowo-skrzyżowaniowych i narożno-skrzyżowaniowych. Natomiast w przypadku słupów przelotowych i narożnych - zmniejszonego odcinka skrzyżowanego. (Rys.10.23)

10.10.Ochrona przepięciowa

10.10.1.Linia o napięci 110kV i wyższym

Rezystancja uziemienia słupa oraz rezystancja uziemienia ograniczników przepięć i iskierników zainstalowanych na słupach linii nie powinna przekroczyć wartości:

1. 10Ω przy rezystywności gruntu p < 1000Ωm i 15Ω przy rezystancji gruntu p ≥ 1000Ωm w liniach o napięci znamionowym U_N > 110kV i niższym,

2. 15Ω dla p > 1000Ωm o 20Ω przy p ≥ 1000Ωm w liniach o napięciu znamionowym U_N = 220kV i 400kV.

Odstęp dr pomiędzy przewodem roboczym a odgromnikiem w środku przesyłu linii w temperaturze +10⁰C powinien spełniać warunek

a - rezystywność przęsła,

Przewody odgromowe wykonuje się ze stalowej ocynkowanej linki. Minimalny przekrój 90mm². W najnowszym rozwiązaniu przewody odgromowe stanowią nośnik kabli światłowodowych. Światłowody mogą być także wewnątrz przewodów odgromowych.

Ochronę przepięciową od przepięć atmosferycznych stanowią odgromniki wydmuchowe lub iskierniki.

10.10.2.Linie o napięciu wyższym od 1kV a niższym od 110kV

W wymierzonych liniach nie ma potrzeby stosowania przewodów odgromowych na całej długości linii.

Ochronę przepięciową stanowią ograniczniki przepięć (obecnie powszechnie) lub iskierniki, które suszą i są instalowane:

1. w miejscach pomiaru energii elektrycznej znajdujących się na słupach LN (tj. słupach STR),

2. w miejscu połączenia LN z linią kablową (o długości < od 2km).

Przykład mocowania odgromników zaworowych i ograniczników przepięć na słupie rozgałęźnym - rys.10.24.

10.10.3.Linie napowietrzne o napięciu do 1kV

Ochronę przepięciową stanowią ograniczniki przepięć klasy A,, które muszą być instalowane:

1. na krańcach linii napowietrznej i co 500m,

2. w miejscu przyłączenia linii kablowej do linii napowietrznej,

3. w liniach zasilających instalacje odbiorcze w budynkach (ZK - klasy B).

Uziemienie ograniczników przepięć jest wspólne z przewodem MKN, przewodami instalacji odgromowej - rezystancja uziomu powinna być mniejsza od 10Ω.

7.1.Częstotliwość napięcia

Związana jest z bilansem mocy w sieci elektroenergetycznej - maleje przy niedoborze mocy wytwarzanej w stosunku do mocy urządzeń zapotrzebowanej. Zmiany częstotliwości wpływają na pracę urządzeń napędowych i odbiorników reaktancyjnych - stąd musi być stabilizowana na zadanym poziomie.

Do regulacji częstotliwości w systemie elektroenergetycznym wykorzystuje się:

1. turbogeneratory w wybranych elektrowniach, których moc, poprzez regulację prędkości obrotowej turbin automatycznie dopasowuje się do wzrostu mocy zapotrzebowanej - niwelując zmienność częstotliwości,

2. automatyczna samoczynna częstotliwość obciążenia (tzw. automatyka SCO), która w warunkach awaryjnych powoduje wyłączenie określonych odbiorców po obniżeniu się częstotliwości do wartości charakterystycznych dla danego stopnia zadziałania urządzenia SCO.

Dopuszczalne odchylenie częstotliwości w Polskiej sieci elektroenergetycznej wynosi -0,5Hz do 0,2Hz.

7.2.Jakość napięcia

Wielkości charakteryzujące jakość napięcia:

1. poziom napięcia,

2. wahania napięcia,

3. symetria napięć w układzie trójfazowym,

4. kształt krzywej po napięcia (tj. odkształcone krzywej napięcia od sinusoidy).

(przebicie), zmniejszenie trwałości odbiorników rezystancyjnych (np. grzejników, żarówek). Zbyt niskie szkodliwie wpływa na pracę wszystkich odbiorników (głównie silników), a przede wszystkim powoduje wzrost strat obciążeniowych i spadek sprawności przesyłu - przy stałym poborze mocy.

Dopuszczalne poziomy napięć w sieciach:

1. w sieciach NN nie mogą przekraczać wartości podane w tablicy 7.1,

2. sieci 110kV - ±10% (max 123kV)

3. w sieciach SN - ±5%, - 10%,

4. w sieci n N max napięcie nie może przekroczyć max dopuszczalnych odbiorów (np. 230V), a mianowicie wartości wynoszą:

- 0,95U_N w stanie normalnym dla odbiorców miejskich,

- 0,90U_N w stanie normalnym dla odbiorców wiejskich oraz w stanie zakłóceniowym dla wszystkich odbiorców.

