4. ZGRADBA IN DELOVANJE STIKALNIH POSTAJ IN APARATOVleon.fe.uni-lj.si/media/uploads/files/Pedagosko delo Cepin... · Ob eventuelni zatajitvi blokade se lahko po izklopu pojavi električni

STIKALNE POSTAJE IN APARATI

P.Žunko

4. ZGRADBA IN DELOVANJE STIKALNIH POSTAJ IN APARATOV V preje omenjenih elektroenergetskih sistemih imamo celo vrsto mest, koder tokokroge stikamo in ločujemo, vežemo razne dele elektroenergetskih naprav v sistemske kombinacije, spreminjamo v mreži napetosti in opravljamo stikalne manevre. Ob tem moramo imeti na raznih mestih možnost, da selektivno izločimo defekte in podobno. Vsi ti primeri nastopajo v sistemih vseh obsegov tako v samih elektrarnah ter v prenosnih in razdelilnih omrežjih. Na raznih mestih nastopajo ali visoke napetosti ali veliki toki ali oboje skupaj. Za stikanje takih tokokrogov in izvajanje transformacije imamo posebne naprave, ki jih imenujemo stikalne postaje. V stikalnih postajah imamo aparate za vklapljanje ali izklapljanje, transformatorje, naprave za zaščito, merilne naprave za kontrolo obratovanja in obračun energije, naprave za upravljanje stikalnih naprav, signalizacijo, daljinsko merjenje in daljinsko vodenje itd. Razlikujemo torej najrazličnejše stikalne postaje, ki so glede na svojo vlogo različno opremljene. Nasplošno si oglejmo na sliki 4.1 shematsko predstavljeno stikalno postajo elektrarne.

G G G4 4 4

4

3 3

5 5 5

3

1

2

1 - glavna stikalna postaja 2 - stikalna postaja za lastno rabo in za priključtev blokov 3 - stikalna postaja za lastno rabo blokov 4 - transformatorji za lastno rabo 5 - blok transformator Slika 4.1 Stikalna postaja elektrarne Sicer ločimo v samem električnem omrežju naslednje postaje: - RAZDELILNA TRANSFORMATORSKA POSTAJA - RTP je povezana z več vodi

prenosnega ali razdelilnega omrežja. Prisotno je stikališče določene napetosti, kjer se preko transformatorjev transformira napetost na nižji napetostni nivo in izvaja povezava v stikališču z vodi določene napetosti. V tem primeru gre za dve kompletni stikalni postaji:


2

Slika 4.2 Razdelilna transformatorska postaja - RTP - RAZDELILNA POSTAJA - RP povezuje več vodov iste napetosti. V postaji imamo

stikališče v katerem vežemo vode v različne kombinacije. Postaje so opremljene enotno, posebna oprema je zaščita za selektivno izklapljanje vodov pri defektih.

Slika 4.3 Razdelilna postaja - RP - TRANSFORMATORSKE POSTAJE - TP za napajanje nizkonapetostnih omrežij so

najenostavnejše stikalne postaje, kjer vodi v postajo en dovod določene srednje visoke napetosti. Preko transformatorja s transformacijo na 0.4 kV zbiralke vodijo nizkonapetostni vodi do potrošnikov.


3

Slika 4.4 Transformatorska postaja - TP Povrnimo se stikalnim postajam, ki so nameščene v sklopu elektrarn. Prav tu nastopajo specifični primeri povezovanja elementov, kjer proizvodne enote - generatorje lahko povezujemo na več načinov: ZBIRALČNA vezava, kjer so med transformatorjem in generatorjem prisotni elementi na nivoju srednje visoke napetosti (6, 10, 20 kV). Take primere zasledimo v HE elektrarnah Mariborski otok, Dravograd, Fala, Medvode, Doblar (hidroelektrarne) itd.

Slika 4.5 Zbiralčna vezava - BLOKOVNA vezava se je pojavila iz razloga, ker je stikalna postaja za generatorsko

napetost (slika 1.5) zaradi relativno nizke napetosti v pogledu učinkov kratkostičnih tokov zelo zahtevna. Iz omenjenega razloga sta generator in transformator vezana neposredno v taoimenovani blok. Primer take vezave lahko zasledimo v HE Vuzenica, Vuhred, Ožbalt, Zlatoličje, Formin pa tudi v TE Šoštanj ter drugod.


4

Slika 4.6 Blokovna vezava Prisotna imamo še dva pojma ČISTI BLOK in TOTALNI BLOK. V prvem primeru gre za zaporedno vezavo generatorja in transformatorja z direktnim izvodom v daljnovod visoke napetosti - primer TE Šoštanj III in IV. V tej isti TE na proizvodni enoti IV in V pa imamo še primer totalnega bloka, kjer je v preje omenjeno zaporedje vključen še kotel in turbina.

Slika 4.7 Totalni blok Trdimo lahko, da nastopajo v elektrarnah posebne vrste stikalnih postaj. Poleg stikalnih postaj za generatorske in prenosne napetosti gre tu za stikalne postaje za lastno rabo. 4.1 Stikalne sheme zbiralk S težnjo, da se čimbolj zmanjšajo potrebne investicije stikalne postaaje, se vedno znova iščejo najprimernejše variante. To velja seveda za vse oblike stikalnih postaj, predvsem pa je opazna mnogoštevilčnost teh izvedb prav pri postajah visoke napetosti in to pri izvedbah, ki so nameščene na planem. V nadaljevanju želimo podati nepopoln pregled enopolnih shem, ki jih povzemamo iz /2/. Stikalne naprave sestavljajo:


5

1. zbiralke, ki v tripolni izvedbi lahko predstavljajo enojni, dvojni ali trojni sistem in ki so priključene na vse dovode in odvode preko stikalnih aparatov. Vzdolž svoje dolžine so lahko tudi deljene (preko odklopnika ali ločilnika).

2. Stikalne celice ali stikalna polja, ki so razporejena ena poleg druge glede na njihovo funkcijo in opremljena z ustreznimi stikalnimi aparati, merilnimi transformatorji ter merilnimi in drugimi zaščitnimi napravami.

