Porównanie prostych metod obliczania minimalnych, powietrznych odstępów międzyfazowych w rozdzielniach WN i NN, w warunkach zwarcia

Transkrypt

1 Porównanie prostych metod obliczania imalnych, powietrznych odstępów międzyfazowych w rozdzielniach WN i NN, w warunkach zwarcia Autor: dr inŝ. Marek Szadkowski, Instytut Elektroenergetyki i Sterowania Układów Politechniki Śląskiej w Gliwicach Streszczenie: W artykule opisano i porównano tzw. proste metody obliczania imalnych, chwilowych odstępów międzyfazowych w przęsłach rozdzielni WN i NN. Odstępy te powstają w wyniku ruchu przewodów, spowodowanego przepływem przez nie prądu zwarciowego. 1. Wprowadzenie. Zdecydowaną większość aparatów i urządzeń pracujących w systemie elektroenergetycznym dobiera się na podstawie mniej lub bardziej skomplikowanych obliczeń. Dosyć często wymiarowane są liczne odstępy powietrzne, występujące praktycznie w kaŝdym miejscu linii napowietrznej lub konwencjonalnej stacji elektroenergetycznej. Charakterystycznymi odstępami dla stacji są m.in. odstępy pomiędzy elementami torów prądowych róŝnych faz i obwodów. Ten rodzaj odstępów jest tematem poniŝszego artykułu. Odstępy izolacyjne w stacjach elektroenergetycznych dobiera się na podstawie ich charakterystyk napięć przeskoku oraz znamionowych napięć wytrzymywanych. A zatem odstępy te (podobnie jak w liniach napowietrznych) powinny mieć wystarczającą wytrzymałość elektryczną przy napięciach roboczych i przepięciach. Długości wymaganych imalnych odstępów powietrznych moŝna znaleźć w normie [5]. Wynika stamtąd, Ŝe dla znamionowych wytrzymywanych napięć przemiennych: 185 kv, 230 kv i 395 kv (wartości skuteczne), imalne odstępy izolacyjne doziemne i międzyfazowe w instalacjach

2 elektroenergetycznych (określenie z normy) wynoszą odpowiednio 0,9 m, 1,1 m i 1,9 m. Stosując interpolację moŝna przyjąć, Ŝe dla napięcia 110 kv odstęp ten będzie wynosił 0,55 m. Odstępy te uznaje się za podstawowe. W [5] zaleca się jednak aby w wielu przypadkach je zwiększać. W przypadku przewodów giętkich wychylających się pod wpływem sił elektromagnetycznych (w wyniku przepływu prądu zwarciowego) zwiększenie powinno wynieść 1,5 odstępu podstawowego. W praktyce projektowej decydujący jest przypadek zwarcia dwufazowego, gdyŝ występuje wtedy największe zbliŝenie przewodów a (rys. 1). a a a Rys.1. Trajektorie ruchu przewodów w środku przęsła w wyniku przepływu prądu zwarciowego Sprawdzenie odstępów wymaga obliczenia wychylenia przewodów. MoŜna to zrobić przy pomocy jednej z wielu metod [2] [3]. PoniŜej opisano i porównano kilka z nich, zaliczanych do grupy tzw. metod prostych.