Najważniejsze czynniki wpływające na odchylenie napięcia u odbiorców

1. nadmierne spadki napięć w liniach SN i nN,

2. niesymetria obciążeń w liniach nN,

3. błędna regulacja napięć transformatora 110kV/SN i SN/nN.

Sposób usunięcia przyczyn odchylenia napięć - odpowiednia budowa i eksploatacyjne sieci (np. kompensacja nocy biernej, poprawny dobór przewodów).

7.4.Wahania napięcia

Wahania napięcia - szybkie zmiany wartości skutecznej napięcia, zachodzi z prędkością nie mniejszą niż 1% napięcia znamionowego na sekundę w odstępie nie dłuższych niż 10 minut.

Przyczyną wahań napięcia może być: praca tzw. odbiorców niespokojnych (np. piece łukowe, spawarki), rozruchy silników.

Sposoby ograniczania wahań napięcia:

a). rozdział obwodów zasilających odbiorniki niespokojne i oświetleniowe,

b). zmniejszenie spadków napięcia poprzez zmniejszenie impedancji (podłużne) w sieci, np. zwiększenie przekrojów przewodów skracanie obwodu,

c). włączenie w obwód odbiornika niespokojnego kondensatora szeregowego,

d). stosowanie nadążnych kompensatorów mocy biernej.

Dopuszczalne wahania (tzw. zapady) napięcia nie powinny przekraczać:

1. 2% w sieci 110kV, SN i nN przy pracy pieców łukowych,

2. przy pracy innych niespokojnych odbiorów:

- 1-2% przy częstotliwości od 30/min do 3/min,

- 2% przy częstotliwości od 3.min do 0,1/min w sieciach 110kV,

- 1-2% przy częstotliwości od 30/min do 0,8/min,

- 203% przy częstotliwości od 3/min do 0,8/min,

- 3-4% przy częstotliwości od 0,8/min do 0,1/min w sieciach SN i nN.

7.5.Niesymatria napięć fazowych

Przyczyna - różne obciążenia poszczególnych fazach, powoduje różne spadki napięcia w przewodzie linii.

Zmniejszenie lub wyeliminowanie niesymetria napięć można uzyskać poprzez:

1. równomierne obciążenie wszystkich faz układów trójfazową odbiornika jednofazowego,

2. odpowiedni dobór rodzaju i konfiguracji połączeń uzwojeń transformatorów SN/nN.

7.6.Odkształcenie krzywej napięcia

Odkształcenie krzywej napięcia od sinusoidy jest wynikiem wystąpienia w sieci wyższych harmonicznych prądu i napięcia, wskutek obecności w sieci urządzeń i elementów o nieliniowej charakterystyce (np. piece łukowe, prostowniki sterowane i niesterowalne, lampy wyładowane).

Wyższe harmoniczne prądu wywołają w impedancji sieci zasilającej straty napięcia zniekształcenia sinusoidalne zasilania.

Miarą odkształcenia krzywej napięcia jest współczynnik odkształcenia „D” określony ze wzoru

Skutki obecności wyższych harmonicznych - dodatkowych:

1. nagrzewanie maszyn wirujących,

2. nagrzewanie i straty dzielnika w kondensatorze,

3. straty w transformatorach oraz zakładach w pracy urządzeń elektrycznych.

Wymagania - zawartość U_n% poszczególnych harmonicznych, odniesione do harmonicznych podstawowych, nie może przekraczać w sieciach o napięciu znamionowym U_N wartości:

1. U_N > 110kV - 1%,

2. 110kV ≥ U_N > 30kV - 1,5%,

3. 30kV ≥ U_N > 1kV - 3%,

4. U_N ≤ 1kV - 3%.

3.Linia jednostronnie i dwustronnie zasilana

Strata napięcia - geometryczna różnica wektorów napięć w dwóch punktach zasilania sieci.

Spadek napięcia - różnica modułów (wartości skutecznych) napięć istniejących w dwóch punktach sieci.

Dla prądu przemiennego stratę napięcia dzielimy na:

1. czynną - wywołaną spadkiem napięcia na rezystancji;

2. bierną - spowodowaną spadkiem napięcia na reaktancji.

W przypadku prądu stałego - występuje tylko strata czynna napięcia (równa spadkowi napięcia).

Maksymalny spadek ΔU_om pomiędzy punktami „O” i „m” wyznaczyć można metodą:

1. odcinkową;

2. momentów względem najdalszego punktu odbioru lub względem punktu zasilania.

3.1.1.Metoda odcinkowa

Równanie ogólne odcinka

Przy założeniu, że przewody są tego samego materiału (tj. γ i s = const na całej długości) równanie (3.6) przyjmuje postać

3.1.2.Metoda momentów względem punktu zasilania

Równanie ogólne spadku napięcia

z którego wynika, że spadek napięcia można określić sumując „momenty prądowe” odpowiedniemu iloczynowi pradu I_k i rezystancji R_ok przewodu odcinka linii od punktu zasilania do miejsca jego odpływu.

Gdy γ i s = const równanie (3.8) przyjmuje postać

I_ok - długość odcinka linii od punktu „o” do punktu „k”.