Omenimo naj, da so sistemi z enojnimi zbiralkami in poenostavljeni sistemi za dislocirane transformacije najbolj uporabni za manjša stikališča oziroma tista, ki nimajo vozliščnega značaja. Sheme z dvojnimi glavnimi in pomožnimi zbiralkami (2G+P) so dokaj pogosto uporabljene pri nas n. pr. RTP Ljubljana II Beričevo. Zbiralčne sisteme označujemo z I, II in III ali z oznako 1G, 2G, 3G.

1,2 napajanje - dovod, 3 merilni transformator, 4 ločilnik,5,6,7 odvodi Slika 4.1.1 Enopolna stikalna shema stikalnega postaje s sedmimi stikalnimi polji Shema z enojno zbiralko Sistem je enostaven, cenen in pregleden. Ne nudi nobene elastičnosti v pogonu, ne daje nobene rezerve pri remontih. Primeren je za manjša stikališča, ki nimajo vozliščnega značaja.

Slika 4.1.2 Enopolna shema z enojnimimi zbiralkami


6

Shema z zbiralko z vzdolžnim ločilnikom

Slika 4.1.3 Enopolna shema s sekcioniranimi enojnimi zbiralkami V primerjavi s shemo na sliki 4.1.2 je sigurnost obratovanja v tem primeru povečana. Izvedba je cenena in pregledna. Pri nas se uporablja na nivoju 220 kV, veliko pa se uporablja v električnih omrežjih Italije. Sheme z dvojno zbiralko

a) b) c)

d) Slika 4.1.4 Enopolne sheme z dvojno zbiralko Sheme so primerne za srednje velike in velike postaje. V normalnih obratovalnih razmerah je, po postopku sinhronizacije zveznega polja, izvajanje preklopov iz enega sistema na drugega zelo fleksibilno. V primeru okvare odklopnika v enem od odvodov je potrebno odklopnik odstraniti ter mesto premostiti in zagotoviti, do vspostavitve prvotnega stanja, varovanje odvoda z odklopnikom v zveznem polju. Da bo odklopnik v zveznem polju s prigrajeno zaščito dejansko ščitil vod oz. daljnovod, kjer je bila izvedena premostitev odklopnika, moramo s predhodnimi manipulacijami zagotoviti, da bo odklopnik v zveznem polju obremenjen izključno z obremenitvijo, ki ga diktira breme na odvodu s premostitvijo. Navedene izvedbe na sliki 4.14 a), b), c), d) imajo enake funkcije. Primer d) ponazarja oklopljeno izvedbo z izvljačljivo celico. Ta izvedba je namenjena za namestitev v objektih, medtem ko so ostale izvedbe lahko v objektu ali na planem.


7

Shema z eno ali dvema glavnima zbiralkama in eno pomožno zbiralko Shema 2G +P na sliki 4.1.5 je osnova za različne podvariante. V Evropi je v veliki meri uporabljena na 220 kV in 380 kV napetostnem nivoju. Pomožna zbiralka prispeva k obratovalni sigurnosti. Shema je zelo elastična in omogoča poljubno sekcioniranje mreže. Elastičnost se lahko poveča tudi z vzdolžnimi ločitvami zbiralk. Takoimenovano rezervno polje, ki jo sestavlja ločilnik, odklopnik, ločilnik, omogoča povezovanje ene od glavnih zbiralk s pomožno zbiralko v primeru okvare katerega od stikalnih elementov na določenem odvodu. V normalnih obratovalnih razmerah je pomožna zbiralka neobremenjena. Stikališče z eno glavno zbiralko in pomožno zbiralko 1G+P je prav tako pogosto v rabi in temelji na enakem principu, kot je bilo omenjeno za predhodno shemo po sliki 4.1.5.

Slika 4.1.5 Enopolna shema z dvojno glavno in pomožno zbiralko Shema s tremi zbiralkami

Slika 4.1.6 Enopolna shema s trojnimi glavnimi zbiralkami Elastičnost je tu dosežena večja kot pri dvojnih zbiralkah. Uporablja se v velikih postajah n.pr. RTP Ljubljana II - Beričevo 110 kV. Možna je tudi kombinacija s pomožno zbiralko in to predvsem za napetosti, ki so manjše od 220 kV. Shema z obročno zbiralko


8

Priporoča se predvsem za vozliščne postaje ne pa toliko za RTP z mnogimi odvodi. Ker izpad odklopnika ne pomeni izpad napajanja, velja da je shema zelo sigurna. Ne zahteva večje površine. Velja, da je do pet odvodov konkurenčna shemi 2G+P. V ZDA je ta izvedba zelo uporabljena.

Slika 4.1.7 Enopolna shema z obročno zbiralko Primer enopolne sheme RTP Beričevo Kot posebnost RTP Beričevo na kratko omenimo, da so 400 kV zbiralke povezane z diagonalo 400 kV slovenskega omrežja. RTP Beričevo predstavlja pomembno postajo za mesto Ljubljana in celotni elektroenergetski sistem Slovenije.

STIK

ALN

E PO

STA

JE IN

APA

RA

TI

9

Slik

a 4.

1.8

Enop

olna

shem

a R

TP B

erič

evo


10

4.1.1 Osnovne enopolne sheme vodnih polj Na sliki 4.1.1.1 in sliki 4.1.1.2 so razvidne enopolne sheme dovodnih in odvodnih polj. V primeru na sliki 4.1.1.1 so polja predstavljena z enosistemskimi zbiralkami, ločilniki, odklopniki, merilnimi napetostnimi transformatorji, ozemljitvenimi ločilniki in odvodniki prenapetosti. Enopolna shema c) predstavlja izvljačljivo celico