3 2. Proste metody obliczania imalnych odstępów między dwoma zwartymi fazami. W metodach prostych oferowane są tablice oraz wzory analityczne ustalone na podstawie doświadczeń, prostych zaleŝności mechanicznych i geometrycznych lub wyników bardzo duŝej ilości symulacji komputerowych. Metoda taka zalecana jest m.in. w normie [6]. W dalszej części artykułu porównano wyniki uzyskiwane tą metodą z wynikami uzyskiwanymi przy pomocy prostego równania opracowanego w IEiSU Politechniki Śląskiej oraz dwu innych zaleŝności stosowanych czasami w praktyce projektowej. Tak uzyskane wyniki porównano z imalnym dopuszczalnym odstępem powietrznym zalecanym w [5] oraz dodatkowo z wynikami uzyskiwanymi przy pomocy wielokrotnie zweryfikowanego (takŝe przez porównanie z wynikami pomiarów), stworzonego na bazie tzw. metody pośredniej programu komputerowego WASP [4] Metoda I (koło). Najprostszą metodą obliczania imalnego odstępu między poruszającymi się przewodami jest załoŝenie ruchu przewodów po łuku koła o promieniu równym zwisowi przewodu przed zwarciem. Minimalny odstęp między poruszającymi się przewodami określa wtedy równanie: a = a 2, (1) b c gdzie: a imalny odstęp w czasie ruchu przewodów, a odstęp statyczny (przed zwarciem), b c statyczny (przed zwarciem) zwis przewodu.

4 Taki sposób postępowania, nazwany na potrzeby niniejszego artykułu metodą I (koła), nie uwzględnia jednak wydłuŝenia cieplnego i mechanicznego (elastycznego) przewodu, które w warunkach zwarcia jest dość istotne Metoda II (mik). W [1] proponuje się obliczanie a wg zaleŝności: gdzie: x c 2 = 2b h h a 3,6 ( I k ) ' 2 ( m g) la a = a 8x (2) 1, ( I ) 2 l 2 2,04 k 10 T a h = 2 ' 2 ( m l) g 2 k dla T k < 0, 2 s i h = 0,3 dla T k 0, 2 s, I prąd zwarciowy początkowy dla zwarcia trójfazowego, l długość przewodów podlegających wychyleniu zwarciowemu, a statyczny odstęp między fazami, T czas trwania zwarcia, m ' masa jednostkowa przewodu, k g przyśpieszenie ziemskie Metoda III (PN). k Metoda ta, nazwana przez autora PN, zalecana jest w normach [6] i [7]. Minimalny odstęp między zwartymi fazami oblicza się przy pomocy zaleŝności:

5 a = a 2b h (3) gdzie bh - maksymalny zwis w czasie ruchu przewodu określony na podstawie kilkunastu współczynników, wyznaczanych w mniej lub bardziej skomplikowany sposób [6]. Proponowany w normie [6] algorytm szacowania imalnej odległości między poruszającymi się przewodami, mimo swojej prostoty, jest dość uciąŝliwy. Dodając do tego fakt, Ŝe norma ta niedostępna jest w języku polskim, w IEiSU Politechniki Śląskiej opracowano alternatywną, prostszą, bo zawierającą zaledwie jedno równanie, metodę szacowania odległości a Metoda IV (IEiSU). Proponowana poniŝej metoda powstała na podstawie analiz wyników bardzo duŝej ilości róŝnego rodzaju symulacji komputerowych. Głównym celem wspomnianych analiz było zbadanie wpływu róŝnych czynników na skutki mechaniczne prądu zwarciowego. Wg. metody IEiSU obliczenia a prowadzone są na podstawie znajomości tylko i wyłącznie wartości prądu zwarciowego (dla zwarcia dwufazowego), długości przęsła, statycznej siły naciągu oraz początkowej (statycznej) odległości między przewodami. Na podstawie wyników analiz [2] moŝna stwierdzić, Ŝe czas trwania zwarcia, rodzaj przewodów i ilość przewodów w wiązce oraz cały szereg innych parametrów, mają znacznie mniejszy wpływ na wspoany wyŝej imalny odstęp a. W obliczeniach uwzględnia się zwarcie dwufazowe, poniewaŝ tylko przy takim zwarciu moŝe nastąpić niebezpieczne zbliŝenie przewodów sąsiednich faz. NaleŜy podkreślić, Ŝe zaprezentowane równanie nie ma Ŝadnego uzasadnienia fizykalnego a jest jedynie matematycznym zapisem zaleŝności między róŝnymi czynnikami mającymi największy