3.2.Linia jednostronnie zasilana prądu przemiennego I i II rodzaju

W liniach prądu przemiennego należy uwzględnić rezystancje i reaktancje, przesunięcia fazowe prądów względem napięcia, obciążenia czynne i bierne, straty i spadki napięć.

3.4.Obliczenie spadków napięć w liniach I i II rodzaju posiadających m odbiorów

Obliczenia prowadzi się metodą odcinkową lub momentów (tak samo jak prąd stały).

Stosując metodę odcinkową dla linii II rodzaju, ogólny wzór na spadek napięcia ma postać

W liniach I rodzaju (w których X = 0) wzór na spadek napięcia upraszcza się do odpowiedniej postaci:

Gdy γ i s = const oraz trójfazowa linia jest symetryczna, wzory (3.27) i (3.28) przyjmują postać:

3.7.Linia dwustronnie zasilana prądem przemiennym I i II rodzaju

3.7.2.Spadek napięcia

Spadek napięcia do punktu spływu (rys.3.6) można obliczyć albo od punktu 0 albo od punktu 3 (np. metodą odcinkową). Dla linii II rodzaju spadek napięcia można zapisać równaniem

Dla linii I rodzaju wzór (3.44) upraszcza się do postaci

Dla prądu stałego stosujemy wzór (3.45) z tą różnicą, że prąd I^'_(k-1)k zastępujemy prądem stałym.

Zatem w liniach III rodzaju:

1. poprzeczna starta napięcia ma istotny wpływ na ΔU, stąd musi być uwzględniona (w przeciwieństwie do linii I i II rodzaju, gdzie była zaniedbywana i nieuwzględniania),

spadek napięcia jest różny od podłużnej straty napięcia ( o odcinku DE).

3.7.4.Sieci wielokrotnie zamknięte

Obliczenia rozpływów prądów i spadek napięć przeprowadza się metodą sieci węzłowych - wyznaczając potencjały węzłowe przy znanych węzłach adamitancyjnych własnych i wzajemnych. Otrzymane zależności zapisuje się równaniami macierzowymi i rozwiązuje metodami iteracyjnymi - tj. kolejnych przybliżeń

9.Niezawodność pracy sieci

Najczęstsze powody przerw w dostawie energii elektrycznej: wyłączenie elementów zasilania, awarię, planowane przeglądy, remonty.

Podstawowymi przyczynami awarii w sieci elektroenergetycznej są:

1. warunki atmosferyczne (wiatr, burze, zanieczyszczenia atmosferyczne, temperatura),

2. nieprzewidziane losowe uszkodzenia mechaniczne (związane, np. z prowadzonymi w pobliżu urządzeń pracami ziemnymi, ruchami tereny),

3. nieodpowiednia jakość (fabryczna) elementów składowych sieci,

4. procesy starzeniowe prowadzące do zmniejszenia, np. wytrzymałości elektrycznej izolacji, wytrzymałość mechaniczna elementów nośnych (korozja).

Wyłączenia związane z zakładem awaryjnymi urządzeń elektroenergetycznych charakteryzuje współczynnik awaryjności (q), nazywany również współczynnikiem zawodności,

Niezawodność pracy urządzenia elektroenergetycznego określa współczynnik niezawodności

Niezawodność złożonego układu sieciowego zależy od niezawodności poszczególnego jego elementu składowych czas układu połączeń.

Metoda obliczeń niezawodności połączeń:

1. metoda współczynnika niezawodności (polega na wyznaczeniu wypadkowego współczynnika zawodności, na podstawie, którego określa się spodziewany czas trwania awarii),

2. metoda zawodności (wartość poszczególna jest nie dostarczana energia),

metoda intensywnych zakłóceń (bazuje na liczbie zakłóceń i na średnich czasach trwania uszkodzeń).

6.Obliczenia i dobór przekrojów przewodów

Kryteria doboru przekroju przewodów linii napowietrznej i kabli:

1. wytrzymałość cieplna w warunkach pracy normalnej, tj. dopuszczalna obciążalność długotrwała,

2. wytrzymałość cieplna zwarciowa,

3. dopuszczalny spadek,

4. kryteria ekonomiczne,

5. wytrzymałość mechaniczna.

Należy uwzględnić także: przewidywany wzrost obciążalność; aktualnie istniejące zalecenia PN i PBUE, warunki środowiskowe oraz aktualny asortyment wyrobów.

Dopuszczalna obciążalność prądowa kabli zmniejsza się:

1. w przypadku równoległego ułożenia kabli (uwzględnia to współczynnik k_gs),

2. przy ułożeniu kabli w rurach i przepustach kablowych k_g6),

3. ze wzrostem oporu cieplnego i środowiska, w którym kable są ułożone (k_g7).

6.2.Obliczenia przewodu ze względu na nagrzewanie prądem zwarciowym

Podczas przepływu prądu zwarciowego temperatura przewodów linii napowietrznej i kabli nie może przekroczyć dopuszczalnej temperatury granicznej przy zwarciu υ_gz podanej w tablicy 6.1. Praktycznie sprowadzenie przewodu lub kabla sprowadza się do sprowadzenia warunku

I_th - prąd cieplny zwarciowy [A],

T_k - czas trwania pradu zwarciowego [s]

j_ck - dopuszczalna gęstość 1-sekundowego prądu zwarciowego

Dopuszczalna gęstość 1-sekundowego prądu zwarciowego żył roboczych kabla o izolacji z polietylenu usieciowanego o temperaturze na początku zwarcia υ_gd = 90⁰C i czasie trwania zwarcia T_k < 5s wynosi: z żyłami Cu = 143A/mm², Al. - 94A/mm².