a) b) c) d) Slika 4.1.1.1 Enopolne sheme postaj z enojnimi zbiralkami

a) b) c) d) Slika 4.1.1.2 Enopolne sheme postaj z dvojnimi zbiralkami


11

Pogled na sliko 4.1.1.1 kaže, da sestavljajo osnovno polje, oziroma stikalno celico, fiksno nameščeni elementi. Ti elementi so zbiralčni ločilnik, odklopnik, merilni tokovni in napetostni transformator, vodna ali daljnovodna ločilka, ozemljitevna ločilka, kabelski ali prostozračni priključek in prenapetostni odvodnik. Zbiralačni in vodni (daljnovodni) ločilnik morata biti tako blokirana, da se lahko izklopita samo pri izklopljenem odklopniku torej v neobremenjenem stanju. Ob eventuelni zatajitvi blokade se lahko po izklopu pojavi električni oblok, ki ne ugasne pri velikem kratkostičnem toku ampak se razširi v času trajanja kratkega stika. Električni oblok potuje pri dovodnem polju v smeri proti zbiralkam, medtem ko pri odvodnem polju v smeri proti odvodu. Poleg možne velike materialne škode je omenjeni pojav nevaren tudi za ljudi. V srednjenapetostnih omrežjih je pogosto uporabljeno ločilno stikalo na sliki 4.1.1.1 b) ali stikalne enote z izvljačljivim aparatom primer c) in d) na sliki 4.1.1.2 primer slike 4.1.1.1 e) in 4.1.1.2 f) kaže osnovno stikalno shemo oklopljene stikalne celice polnjene s SF6. Ob reviziji odklopnika je tu predvidena ozemljitev na obeh starneh odklopnika. V nadaljevanju so predstavljene dodatne možnosti enopolnih shem dovodnih in odvodnih polj. Primeri so dani za enozbiralčni in dvozbiralčni system.


12

a) b) c) d) e)

k)f) g) h) i) Slika 4.1.1.2 Primeri enopolnih shem z enim sistemom zbiralk manj zahtevnih

dovodnih in odvodnih polj


13

a) b) c) d)

e) f) g) h) Slika 4.1.1.3 Enopolne sheme postaj z dvojnimi zbiralkami


14

4.2 Nekaj o izvedbi stikalnih postaj Izbira izvedbe stikalne postaje je odvisna od vrste faktorjev med katere lahko štejemo: nazivno napetost, vrsta odklopnika, zahteve z ozirom na zaščito pred električnim oblokom in dotika, preglednost in možnost kontrole, razpoložljivi prostor za izgradnjo itd. Z ozirom na izvedbo obstaja znatna razlika med stikalnimi postajami nizke napetosti do 1kV, srednje napetosti od 1 do 35 kV in visoke napetosti od 110 do 400 kV. V današnjih stikališčih tip odklopnika ne vpliva toliko na izvedbo stikališča kot je bilo to v preteklosti, ko so se uporabljali oljni odklopniki. Takrat je veljalo celo takšno pravilo, da so se morali odklopniki namestiti ločeno od ostalega postaje, da ni prišlo do morebitne poškodbe ob eksploziji odklopnika. Ker današji odklopniki niso nevarni v taki obliki, torej ne vplivajo v taki meri na izvedbo postaje. Z ozirom na namestitev stikalnih postaj razlikujemo postaje v zgradbah in postaje na prostem. Do 35 kV so običajno stikalne postaje v zgradbah bodisi odprtega ali blindiranega (oklopljena postaja) tipa. V odprte izvedbe prištevamo tiste, ki imajo požarnovarnostne pregrade in tiste, ki jih nimajo. Za oklopljene stikalne postaje pa je znano, da se lahko namestijo v zgradbi ali na prostem. Omenimo le bistvene prednosti in nedostatke stikalnih postaj na prostem: 1. Prihranek na investicijskih stroških (20 do 25%) 2. Hitrejša izgradnja 3. Lažja zamenjava delov in možna razširitev 4. Ter kot smo že omenili manjša možnost širjenja električnega obloka na druge dele. Slabosti so naslednje: 1. Nabiranje nečistoče 2. Težje upravljanje v slabem vremenu 3. Vpliv mraza na viskoznost olja v aparatih 4. Vse naprave morajo biti posebno grajene za na prostem (cena). Ni nujno, da so razdelilni postaje samo na prostem ali samo v zgradbi. Možna je tudi kombanacija obeh vrst izvedb, kot kaže slika 4.2.1


15

Slika 4.2.1 Tlorisni pogled možnih namestitev postaj a - namestitev postaje v eni zgradbi b - na odprtem prostoru so nameščeni samo transformatorji c - na odprtem prostoru so nameščeni samo postaje visoke napetosti d - na odprtem prostoru so transformatorji in postaja visoke napetosti e - celotni postaja je narejen na odprtem prostoru 4.2.1 Nizkonapetostne postaje Nizkonapetostne stikalni aparati so namenjeni za stikanje in zaščito nizkonapetostnih elementov in naprav. Izbira je vezana na naloge, ki jih morajo opraviti. Gre za vklapljanje in izklapljanje v neobremenjenem stanju, v obremenjenem stanju večjih ali manjših moči, motorjev in drugo. Opravka imamo z aparati, ki ščitijo pred tokovnimi preobremenitvami ter proti človeku nevarnim napetostim. Stikalne variante so sestavljene iz različnih stikalnih aparatov, kar je možno razbrati iz slike 4.2.2

Slika 4.2.2 Primer vključitve nizkonapetostnih stikalnih aparatov.


16

1 Odklopnik, 2 varovalka, 3 ločilnik, 4 obremenilno stikalo, 5 varovalka - ločilno stikalo, 6 motorsko zaščitno stikalo, 7 kontaktor, 8 pretokovni termični rele, 9 varovalka - ločilno stikalo, 10 zaščitno stikalo, 11 zaščitno stikalo voda, 12 zaščitno stikalo s pretokovnim sprožnikom, 13 zaščitno stikalo voda z diferencialno zaščito. Iz številnih primerov enopolnih kombinacij primarnih tokokrogov omenimo, da imamo poleg klasičnih izvedb najpreprostejših razdelilnih mest (razdelilci s števci in varovalnimi elemneti za posamezne tokokroge) tudi modularne sisteme nizkonapetostnih stikilnih naprav. Slika 4.2.3 prikazuje stikalno shemo za zagon motorja z ločilnim stikalom in varovalko

Slika 4.2.3 Standardne enopolne sheme z ločinim stikalom in varovalko a) brez termične zaščite, b) s termično zaščito, c) spreminjanje smeri vrtenja 4.2.2 Postaje srednje visoke napetosti Srednjenapetostne postaje v zgradbah delimo v: - postaje klasičnega ali odprtega tipa - oklopljene stikalne postaje Neglede na zgornjo delitev lahko stikalno celico postaje prostorsko razdelimo, kot kaže slika 4.2.4. Stikalni elementi znotraj celice pripadajo enemu stikalnemu polju.