6 wpływ na skutki mechaniczne prądu zwarciowego w oszynowaniu giętkim rozdzielni a tymi skutkami. a = (0,005l + 1,05) a + ( 0,0013I k 2 0,03) l + 0, 02Fst α (4) gdzie: a imalna odległość między poruszającymi się przewodami sąsiednich faz (w m), a początkowa (przed zwarciem) odległość między sąsiednimi fazami (w m), l długość przęsła bez długości izolatorów (w m), I zwarciowy prąd początkowy dla k 2 zwarcia dwufazowego (w ka), Fst początkowa siła naciągu przewodów (w kn), α współczynnik równy 0 dla I < k 2 25kA oraz 0,31 dla I k 25kA 2 3. Wyniki obliczania imalnych odstępów między dwoma zwartymi fazami. W celu oceny przydatności do praktycznego stosowania, opisanych w pkt. 2 metod obliczania imalnego odstępu między poruszającymi się przewodami, wykonano obliczenia dla szeregu rozwiązań konstrukcyjnych rozdzielni 110, 220 i 400 kv. PoniŜej zaprezentowano w postaci ilościowej (tabele 1 i 2) i jakościowej (rysunki 2 i 3) wyniki obliczeń dla rozdzielni 110 i 400 kv, zbudowanych wg projektów Biura Projektów Energoprojekt Kraków. Wyniki te porównano dodatkowo z wynikami obliczeń uzyskanymi przy pomocy programu komputerowego WASP oraz z imalnym dopuszczalnym dla danego napięcia odstępem powietrznym a dop. W zdecydowanej większości innych, niepublikowanych tutaj wariantów obliczeniowych, uzyskano podobne rezultaty porównywania.

7 Tabela 1. Wyniki obliczeń a (w m) dla rozdzielni 110 kv I k 2 w ka Metoda obliczeń i dopuszczalny wg [5] imalny odstęp między fazami a dop IEiSU (IV) PN (III) wasp kolo (I) mik (II) a dop 15 1,45 1,60 1,61 1,84 1,69 0, , ,29 1,84 1,35 0, ,78 1,02 0,90 1,84 0,93 0, ,60 0,79 0,73 1,84 0,44 0, ,42 0,57 0,51 1,84-0,12 0, ,24 0,37 0,33 1,84-0,75 0, ,07 0,18 0,18 1,84-1,45 0, ,10 0,00 0,06 1,84-2,21 0,55 Uwaga: W obliczeniach uwzględniono l = 27, 5 m, a = 2, 2 m, przewody pojedyncze AFL 8 525, F st = 10 kn, T k 0, 2 s =. Tabela 2. Wyniki obliczeń a (w m) dla rozdzielni 400 kv I k 2 w ka Metoda obliczeń i dopuszczalny wg [5] imalny odstęp między fazami a dop IEiSU (IV) PN (II) wasp kolo (I) mik (II) a dop 15 5,65 5,55 5,57 4,6 5,78 1,9 20 5,30 5,15 5,28 4,6 5,64 1,9 25 4,64 4,66 4,97 4,6 5,46 1,9 30 4,28 4,12 4,59 4,6 5,25 1,9 35 3, ,06 4,6 5,01 1,9 45 3,23 2,98 5,31 4,6 4,44 1,9 50 2,88 2,67 4,24 4,6 4,11 1,9 Uwaga: W obliczeniach uwzględniono l = 54 m, a = 6 m, wiązka dwuprzewo- dowa AFL 8 525, F st = 20 kn, T k 0, 2 s =.

8 a [m] IEiSU PN wasp kolo mik adop Ik2 [ka] Rys.2. Porównanie wyników obliczeń a dla rozdzielni 110 kv, uzyskanych przy uŝyciu róŝnych metod obliczeniowych. IEiSU PN wasp kolo mik adop a [m] Ik2 [ka] Rys.3. Porównanie wyników obliczeń a dla rozdzielni 400 kv uzyskanych przy uŝyciu róŝnych metod obliczeniowych.