Dla żył powrotnych kabli SN wartości prądu j_c1 zalezą od przekroju żyły „s” i wynoszą: s = 10mm² - 260A/mm², s = 16mm² - 231A/mm², s = 25mm² - 212A/mm², s = 35mm² - 200A/mm² i s = 50mm² - 196mm².

W obwodzie, w którym zabezpieczenie zwarciowe stanowią wkładki topikowe (powodujące wyłączenie prądu zwarciowego w czasie T_k < 0,3s) dopuszcza się pominięcie sprawdzenia przewodów na nagrzewanie prądem zwarciowym.

6.3.Obliczenie przekroju przewodów ze względu na dopuszczalny spadek napięcia

Minimalny wymagany przekrój przewodów „s” linii trójfazowej symetrycznej I rodzaju zasilanej jednostronnie, przy wyznaczeniu spadku napięcia metodą odcinkową, wyznaczymy z zależności:

lub przy wykorzystaniu momentów prądów ze wzoru

Przy obliczeniu minimalnego przekroju „s” przewodów linii jednofazowej, we wzorach (6.8-6.9) współczynnik liczbowy
należy zastąpić współczynnikiem Z (ze względu na: podwójną długość przewodów i zasilającej napięcia fazowe.

W przypadku znanej mocy P_k [kW] odbiorców wzór (6.9) dla linii trójfazowej I rodzaju przyjmuje postać

[mm²]

a dla obwodu jednofazowego

[mm²]

gdzie

γ - konduktywność przewodu

γ = 54[m/Ω mm²] dla Cu,

γ = 33[m/Ω mm²] dla Al.

ΔU_dop% - względny dopuszczalny spadek napięcia [%]

U_N - napięcie międzyprzewodowe [V],

P_k - moc czynna k-tego odbiornika [kW],

I_ok - długość przewodu od odbioru do punktu zasilania [m].

W liniach trójfazowych symetrycznych II rodzaju minimalny przekrój „s” przewodu lub żyły roboczej kabla, przy znanym dopuszczalnym spadku napięcia ΔU_dop, obliczamy ze wzoru

w którym

1. górny znak „+” przyjmujemy dla biernych prądów pojemnościowych,

2. dolny znak „-” stosujemy dla biernych prądów indukcyjnych.

Ze wzoru (6.11) wynika, że przesyłanie biernych prądów indukcyjnych powoduje wzrost przekroju przewodu. Dlatego prądy te kompensują się.

Można też korzystać ze wzoru ogólnego postaci

gdzie

I^' - składowa czynna pradu odcinkowego w metalowy odcinek lub prądu odbioru w metodzie momentów [A],

I^' - składowa bierna prądu odcinkowego w metodzie odcinkowej lub prądu odbioru w metodzie momentów (ze znakiem „-” w obwodzie indukcyjnym oraz „+” w obwodzie indukcyjnym oraz „+” - pojemnościowym) [A],

P - moc czynna w odcinku linii w metodzie odcinkowej lub czynna odbioru w metodzie momentów [W],

Q - moc bierna w odcinku linii w metodzie odcinkowej lub bierna w metodzie momentów (ze znakiem „-” w obwodzie indukcyjnym oraz „+” - pojemnościowym) [var]

l - długość odcinka w metodzie odcinkowej lub odległość punktu odbioru od punktu zasilania w metodzie momentów [m]

ΔU_dop - dopuszczalny spadek napięcia [V],

U_N - napięcie międzyprzewodowe [V]

X₀ - reaktancja jednostkowa linii [Ω/km].

Maksymalne dopuszczalne spadki napięcia w liniach rozdzielczych SN

• w warunkach normalnych - 8%,

• w warunkach awaryjnych - 13%,

W czasie rozruchu silników dopuszcza się spadki napięć większe od podanych w tablicy 6.7.

W przypadku ciężkiego rozruchu silników dopuszczalne są napięcia:

• 10% przy rozruchu częstym (tj. ponad 15 razy na godzinę)

• 15% przy rozruchu rzadkim (tj. do 15 razy na godzinę).

6.4.Kryteria ekonomiczne

Podstawek sceny ekonomiczne linii stanowią koszty inwestycyjne k_st (tzw. stałe) i koszty zmienne k_zm (straty mocy i energii) - odniesione do jednego roku. Całkowite koszty roczne k_c są suma obydwu kosztów, tj.:

1. koszty inwestycyjne wzrastają proporcjonalnie, a koszty strat mocy i energii maleją odwrotnie proporcjonalnie do wzrostu przekroju przewodu linii,

2. istnieje optymalny przekrój przewodu (s_opt), dla którego wystąpi minimalny koszt całkowity.