17

Slika 4.2.4 Dovodna ali odvodna stikalna celica 1 - zbiralčni prostor 2 - prostor za namestitev ločilnika 3 - prostor za namestitev odklopnika 4 - merilni transformator in odvodni ločilnik 5 - prostor za nizkonapetostni del, kot tudi pogon odklopnika, ločilnik, meritve, regulacija in drugo 6 - kabelski kanal 4.2.2.1 Odprte stikalne celice v zgradbi Odprte stikalne postaje v zgradbah zahtevajo v primerjavi z ostalimi izvedbami posebne pogoje, ki so vezani na zaščito pred dotikom delov pod napetostjo. Zaradi tega moramo biti pozorni na najmanjše dopustne razdalje. Tehniški predpisi za elektroenergetske postaje nad 1000 V opredeljujejo za različne napetostne nivoje te dopustne razdalje delov pod napetostjo. Poleg tega so s predpisi določene tudi najmanjše višine nezaščitenih vodnikov nad podom v hodnikih in drugih dostopnih mestih ter najmanjše razdalje med vodniki in ograjami, mrežami in drugo. Predpisi določajo tudi minimalne hodnike, kjer ločimo hodnike za posluževanje in nadzor in hodnike samo za nadzor. V osnovi delimo tovrstne stikalne postaje v skupine A, B, C in D, kot kaže Slika 4.2.5 Povezava stikalnega postaja z dovodi oziroma odvodi je lahko različna, Zelo pogosto se izvajajo kabelske povezave. Zanje velja, da je izvedba najenostavnejša, čeprav se pripisuje kabelskim glavam, da zmanjšujejo obratovalno sigurnost.


18

Slika 4.2.5 Dopustne tokovne obremenitve odprtih postaj v zgradbah Dopustne tokovne obremenitve na sliki 4.2.5 hkrati tudi opredeljujejo, ali je potrebna zaščita pred električnim oblokom med sistemom zbiralke in ločilnikom. Te zaščite v primeru skupine A ni potrebno zagotoviti, vendar je ta potrebna od skupine B dalje. V določenih primerih se izvajajo odprte stikalne postaje v zgradbah z direktnimi priključki nadzemnih vodov. Gre za neizolirane odvode. Zagotoviti je potrebno zadostno višino odvoda, ki prehaja iz zgradbe v zunanji del. Pri teh izvedbah srečujemo vrsto variant, ki se navezujejo na prisotnost enojnih ali dvojnih zbiralk.

a) b) c) Slika 4.2.6 Odprta izvedba celic - notranja izvedba a) Nepodkletena celica z enojno zbiralko b) Nepodkletena celica z dvojno zbiralko c) Podkletena celica z dvojno zbiralko


19

Na sliki 4.2.5 so celice notranje izvedbe. So samo delno zaprta in imajo pregradne zidove med posameznimi celicami. Lahko so tudi pregrade iz profilnega železa izpolnjene s heraklitnimi ploščami. Prednost takšne izvedbe je v lahki namestitvi elementov, lahka je zamenjavam delov . Slaba stran je v tem, ker je potrebno nekoliko več prostora, kot v blindiranih - oklopljenih zvedbah. 4.2.2.2 Oklopljeni stikalne celice v zgradbah Tovrstni stikalne celice se izvajajo v celoti v tovarni in zavzemajo v primerjavi s postajami omenjenimi v poglavju 4.2.2.1 precej manjšo potrebno površino, glede zaščite pred dotikom in prašino so dobro zaščitene, zelo enostavno se izvaja montaža, postavljajo pa se lahko celo tam, kjer je dostop možen tudi nestrokovnemu osebju. Ločimo dve izvedbi celic in sicer z: - NEPOMIČNO montiranimi aparati, ki se v principu skorajda ne ločijo od odprte

celice v zgradbi. Osnovna razlika je namreč v tem, da so celice popolnoma obdane s pločevino in da se aparati montirajo že v sami tovarni. Na mestu kjer so postavljeni je potrebno izvesti samo priključke.

Od številnih izvedb naših proizvajalcev si oglejmo SN oklopljeno celico

proizvajalca IMP in sicer SM 12 na sliki 4.2.7. Kot je razvidno lahko s kombinacijo navedenih celic izpolnjujemo vse pogoje, ki ga določeni tip stikalne postaje zahteva. Navedene celice so grajene za nazivno napetost 12 kV, nazivni tok 630 A, kratkostično moč na zbiralkah 350 MVA, Iu=40 kA in Ik=20 kA.

Slika 4.2.7 Oklopljena stikalna celica IMP tip SM


20

Celice so izdelane iz medsebojno varjenih in vijačnih profilov. Celice so medseboj izolirane z izolirnimi stenami, na zgornji strani pa so opremljene z izolirnimi prosojnimi pokrovi, ki omogočajo zadostno osvetlitev opreme v celicah ter odvod nastalih plinov pri nastopu kratkega stika. V celice se lahko vgrajujejo samo odklopni ločilniki z oznako MOR, zbiralke so iz elektrolitskega bakra okroglega profila, predpisanega preseka in izolacijske stopnje. - POMIČNO montiranimi aparati. Ta izvedba je vedno bolj aktualna, saj omogoča

konstrukcijo brez ločilnika kar ima za posledico velik prihranek na prostoru. Na sliki 4.2.8 prikazujemo tri izvedbe z odklopniki, ki omajo različne medije za gašenje električnega obloka. Izključevanje tokokroga se v vseh primerih opravlja izključno z odklopnikom s čimer se deblokira naprava za izvlečenje odklopnika. Odklopnik se izvleče ročno ali s pomočjo motorskega pogona. S tem dosežemo tudi vidno ločitev tokokroga s čimer je odklopnik prevzel tudi vlogo ločilke.