9 Widoczne w tabeli 1 oraz na rysunku 2 ujemne wartości a (metoda mik) wynikają, w tym przypadku, z niedoskonałości metody obliczeniowej. Niemniej podobne rezultaty uzyskuje się, prowadząc obliczenia przy uŝyciu innych metod dla innych zestawów danych. Sytuacja taka zdarza się w przypadku, gdy suma obliczanych, chwilowych zwisów przewodów jest w momencie ich zbliŝenia większa niŝ początkowy odstęp między fazami. Inaczej mówiąc gdy przewody w czasie ruchu zachodzą na siebie. 4.Wnioski Z analizy tabel 1 i 2, rysunków 2 i 3 oraz innych, niepublikowanych w niniejszym artykule rezultatów obliczeń wynika, Ŝe rezultaty uzyskane metodami: I (koło) i II (mik) wyraźnie róŝnią się od wyników uzyskanych pozostałymi metodami. Metody te nie powinny być stosowane w codziennej praktyce projektowej. Natomiast duŝa zbieŝność między wynikami uzyskiwanymi przy pomocy metody zalecanej w normach [6] i [7], metody opracowanej w IEiSU Politechniki Śląskiej oraz programu komputerowego WASP, uwiarygodnia te metody. Biorąc jednak pod uwagę niedostępność w normalnej sprzedaŝy programu WASP oraz uciąŝliwość stosowania metody zalecanej w normie [6], metoda IEiSU staje się dosyć atrakcyjna. Porównując wyniki obliczeń imalnego odstępu między poruszającymi się wskutek zwarcia przewodami fazowymi z imalnym, dopuszczalnym dla danego napięcia odstępem izolacyjnym, moŝna wyciągnąć wniosek, Ŝe dla typowych rozdzielni 220 i 400 kv zbudowanych wg. typowych projektów, wychylenia przewodów wskutek przepływu prądu zwarciowego nie są niebezpieczne w szerokim zakresie poziomu prądu zwarciowego (10 50 ka). W rozdzielniach 110 kv niebezpieczne mogą być wychylenia przewodów, wskutek przepływu prądu zwarciowego o natęŝeniu powyŝej 30 ka.

10 Literatura [1]. Bensistan G., Landin I., Nartowski T.:The mechanical effects of short-circuit currents in substations with flexible conductors. Part I: Conductor deflection and choice of temporary air clearances. CIGRE, Raport (WG 02) 04-IWD, styczeń [2]. Szadkowski M.: Metoda obliczania skutków mechanicznych prądu zwarciowego w oszynowaniu giętkim rozdzielni WN. Praca doktorska, (1989), Politechnika Śl., Gliwice [3]. Szadkowski M.: Metody wyznaczania skutków mechanicznych prądu zwarciowego w oszynowaniu giętkim rozdzielni WN. ZN nr 219/96, Elektryka z.44, Pol. Opolska, Opole 1996, ss [4]. Szadkowski M., Przygrodzki M.: Nowe moŝliwości analiz w nowym programie WASP, VI Konf. Nauk.-Techn.: Zastosowanie Komputerów w Elektrotechnice ZkwE 2001, (2001), Poznań/Kiekrz, s [5]. PN-E-05115:2002 Instalacje elektroenergetyczne prądu przemiennego o napięciu wyŝszym od 1 kv [6]. PN-EN Obliczanie skutków prądów zwarciowych [7]. International Standard IEC 865-1, Short-circuit currents-calculation of effects, Part 1: Definitions and calculation methods Comparison of simple methods of calculation the imal aerial spaces between two phases, in switching-stations HV and EHV, in condition of short-circuit Abstract. In article have described and compared simple methods of calculation the imal, temporary spaces between two phases, in spans of switching-stations HV and EHV. This spaces arises as a result of move of conductors, due by flow through this conductors of short-circuit current.