W praktyce jednak, ze względów ekonomicznych oraz ze względu na znormalizowane przekroje przewodów, należy stosować przewody o przekroju 52s_opt.

W dodatku obliczeniowym należy uwzględnić także koszty niezawodności, odchyleń napięcia, odchyleń częstotliwości, odkształceń krzywej napięcia

8.Regulacja napięcia w transformatorach i sieciach elektroenergetycznych

Obejmuje:

1. zmianę spadku napięcia - tzw. Regulacja poziomu napięcia;

2. zmianę poprzecznych strat napięcia - tzw. Regulację fazy napięcia lub regulację poprzeczną napięcia.

8.1.Regulacja poziomu napięcia

Metody regulacji poziomu napięcia:

1. wprowadzenie napięć dodawczych (generatory, transformatory);

2. kompensacja mocy biernej (kompensacja szeregowa, kondensatory równoległe);

3. zmiana impedancji układu zasilania (kondensatory szeregowe).

Kryteria regulacji poziomu napięcia:

1. dopuszczalny zakres odchylenia napięcia u odbiorcy;

2. dopuszczalny zakres odchylenia napięcia w samej sieci;

3. minimalizacja strat mocy i energii w sieci.

8.1.1.Regulacja napięcia przez wprowadzenie napięć dodawczych

Generatory

Metoda polega na podwyższeniu napięcia na zaciskach generatora w wyniku zmiany jego wzbudzenia. Wprowadzone napięcie waha się w granicach od 5% do 10% napięcia znamionowego U_N.

Zaletą tej metody jest jej ciągłość, a wadą ograniczony zakres stosowany związany a koniecznością uwzględnienia poziomu napięcia u odbiorców bliskich.

Transformatory

Regulacja napięcia przez transformator (Tr) stanowi podstawowy sposób regulacji napięcia. Jest to tzw. regulacja zaczepowa polegająca na zmianie liczby zwojów poszczególnych uzwojeń, Tr realizowana przez przełącznik zaczepów.

Przełączenie zaczepów może odbyć się:

a) w stanie beznapięciowym (głównie Tr SN/UN umiejscowione w mniej ważnych punktach układu elektroenergetycznego;

b) pod obciążeniem (Tr w punktach układu elektroenergetycznego, w których wymagana jest bieżąca i ciągła zmiana napięcia).

Zaczepy regulacyjne wykonuje się zwykle w uzwojeniach wyższych napięcia (większa dokładność regulacji i mniejszy prąd przy przełączeniach), jedynie w Tr najwyższych napięć umieszczane są po stronie niższego napięcia od trony punktu gwiazdowego

8.1.2.Kompensacja mocy biernej

Przesyłanie mocy biernej jest niepożądane i należy ją dostarczyć w miejscu zapotrzebowania - najczęściej przez załączenie kondensatora równoległego pokazanego

Załączanie baterii kondensatorów baterii powoduje zmniejszenie spadku napięcia w linii zasilającej o wartości

- spadek napięcia przed załączeniem kondensatora,

- spadek napięcia po załączeniu kondensatorów.

Z równania spadków napięć, zależność (3) można zapisać w postaci:

Z której określić można moc Q_cr trójfazowej baterii kondensatora zmniejszającej spadek napięcia w punkcie 2 (rysunek 8.1c) o wartości ΔU_cr

8.1.3.Zmiana impedancji układu zasilania

Zmianę impedancji układu zasilającego najłatwiej można uzyskać instalując w linii przesyłowej kondensator szeregowy. Zasadę regulacji napięcia przy pomocy kondensatora szeregowego

Kondensator szeregowy powoduje:

1. tzw. Punktowy wzrost napięcia (wskutek odłożenia napięcia IX_cs);

2. zmniejszenie spadku napięcia w linii przesyłowej o wartości ΔU_cs.

Spadek napięcia ΔU_cs w linii skompensowanej załączeniem kondensatora szeregowego o reaktancji X_cs można zapisać równaniem

z którego po przekształceniu wyznaczyć można reaktancję kondensatora szeregowego X_cs niezbędnej do zmniejszenia spadku napięcia do wartości ΔU_cs

ΔU₁₂ - spadek napięcia przed załączeniem kondensatora szeregowego,

ΔU_12s - spadek napięcia po załączeniu kondensatora szeregowego.

Moc trójfazowej szeregowej baterii kondensatora określa się ze wzoru

I - prąd płynący przez kondensator szeregowy przy przesyle mocy S.

Ze wzoru (13) wyznaczyć można moc trójfazowej szeregowej baterii kondensatora niezbędnego do uzyskania spadku napięcia ΔU₁₂ ≤ U_dop przy stałej mocy P = const.

8.1.4.Komplikacja regulacji napięcia w sieci

Utrzymanie optymalnych poziomów napięcia w sieci w warunkach zmiennych obliczenia uzyskuje się poprzez regulację przekładni Tr oraz koordynację wytworzonej mocy biernej.