a - malooljni odklopnik, b - SF6 odklopnik, c - vakuumski odklopnik Slika 4.2.8 Stikalne celica z izvljačljivim odklopnikom Oklopljene stikalne celice so v novejšem času modularne izvedbe. Posamezni sklopi v celici so povsem ločeni s pregradnimi stenami. Proizvajalci so s tem samo pridobili na prostoru. Nekaj primerov oklopljenih celic da slutiti, da eventuelna izoliranost zbiralk lahko bistveno vpliva na zunanje izmere srednjenapetostnih oklopljenih celic. Tako zasledimo na sliki 4.2.9 naslednje vrste izoliranih vodnikov v stikalnih napravah:


21

a - goli vodniki c - z izolacijo zaščiteni vodniki b - izolirani vodniki d - oklopljeni vodniki - medij SF6 Slika 4.2.9 Vrste izolacije vodnikov v stikalnih napravah 4.3 DIMENZIONIRANJE ZBIRALK Zbiralke predstavljajo važen del v stikalni postaji. Nanje so priključeni dovodni in odvodni vodi. Zbiralke so potrebne zato, da prenašajo električno energijo in jo razdeljujejo. Zbiralke se izdelujejo iz neizoliranih bakrenih in aluminijastih vodnikov. Za stikalne postaje do 35 kV, ki so notranje izvedbe se uporabljajo okrogli, ploščati in U profili, medtem ko za postaje večjih napetosti zunanje izvedbe uporabljajo vrvi ali votle cevi. Za večje tokovne obremenitve zasledimo tudi V izvedbo. Na Sliki 4.3.1 predsatvljamo omenjene profile:

pravokotni

PROFILI

okrogli votli U V Slika 4.3.1 Profili vodnikov zbiralk Izbira prerezov zbiralk se izvaja glede na:


22

a) maksimalni tok pri normalnih obratovalnih pogojih In b) mehanično obremenitev ob nastopu kratkega stika (prva kontrola prereza), c) povišanje temperature zbiralk za čas trajanja kratkega stika (druga kontrola prereza). Izbira prereza zbiralk glede na nazivni tok Zbiralke se dimenzionirajo glede na najbolj obremenjeni odsek. Ker je govora o nazivnem toku pri normalnem obratovanju smatramo, da ta tok lahko traja neomejeno dolgo časa. Merilo za določevanje dopustne tokovne obremenitve je segrevanje vodnikov (zbiralk) nad temperaturo okolice. Dopušča se, da se zbiralke lahko segrejejo za 300C (nad temperaturo oklice). Ta dopustna obremenitev je določena eksperimentalno v tabeli 4.3.1 v kateri so navedene dopustne tokovne obremenitve za bakreni ploščnati profil. Tabela 4.3.1 Dopustne obremenitve zbiralk s pravokotnim profilom

Segrevanje ploščatih profilov je določeno s predpostavko, da je daljša stranica prereza pravokotna na površino tal in da je razmak med profili enak širini profila vodnika. Pri horizontalni namestitvi podpornih izolatorjev na Sliki 4.3.2 a) je namestitev vodnikov takšna, da je daljša stranica pravokotna na tla. V kolikor imamo primer, da je pri katerikoli namestitvi podpornih izolatorjev, krajša stranica profilnega vodnika pravokotna na tla (b) moramo biti pozorni na dejstvo, da je hlajenje vodnikov vsled konvekcije na manjši površini manjše. Zaradi tega je potrebno zmanjšati dopustno


23

obremenitev za 10 do 15% (uporaba korekcijskih faktorjev). Vertikalna namestitev podpornih izolatorjev na sliki c) ne zahteva korekcije, ker je daljša stranica pravokotna na tla.

Slika 4.3.2 Namestitev podpornih izolatorjev V kolikor bi bila dopuščena večja ali manjša nadtemperatura od 300C pa ugotavljamo dopustno tokovno obremenitev po enačbi

I I= 30 030Δϑ

(4.3.1) kjer je I30 dopustna tokovna obremenitev pri 300C nadtemperature in Δϑ dopustno povečanje nadtemperature v oC. Enačba je zapisana na osnovi dejstva, da je toplota, ki se razvije v vodniku proporcionalna kvadratu toka. Iz enačbe je možno ugotoviti vrednost dopustne nadtemperature pri neki spremenjeni vrednosti tokovne obremenitve. V tabeli 4.3.1 lahko zasledimo razlike v dopustnih tokovnih obremenitvah, če gre za primere pobarvanih ali nepobarvanih zbiralčnih vodnikov. Ugotovimo lahko, da je dopustna večja tokovna obremenitev pri pobarvanih vodnikih. Zaradi mehanske trdnosti, je priporočljivo, da do 35 kV izbiramo prerez vosnikov zbiralke, ki niso manjši od prereza 40x5 mm2 . To velja za en pravokotni profil v eni fazi. Do te zahteve bi sicer vsak projektant prišel sam ob ugotavljanju mehanskih vplivov in ostalih karakteristik, saj bi se pokazalo, da kljub relativno majhni vrednosti nazivnega toka, kateremu odgovarja manjši prerez kot je 40 x 5 mm2, moramo zaradi mehanskih obremenitev preiti na večji prerez. Pri napetostih 110 kV ali več, velikost prereza določajo pogoji nastopa korone. Tako se pri napetosti 110 kV uporabljajo vrvi prereza najmanj 95 mm2, oziroma cevi premera 30mm. Pri napetosti 220 kV je najmanjši prerez vrvi - 300 mm2, oziroma premer cevi 50 mm.


24

Mehanska obremenitev zbiralk Zbiralke si predstavljamo, kot da so vpete na način dvostransko vpetega nosilca. Razdalja med podpornimi izolatorji je l . Elektromagnetno silo med dvema vodnikoma po katerih teče tok lahko izračunamo na dva načina: 1. iz spremembe magnetne energije pri premiku vodnika, za katerega hočemo

izračunati silo, ki deluje na vodnik ali 2. iz gostote magnetnega pretoka B na mestu vodnika, za katerega hočemo

izračunati silo, ki deluje na vodnik in toka, ki teče skozi vodnik na tem mestu. Za linijske vodnike je drugi način kar bolj prikladen. Na Sliki 4.3.3 imamo primer dveh vzporednih vodnikov po katerih tečeta toka i1 in i2. Vzemimo, da si toka nasprotujeta po smeri, kar ustreza odbojni sili ter da sta si po velikosti enako velika. Sila na enoto dolžine je

Slika 4.3.3 Delovanje sile na vodnike zbiralke F i B i B= =1 2 2 1 (4.3.2) Pri upoštevanju:

B Hr= μ μ 0 in Hia

=2π

ter da je v zraku μ r = 1 dobimo:

F ia

' =μπ0 2

21

(N/m)

(4.3.3) Največji tok, ki dinamično obremenjuje napravo je udarni kratostični tok. Silo na vodnik zbiralke dolžine l je

F IlaG u= 0 2 2, (N) (4.3.4)

FG - sila, ki deluje na vodnik zbiralke na razdalji l med dvema podpornima izolatorjema.


25

Maksimalni upogibni moment, ki ga predpisujejo predpisi IEC, je enak:

88

2'

maxlFlFM G == (Nm) (4.3.5)

Pomemben je za dimenzioniranje zbiralk. Zaradi sile F ' se pojavlja ustrezna natezna napetost, ki jo izračunamo iz razmerja:

σ ' max=MW

(N/m2) (4.4.3)

Za določen profil si oglejmo kako določamo W (odpornostni moment) in J (vztrajnostni moment).

F F

D D

d

h

b

W

b h

Jb h

=

=

2

36

12

W

bh

Jbh

=

=

2

36

12

WD

JD

=

=

π

π

2

432

64

W

D dD

J D d

=−

= −

π

π32

64

4 4

4 4( )

Slika 4.3.4 Določitev odpornostnega in vstrajnostnega momenta za različne p Natezna napetost po enačbi (4.3.6) bi bila dosežena, če bi bila sila, ki deluje na vodnik zbiralke konstantna. Zaradi spremembe sile nastopi vibriranje vodnika na kar vpliva tudi lastna frekvenca zbiralke. Zaradi tega je potrebno upoštevati resonančni faktor σV , faktor za neuspešno prekinitev tripolnega kratkega stika rV (brez trifaznega

ponovnega vklopa) ter factor β, ki upošteva namestitev vodnika na podporne izolatorje.

W

MVV rmaxβσ σ= (N/m2) (4.3.7)

Pri dvostransko vpetem nosilcu je faktor β=1, rV =1 v kolikor se ne izvede trifazni ponovni vklop, medtem ko je ob izvedenem ponovnem vklopu potrebno upoštevati faktor rV =1,8.


26

Važna je ugotovitev, da je za vodnik zbiralke dopustna meja natezne napetosti dvakratna vrednost meje tečenja σ 0 2, . Pri tej obremenitvi doseže vodnik 0.2% plastične deformacije na površini vodnika. Z ozirom na to, ker je zbiralka obremenjena na upogib se maksimalna natezna napetost pojavi na izbočenemu robu zbiralke, medtem ko nastopi največja tlačna napetost na notranjem upognjenem delu. Dopuščamo, da se material zbiralk obremeni do meje tečenja v celoti, kar pomeni, da sme doseči celotni prerez plastično deformacijo 0,2% Iz teoretične izpeljave namreč sledi, da če dosežemo mejo tečenja nastopi na celotnem prerezu popuščanje materiala na mestu vpetja, ker se prav tu pojavi največji upogibni moment. Zaradi tega se zmanjša upogibni moment, kar dopušča, da se faaktor povečanja natezne napetosti poveča. Zaradi tega velja splošna zahteva, da je:

2,0max 2σσ σ ≤=

WMV (N/m2) (4.3.8)

Postavlja se vprašanje, s kakšnim resonančnim faktorjem računamo. Za njegovo velikost je merodajno razmerje med lastno frekvenco in frekvenco mreže. Na osnovi razmerja se določi frekvenčni faktor po Sliki 4.3.5 S preizkusi je bilo dokazano, da se zbiralka vede kot elastični nosilec, če maksimalna natezna napetost ni večja od 0.8σ ' ,0 2 , kjer je največja vrednost meje tečenja - odvisno od materiala in profila zbiralk. (glej tabelo 4.3. ) σ ' ,0 2 - je maksimalna vrednost σ 0 2, - minimal vrednost


27

Slika 4.3.5 Izbira resonančnega faktorja σV in FV

σV - resonančni faktor za fazni vodnik

FV - resonančni faktor za podporni izolator Lastna frekvenca vodnika zbiralke je določena z enačbo

fsl

EJq1

122

=π γ

(s-1) (4.3.9)

l - dolžina med podpornimi izolatorji v (m) E - modul elastičnosti v (N/m2) J - vztrajnostni moment v (m4) - prereza zbiralke z ozirom na os, ki je pravokotna

na smer sile q - površina prereza zbiralke v (m2) γ - masa na enoto volumna v kg/m3

Velikost s1 je odvisna od tega, kako so zbiralke pritrjene. Za oklepajoči nosilec je s1= 4.73, za nosilec, ki oklepa zbiralko samo iz ene strani s1= 3,927 in za premikajoči nosilec s1 = 3.141.


28

Zbiralka je lahko sesatvljena tudi iz več vodnikov v opazovani fazi. Primer je nakazan na sliki 1.1.1.1. V tem primeru je govora o glavnem vodniku in delnem vodniku v fazi. Distanco med delnimi vodniki določa distančnik, ki predstavlja profil delnega vodnika določene dolžine.

Slika .4.3.6 Zbiralka z večjim številom zbiralk v faznem vodniku Označimo z oznako: - G glavni vodnik, - D delni vodnik, - nD - število delnih vodnikov V primeru na sliki 4.3.6 je potrebno upoštevati silo med dvema delnima vodnikoma

FIn

laD

u

D

D

D=

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟0 2

2

, (4.3.10)

aD − razdalja med delnima vodnikoma lD − dolžina med dvema distančnikoma

1 12

12

13

13

1

1aka

ka

kaD

n

n

D

D

= + + +.... (4.3.11)

Velikost udarnega toka in vrsta pritrditve delnih vodnikov vpliva na povzročeno upogibno obremenitev.