1.Sieci i urządzenia elektroenergetyczne

Wytwarzanie i zapotrzebowanie energii elektryczne w Polsce (1999r):

1. moc zainstalowana generatorów 36000MW,

2. największa moc zapotrzebowana 25000MW

Grupy odbiorców:

1. Grupa V p < 40kW, zabezpieczenie przelicznikowe I_N < 63A zasilane z sieci rozdzielczej nn napięciem U_N = 0,4kV,

2. Grupa IV - p > 40kW zabezpieczenia przelicznikowe I_N > 63A, zasilane z sieci rozdzielczej nn napięcie U_N = 0,4kV,

3. Grupa III - S = 5 ÷ 15MW, zasilane z sieci rozdzielczej SN,

4. Grupa II - S = 15 ÷ 50MW, zasilane z sieci rozdzielczej 1000kV,

5. Grupa I - S > 50MW zasilane bezpośrednio z sieci przesyłowej.

Linie elektroenergetyczne eksploatowane w Polsce:

• Napowietrzne wysokiego napięcia (NN, WN) o U_N = 400, 220, 110, 750kV (aktualnie wyłączona),

• Napowietrzne średniego napięcia (SN) o U_N 30, 20, 15, 10, 6kV,

• Napowietrzne niskiego napięcia (nn) o U_N poniżej 1kV

• Kablowe: NN (400kV pradu stałego), Sn i nn.

W zależności od U_N linie pełnią rolę:

• Przesyłowych wysokiego napięcia,

• Sieci rozdzielczej i dystrybucyjnej,

• Sieci rozdzielczej i odbiorczej nn.

1.1.Linie przesyłowe wysokiego napięcia

Obejmują linie o U_N = 750, 400, 220kV prądu przemiennego oraz 400kV prądu stałego. Tworzą KSE - eksploatacje prowadzi Spółka Akcyjna Polskie Sieci Elektroenergetyczne (rys.1.2)

Długość linii: 7650kV - 112km, 400kV - 4320km, 220kV - 8182km.

W liniach NN i WN przewody robocze wykonywane są z linki stalowo-aluminiowej typu AFL o przekroju roboczym do 530mm²

1.2.Sieci rozdzielcze i przesyłowe

Sieci rozdzielcze stanowią linie napowietrzne U_N = 110kV prądu przemiennego. Łączna długość linii sieci rozdzielczej - 36.325km. Sieć dystrybucyjną stanowią linie napowietrzne (LN) i kablowe (LK) SN o łącznej długości 350.000km. W liniach napowietrznych SN oprócz gołych linek stalowo-aluminiowych typ AFL o przekroju 120mm² wykorzystuje się przewody izolowane, w których przewodzące żyły aluminiowe (lub stopy AL.):

1. powlekane są stosunkowo cienką warstwą izolacji i zamieszczone na izolatorach w pewnej odległości od siebie,

są w pełni izolowane, skręcone w wiązkę trójprzewodową i wyposażone w stalową linię nośną.

1.3.Elektroenergetyczna sieć rozdzielcza i odbiorcza nn

Obejmuje linie napowietrzne (LN) i linie kablowe (LK) pradu przemiennego o U_N < 1kV i pradu stałego o U_N < 1,5kV. W skład ww. sieci wchodzą:

• przewody i kable elektroenergetyczne (podstawowe elementy),

• elektroenergetyczne urządzenie łączenie, zabezpieczenie, ochronne, sterujące i pomiarowe z obudowami, konstrukcji wsporcze LN i osprzęt kablowy.

Z sieci odbiorczej zasilane są instalacje, które ze względu na rodzaj zasilanych obwodów, dzielą się na rodzaj zasilanych obwodów, dzielą się na instalacje:

• oświetleniowe - zasilające nie tylko źródło światła, ale także urządzenia elektryczne o niewielkiej mocy (np. zainstalowane w mieszkaniach o mocy P_N < 2kW),

• siłowe - zasilające silniki elektryczne, przemysłowe urządzenia grzejne, kuchnie elektryczne, przepływowe podgrzewanie wody (duże moce), wirniki, parowniki, itp.

Ze względu na miejsce występowania instalacje elektryczne dzielą się na

• nieprzemysłowe - zasilające odbiorniki elektryczne w budynkach mieszkalnych, biurowych, szkolnych,

• przemysłowe - wykonane w zakładach i pomieszczeniach o przesyłowym znaczeniu,

• inne - np. w gospodarstwach rolniczych i ogrodniczych, hodowlanych górnictwie.

W zależności od czasu użytkowania dzielimy na:

• stałe,

• prowizoryczne (tymczasowe) - czas eksploatacyjny krótszy od 3 lat(np. plan budowy). Muszą spełniać zapewniać m.in. taką samą ochronę przeciwporażeniową i pożarową jak instalacje stałe.

W celu spełnienia swoich zadań, wszystkie wymienione sieci powinny być tak zaprojektowane, wyposażone i wykonane, ażeby zapewniały:

• dostarczenie energii elektrycznej w sposób niezawodny,

• odpowiednia jakość energii elektrycznej w (tj. odpowiedni poziom napięcia, brak wahań, symetrię napięć w układzie trójfazowym, kształt krzywej napięcia),

• dużą elastyczność (tzn. łatwość w dostosowaniu do zmiennych warunków odbioru i stworzenie możliwości dalszej rozbudowy),

• przemysł dystrybucję i rozdział energii elektrycznej przy minimalnych kosztach budowy i eksploatacji,

• bezpieczeństwo dla życia i mienia ludzkiego.

1.4.Klasyfikacja sieci elektroenergetycznej

Ze względu na rodzaj zastosowanego prądu:

1. prądu stałego (trakcji transformatorowych - 750V i kolejowych 3 i 10kV), linie przesyłowe 400 i 800kV),

prądu przemiennego głównie częstotliwość 50Hz (USA - 60Hz, niekiedy 25 i 16 2/3Hz do bezpośredniego zasilania silników trakcyjnych).

Sieci prądu przemiennego 1kV względem na wartość napięcia znamionowego dzieli się na:

• ultra wysokie napięcie (UWN) U_N ≥ 735kV,

• najwyższego napięcia (NN) 220kV ≤ U_N ≤ 500kV

• wysokiego napięcia (WN) 60kV ≤ U_N ≤ 150kV,

• średniego napięcia (SN) 1kV ≤ U_N ≤ 60kV.

Napięcie stosowane w połączeniach sieciach elektroenergetycznych:

1. 750kV, 400kV, (220kV), 119kV, (60kV), (40kV). 930kV), 20kV, 15kV, (10kV), 6kV, (5kV), a poniżej 1kV głownie 380V, a także (500V) i (600V). Napięcie podane w nawiasach ulegają eliminacji.

2. Prądu stałego 2, 4, 6, 12, 48, 60, 80, 110, 160, 220, 440, 750, 1500, 3000V, 400kV (pomorska linia kablowa).

Ze względu na rodzaj zasilania rozróżnia się:

- linie jednostronnie zasilane - zwane też liniami otwartymi lub promieniowymi (rys. 1.6a),

- linie dwustronnie zasilane - zwane także liniami zamkniętymi (rys.1.6b). Szczególnym przypadkiem linii dwustronnie zasilanej jest linia okrężna, zwana również pętlowa (rys.1.6.c) zasilana z jednej strony,

- sieci węzłowe - muszą posiadać przynajmniej jeden węzeł zasilany z trzech stron

Często stosowany jest podział sieci na otwarte i zamknięte.

Siecią otwartą stanowi sieć, której graf (tj. schemat jednokreskowy) ma postać drzewa. Należy do niej sieć promieniowa jedno i wieloliniowa oraz pętlowa rozcięta w sposób gwarantowany otrzymanie takiego grafu. Typowym przykładem sieci otwartej jest pracująca w Polsce sieć SN.

Sieć zamknięta to taka, której graf ma postać oczka

W zależności od dokładności obliczonych i przyjętych uproszczeń wyróżniamy:

• linię I rodzaju, dla której przyjmuje się, że X₀ = 0, G₀ = 0, B₀ = 0. Jest rezystancja (rys.1.10a),

• linię II rodzaju, dla której G₀ = 0, B₀ = 0. To linie napowietrzne SN do 30kW, impedancja podłużna, rys.1.10b

• linię III rodzaju tj. linie napowietrzne o długości mniejszej od 400km i linie kablowe o napięciu wyższym od 30km. Impedancja i admitancja. Rys.1.10c

• linię IV rodzaju obejmujące linie najwyższych napięcia o długości przekraczających 400km, dla których w schematach zastępczych nie można stosować czwórniki typu π

1.5.Układy sieciowe

W zależności od napięcia znamionowego, przeznaczenia linii oraz sposobu zasilaniu - stosuje się różne układy sieciowe. Stosowane w Polsce układy sieciowe podano na kolejnych rysunkach.

- dwuprzewodowy system prądu stałego (stosowany głównie w trakcji)

- trójprzewodowy system prądu stałego (linie przepustowe prądu stałego)

- trójfazowy trójprzewodowy system prądu przemiennego z bezpośrednio uziemionym punktem neutralnym - rys.1.13,

- trójfazowy trójprzewodowy system prądu przemiennego: a) izolowanym punktem neutralnym, b) z pośrednio uziemionym punktem neutralnym

9.Łączniki elektroenergetyczne NN

Ze względu na przeznaczenie i właściwości łączeniowe, łączniki elektroenergetyczne dzielą się na:

- izolacyjne (tzw. odłączniki) do załączania i wyłączania obwodów bezpiecznikowy przerwy izolacyjnej,

- zwarciowe - do załączania i wyłączania obwodów prądami roboczymi i zwarciowymi,

- manewrowe - do sterowania pracą odbiorników,

- bezpieczniki - do jednokrotnego przerywania prądów przeciążeniowych i zwarciowych.

Podstawowe parametry charakteryzujące łącznik

- napięcie znamionowe,

- prąd znamionowy ciągły,

- zdolność wyłączania - wartość pradu stałego, który łącznik może prawidłowo przerwać określoną liczbę razy w określonych warunkach, pozostałych zdatnym do dalszej pracy. Zależy od sposobu gaszenia łuku elektrycznego, rodzaju i rozwiązania konstrukcji zastosowań komór gaszeniowych.