29

Slika 4.3.7 Korekcijski faktor k nD1 za medsebojne razdalje med delnima vodnikoma določene faze zbiralke. Natezno napetost glavnega vodnika se izračuna enačbi (4.3.12)

W

lFVV GrG 8βσ σ= (4.3.12)

Analogno velja za natezno napetost v delnem vodniku σD :

D

DDrD W

lFVV16σσ = (4.3.13)

Na osnovi natezne napetosti glavnega in delnega vodnika dobimo rezultirajočo natezno napetost: σ σ σrez G D= + (4.3.14) Glavni vodnik velja kot mahansko dovolj trden ob pogoju σ σrez ≤ 2 0 2, in σ σD ≤ 0 2,


30

Opomba: VDE predpisi dovoljujejo dopustno natezno napetost 1,5σ0 2, , torej nekoliko nižje kot je maksimalno možno 2 0 2σ , . Povišanje temperature vodnika zbiralke za čas trajanja kratkega stika Kratek stik traja kratek čas, vendar se zaradi velikih kratkostičnih tokov razvije velika joulska toplota. Vodniki se ob tem segrevajo in po preteku določenega časa nastane nevarnost, da bi se poškodovala ali uničila izolacija. Material stem izgubi tako električno, kot mehansko trdnost. Iz tega razloga moramo pri tej drugi kontroli prereza, ki je bil izbran na osnovi nazivne tokovne obremenitve ter potrjen glede na mehansko obremenitev, dokončno potrdit pravo predhodno izbiro prereza ali pa izbrati novi prerez. Enačba bazira na predpostavki, da se v času kratkega stika vodnik ne hladi in da se vsa joulska toplota porabi za zvišanje temperature vodnika I Rt Gck

2 = Δϑ (4.3.15) G ql= γ

Δϑργ

=Iq

tc

2

2 (4.3.16)

ρ ρ αϑ ϑ

ϑ= +−

−⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

⎡

⎣⎢⎤

⎦⎥01 2

012

(4.3.17)

ρ - srednja specifična upornost ϑ1 - temperatura v trenutku nastanka kratkega stika ϑ 2 - temperatura v trenutku izklopa kratkega stika

q I tck=ρ

γ ϑΔ

tkIq k= (mm2) (4.3.18) Izračun trajnega kratkostičnega toka je pri tem pomemben. Če je kratek stik daleč od generatorja velja, da je I Ik k= " . Če je kratek stik blizu generatorja pride močno do izraza generatorska reaktanca in s tem prehodni del kratkostičnega pojava. V kolikor je izračunana vrednost prereza n.pr. zbiralke manjša od predhodno določene v poglavju 1.1.1 in 1.1.2 nam termična kontrola prereza potrdi predhodno pravilno izbiro prereza. V nasprotnem primeru je potrebna korekcija prereza. Pogosto se upošteva (priporočila predpisov) v enačbi (4.3.19) srednjo vrednost trajneka toka kratkega stika Ik sr, , namesto toka Ik . Pri tem je upoštevan vpliv enosmerne komponente s faktorjem m in vpliv izmenične komponente s faktorjem n . srednjo vrednost trajneka toka kratkega stika Ik sr, izračunamo na osnovi enačbe


31

I I m nk sr k, "= + (kA) (4.3.19) oziroma q kI tk sr= , (mm2) (4.3.20) Za določitev omenjenih faktorjev uporabimo diagrame na Sliki 4.3.89

Slika 4.3.8 Diagram za določitev faktorja m in n


32

Z upoštevanjem izhodiščnih temperatur ϑ1, maksimalnih temperatur ϑ 2 in materialnih konstant dobimo tako za : ϑ1(0C) ϑ 2(0C) mm2 Cu-neizolirane vodnike - zbiralke 50 200 q I tk= 7 0, Cu-neizolirane vodnike - zbiralke 65 200 q I tk= 7 5, Al-neizolirane vodnike - zbiralke 50 180 q I tk=11,2 Al-neizolirane vodnike - zbiralke 50 180 q I tk=11,2 Cu-kabli do 6 kV 65 160 q I tk= 8,7 Al-kabli do 6 kV 65 160 q I tk=131, Cu-kabli do 10 do 20 kV 55 140 q I tk= 9 0, Al-kabli do 10 do 20 kV 65 140 q I tk=13 5, Čas t v enačbi (4.3.18) je čas v katerem zaščitna naprava izklopi kratki stik. Od izklopilnega časa je močno odvisna zahtevana velikost prereza zbiralk. Podporni izolatorji Podporni izolatorji služijo kot nosici zbiralk in drugih golih vodnikov. Razlikujemo podporne izolatorje za notranjo in zunanjo montažo. Glede na delovanje sile na vrhu izolatorja delimo podporne izolatorje na tip : - A, s prelomno silo 375 daN - B, s prelomno silo 750 daN - C, s prelomno silo 1250 daN Mehanska obremenitev podpornih izolatorjev se ugotavlja na osnovi izračuna sile na podporni izolator. Sila je enaka GrFp FVVF α= Pri izmeničnem in enosmernem toku je 2,08,01 σσ ≥= rezF zaV in


33

2,02,0 8,0

8,0σσ

σσ

≤= rezrez

F zaV

Faktor α=0,5 velja za podporo na eni razpetini oz. stikalnem polju. Za drugačne vrste pritrditve podpor so vrednosti različne in jih je treba določiti iz ustrezni priročnikov. s σ0 2,

' označujemo največjo vrednost natezne napetosti s plastično deformacijo 0,2%.


34

Prevodni izolatorji - skozniki Naloga prevodnih izolatorjev je, da izolirajo gole vodnike od zidu ali metalnih delov. Uporabljajo se pri prehodu vodnika iz prostora v drugi prostor (na prosto ali znotraj zgradbe).


35

Med prevodnimi izolatorji razlikujemo dva tipa in sicer tiste, ki so za notranjo montažo in tiste, ki so vsaj s polovico izolatorja na prostem. poleg tega razlikujemo prevodnika za okrogle vodnike in ploščate vodnike. Izbira prevodnih izolatorjev se določa glede na nominalno napetost in na maksimalni trofazni tok pri normalnih obratovalnih pogojih. Kontrola izbranega pa se izvaja glede na mehansko in termično obremenitev v primeru kratkega stika. Prevodni zolatorji za okrogle vodnike se proizvajajo normalno za 200, 400, 600, 1000, 1500 in 2000 A (I ). Kontrola glede na segrevanje se izvaja na enak način kot pri zbiralkah. Ploščati profil in temu primerni prevodni izolatorji se uporabljajo za večje tokove. Seveda lahko tak prevodni izolator uporabimo tudi za manjše toke. Glej sliko 4.53.