9.1.Wyłączniki instalacyjne

Wyłączniki instalacyjne: U_N do 400V, prądy znamionowe I_N do 125A (najbardziej rozpowszechnione prądy I_N do 63A); prądy wyłączeniowe do 10kA, wykorzystane w postaci pojedynczych modułów o szerokości 18mm łączonych w zespoły, z 3-4, co segment ze wspólnym napięciem na wszystkie bieguny.

Przeznaczenie: zabezpieczenie obwodów odbiorczych przed prądami przeciążeniowymi (termo-bimetal); zwarciowymi oraz ochrony przeciwporażeniowej.

W zależności od prądów zadziałania bezzwłocznego wyzwalacza zwarciowego otrzymuje się różne charakterystyki czasowo-prądowe (t-I) określające typ i przeznaczenie wyłącznika.

Wyłącznik typu B przeznaczony jest do zabezpieczania przewodów i odbiorników w obwodach oświetlenia oraz gniazd 220V; typu C - do zasilania silników klatkowych i Tr o niedużej mocy; typu D - do silników o ciężkim rozruchu, grup lamp oświetleniowych i Tr).

Charakterystyka t-I jest bardzo ważna dla uzyskania poprawnej ochrony przeciwporażeniowej oraz selektywności działania różnych urządzeń zabezpieczających.

9.2.Bezpieczniki

Komplet stanowi: wkładka topikowa o podstawa.

Podział bezpieczników:

- instalacyjne,

- przemysłowe, tzw. mocy, lub stacyjne.

Podstawowym elementem składowym wkładki topikowej bezpiecznika instalacyjnego.

Wkładki topikowe bezpieczników przemysłowych wykonane są w postaci ceramicznych prostopadłościanów ze stykami nożowymi srebrzonymi mocowanymi w podstawie ze stykami szczękowymi.

Bezpieczniki budowane są:

- napięcie stałe: 220, 440, 600, 700 i 1500V,

- napięcie przemienne: 220, 380, 500 i 690V

- prądy od 2 do 1250A

Posiadają określone oznaczenia dwuliterowe. Pierwsza litera oznacza zdolność wyłączeniową, druga przeznaczenia.

W instalacjach budynków mieszkaniowych powinny być stosowane bezpieczniki oznaczone symbolem GL, a w obwodach silników elektrycznych gM.

Właściwości wkładek topikowych bezpiecznika określają charakterystyki:

1. czasowo-prądowe (t-I) - istotna przy wyznaczaniu skutków cieplnych przepływu prądu przetężeniowego i ocena skuteczności działalności ochrony przeciwporażeniowej.

prądów ograniczonych - niezbędna dla oceny skutków dynamicznych przepływu zwarciowego

9.3.Rozłączniki

Występuje wiele odmian rozłączników. W przeważającej większości wykonuje się jako dwuczłonowe składające się z:

- podstawowe ze stykami przełączeniowymi, wtykowymi oraz komorami gaszącymi,

- pokrywy ruchowej, zdejmowany lub otwierany, na której zamocowane są wkładki bezpiecznikowe będące częścią układu zestykowego rozłączonego z napędowego i dźwignią. Po pełnym otwarciu pokrywy rozłącznik staje się łącznikiem izolacyjnym.

Charakterystyki t-I rozłącznika charakteryzowanego t-I zamontowanego w im bezpiecznika.

9.4.Wyłaczniki silnikowe

Cel: zabezpieczenia silników przed skutkami przeciążeń, zwarć, niepełnofazową pracę, zanikiem lub obniżeniem napięcia.

Budowane są na napięcia U_N do 690V i prądy I_N do 80A (najbardziej rozpowszechnione są prądy I_N do 40A); posiadają możliwość regulacji pradu działającego wyzwolenie przeciążeniowego (termobimetal).

9.5.Wyłączniki różnicowoprądowe (F-I)

Stosowane są głównie dla ochrony przeciwporażeniowej. Inne przypadki zastosowania pokazane na rysunku 9.10.

W warunkach normalnej pracy, przy jednakowej liczbie zwojów przewodów fazowych (L1, L2, L3) i neutralnym 9N) na rdzeń przekładnika, lub przechodzące przez jego okno, suma geometryczna prądów fazowych i w przewodzie neutralnym, jest równa zeru, tj.

Podobnie strumień magnetyczny Φ wytwarzany przez te prądy w rdzeniu przekładnika (1) jest równy zeru.

Jeżeli w zasilaniu obwodu występuje osłabienie lub uszkodzenie izolacji doziemnej, powodujące przepływ prądu upływającego I_Δ do ziemi lub przewodu ochronnego PE, to suma prądów w przewodzie przekładnika sumującego przestaje być równa zero i nie będzie spełniać warunku (9.1). W rdzeniu (1) powstaje zmienny w czasie strumień magnetyczny, który w cewce napięciowej różnicowoprądowego przekładnika spolaryzuje (2) indukuje napięcie o wartości zależnej od wartości prądu różnicowego I_Δ. Gdy prąd różnicowy I_Δr, wtedy nastąpi zadziałanie przekaźnika i wyłączenie wyłącznika F-1 (tj. odblokowanie zamka (3))

---