36

Zaradi velikega kraka sile na prevodni izolator se proizvaja samo skupina B (F=7358N) in skupina C (F = 12273 N). Dopustna sila se določa po istem postopku kot je bil to primer pri podpornem izolatorju. 4.4 Ločilke Ločilke se uporabljajo zato, da vidljivo ločijo del postaje, ki ni pod napetostjo od dela, ki je pod napetostjo. S tem povečamo obratovalno sigurnost posluževalcev. Izbira ločilk se izvaja glede na nazivno napetost, maksimalni tok pri normalnih pogojih obratovanja s kontrolo glede na udarni tok kratkega stika - mehansko obremenitev in kontrolo na tok kratkega stika, ki je merodajna za segrevanje (dopustno povečanje temperature). Maximalen tok skozi ločilko v normalnih obratovalnih pogojih je merodajen za izbiro ločilke glede na nazivni tok. Število tokov je manjši či, večja je napetost, ker so stroški za kontakte in vodljive dele majhni v primerjavi s stroški za izolatorje in podstavke. Zato se za napetost 110 kV proizvaja običajno samo en tip ločilk in to za največji nazivni tok, ki praktično lahko pride v obzir. Ko je ločilka izbrana na glede na nazivni tok I n se prične s kontrolo. Mehanska obremenitev je določena z udarnim tokom. Vzdržljivost ločilke pa je odvisna od njene konstrukcije. Proizvajalci ločilk navajajo podatke o udarnem toku I u in o termičnem toku I k , ki je merodajen za segrevanje. Ta tok ločilka lahko prenese 1 sekundo. Če kratek stik traja dalj časa od 1 sek, se dopustni tok odmeri po enačbi

IItktk s

izk

= 1

I k s1 - trajni tok kratkega stika s časom trajanja 1 sek tizk - trajanje kratkega stika v sek. Ob ugotovitvi, da ločilka, ki je bila izbrana ne more vzdržati mehanske ali termične obremenitve, izberemo ločilnik za večji I k . Ker navadna ločilka nima nikakršne priprave za gašenje električnega obloka, smemo izklapljati samo v neobremenjenem stanju. Podatki o možnosti izklapljanja z ločilnikom se vedno nanašajo na ločilke, ki so montirane tako, da noži v vklopnem stanju stojijo pravokotno, ker se ob tem vzpostavi najbolj ugoden vzgon. Pogon (ročni) mora omogožiti hitro izklapljanje in to istočasno v vseh treh fazah. Nedopustno je, da bi se pri velikih kratkostičnih tokih kontakti odprli. Zato moramo biti pozorni pri montaži priključkov na ločilnik. V določenih primerih (daljnovodna ali vodna celica) uporabljamo ločilnike, ki imajo poleg glavnih nožev tudi nože za ozemljitev (voda, kabla itd.) Običajno so noži za ozemljitev med seboj tako mehansko povezani, da se noži za ozemljitev ne morejjo priključiti, če so glavni noži izklopljeni in obratno.


37

Ločilniki do 35 kV so nameščeni tako kot kaže slika spodaj

Slika 4.4.1 Namestitev ločilnika Sicer pa naslednja slika prikazuje 10 kV ločilnik z motorskim pogonom za I AN = 630 , I kAu = 50 in ozemljitvenimi noži.

Slika 4.4.2 Ločilnik z ozemljitvenimi noži Za vse višje napetosti pa obstajajo vse mogoče konstrukcije, ki omogočajo različne izvedbe stikalnih postrojenj na prostem. Težnja je, da ima ločilnik majhno tlorisno površino v zaprtem oziroma v odprtem stanju. Na sl. 4.4.3 so prikazani ločilniki z dvemi ali tremi izolatorji, oziroma enim izolatorjem.


38

Slika 4.4.3 Ločilniki za visoko napetost Ločilnik (d), kjer se prednji zolator pomika med obema krajnima izolatorjema zahteva manjši razmak med ločilniki različnih faz, ker kontakti ne preidejo izven njegove ravnine. Najmanjšo površino zahtevajo ločilniki z enim izolatorjem (f) pri čemer pa gre za zahtevno izvedbo. Normalno so ločilniki vseh treh faz tako mehansko spojeni, da se istočasno izklapljajo. Upravljanje ločilk je lahko ročno ali pnevmatsko. ročno upravljanje se izvaja preko prenosnega sistema, ki je vezano z osovino ločilnika. Za pnevmatski pogon je potreben kompriminiran zrak, ki deluje na pomični sistem v cilindru izolatorja, ta pa na os ločilnika. Pnevmatsko upravljanje se izvaja daljinsko, medtem ko se mora ročno upravljati z ločilnikom na licu mesta. Imamo tudi izvedbe z motornim pogonom, kar omogoča daljinsko upravljanje.


39

4.4.1 Ločilno stikalo

Ločilno stikalo se od ločilke razlikuje po tem, da omogoča izklop manjših obremenitev. Razlikujemo ločilna stikala opremljena z dejonizacijskimi ploščami ter ločilna stikala z odmično ločitvijo. Dejonizacijsko ločilno stikalo na sliki zgoraj vsebuje glavni in pomožni premični kontakt (nož). Pomožni premični nož se premika ob izklopu z zakasnitvijo. Preko njega potuje električni oblok med dejonizaciskimi ploščami, kjer se izvaja postopek dejonizacije. Ločilno stikalo z odmično ločitvijo omogoča gašenje električnega obloka na osnovi komprimiranega zraka ali plina, ki se ob izklopu sprošča med fiksnim in premičnim kontaktom. Ločilna stikala se pogosto uporabljajo v kombinaciji z visokonapetostnimi varovalkami. Izklop varovalke v enem polu, ob nastopu kratkega stika sproži tripolni izklop ločilnega stikala.


40

Documents

4. ZGRADBA IN DELOVANJE STIKALNIH POSTAJ IN APARATOVleon.fe.uni-lj.si/media/uploads/files/Pedagosko delo Cepin... · Ob eventuelni zatajitvi blokade se lahko po izklopu pojavi električni