PL176655B1 - Linia napowietrzna wysokiego napięcia - Google Patents

Abstract

Linia napowietrzna wysokiego napie- cia o izolowanych przewodach fazowych na- powietrznych wspartych na konstrukcji slupowej, przy czym odstepy miedzy prze- wodami, a punktami wsporczymi slupów sa mniejsze od odstepu minimalnego niezbed- nego do unikniecia zetkniecia sie tych prze- wodów, przy czym przewód jest izolowany w arstw a zewnetrzna z materialu odpornego na wplywy atmosferyczne, znamienna tym, ze linia napowietrzna dla napiecia powyzej 100 kV, zawiera co najmniej jeden przewód, który ma izolacje stanowiaca co najmniej j edna warstwe wewnetrzna (1) pólprze- wodzacego materialu. ( 1 2 ) OPIS PATENTOWY ( 1 9 ) PL FIG. 1 PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest linia napowietrzna wysokiego napięcia dla napięcia powyżej 40 kV, zwłaszcza dla napięcia powyżej 100 kV, o przewodach fazowych napowietrznych wspartych na konstrukcji słupowej.

Osłonięta napowietrzna linia wysokiego napięcia, to znaczy linia PAS, zbudowana jest z wykorzystaniem przewodów pokrytych tworzywem sztucznym zamiast konwencjonalnych przewodów gołych Izolatorem często jest usieciowany poprzecznie polietylen, XLPE (PEX). Cienka izolacja wymiarami jest dobrana tak, aby wytrzymywała obciążenia napięciowe wynikające z uderzania o siebie przewodów oraz, aż do napięć średnich, wytrzymywała również zetknięcie z drzewami i tym podobnymi przedmiotami.

Linie PAS na napięcie 20 kV buduje się w Finlandii od wczesnych lat osiemdziesiątych Często linia PAS stanowi alternatywę do znacznie bardziej kosztownego rozwiązania z lininpodziemną. Ponadto linie PAS w przypadku napięcia 20 kV są bardziej niezawodne w eksploatacji, niż konwencjonalne linie napowietrzne, ponieważ uderzanie przewodów o siebie nawzajem nie powoduje zerwania bądź uszkodzenia przewodów.

W biuletynie nr T 68-91 Fińskiego Inspektoratu Elektrycznego (SETI) zamieszczono wymagania na pokrywane tworzywem sztucznym linie napowietrzne bez osłony metalowej, przeznaczone na napięcia 20 kV. Według tego biuletynu, ogólnie biorąc, do przewodów linii PAS mają zastosowanie te same wymagania, co do linii napowietrznych z przewodami gołymi, ponieważ pokrycie przewodów nie spełnia wymagań na osłony, odnoszących się do zetknięcia się przewodów. Przy stosowaniu przewodów PAS mogą nie być spełnione jeszcze inne punkty ustaleń prawnych. Najważniejszym z tych wyjątków jest minimalny odstęp między stałymi punktami przewodów, który może wynosić jedną trzecią odstępu wyszczególnionego w aktualnych przepisach. Ponadto odstęp od drzew może być o przeszło 50% mniejszy, niż w przypadku linii konwencjonalnych, ponieważ izolacja przewodów wytrzymuje wsparcie się na nich przewróconego drzewa nawet przez miesiące Pozwala to na zmniejszenie niezbędnej szerokości tras przewodowych, a zatem na zmniejszenie kosztu związanego z zajęciem terenu. Nie ma odpowiednich uregulowań prawnych dla linii wysokiego napięcia 110 kV i powyżej, ponieważ dla napięć 110 kV i wyższych (na przykład 220 kV, 400 kV) nie stosuje się napowietrznych linii izolowanych. Konstrukcje słupów, izolatory oraz osprzęt izolatorowo - przewodowy obecnie przeznaczony jest głównie do przewodów gołych. Nawetjeśli linia PAS 110 kV wytrzymuje oparcie się o nią drzewa w ciągu paru godzin, to nie można dopuszczać do jej kontaktu z drzewami ze względu na duże prądy upływu i zakłócenia radioelektryczne. Przy tych wartościach napięcia i takich przewodach dotychczas nie dokonano badań iskrzenia, bądź powstawania efektu koronowego przy upadku odcinka przęsłowego, ponieważ izolowanie linii wysokiego napięcia jako takich nie było do tej pory uznawane za możliwość rozwiązania problemów innych, niz najwyżej

176 655 problemu zwarć powstających w wyniku zetknięcia się przewodów, jeżeli przewody bliżej niż poprzednio znajdują się siebie nawzajem, i bliżej otaczających drzew.

W ostatniej dekadzie więcej uwagi poświęcono polom elektrycznym i magnetycznym wytwarzanym przez linie energetyczne. W niektórych stanach USA i we Włoszech ustalono już graniczne wartości pól magnetycznych i elektrycznych linii energetycznych. Pola elektryczne i magnetyczne wytwarzane przez linie napowietrzne powinny być kompensowane w wyniku bliskiego wzajemnego rozmieszczenia przewodów, na przykład w wierzchołkach trójkąta równobocznego, co sprzyja zmniejszeniu pól do minimum. W przypadku linii elektrycznych z uderzającymi o siebie gołymi przewodami, powstaje zwarcie. Wymagania zachowania minimalnych odstępów zapobiegających stykaniu się przewodów i powstawaniu efektów koronowych, jak również brak odpowiednich trwałych izolacji, uniemożliwiły zastosowanie praktyczne innych, niż konwencjonalne, sposobów układania przewodów. Najczęściej stosowanym w Finlandii sposobem instalowania przewodów jest ich instalowanie poziome na słupach kratowych, co umożliwia redukcję wysokości konstrukcji słupowych. Minimalny odstęp między przewodami jest rzędu 3,5 m przy 110 kV, a zatem prześwit linii powinien wynosić przynajmniej 16 m przy stosowaniu odcinków o rozpiętości 200 m. W praktyce jednakowoż odstęp między fazami dla konwencjonalnego przewodu wynosi około 4,5 m, a niezbędny prześwit linii 26 m.

Zatem powyższe czynniki doprowadziły do sytuacji, w której rozmieszczenie przewodów w mniejszych od siebie odstępach mogłoby być korzystne i godne zalecenia ze względów ekonomicznych (na przykład dzięki zwężeniu tras przewodowych), jak również ze względów środowiskowych (zmniejszenie strefy oddziaływania pól elektrycznych i magnetycznych), lecz realizacja tego za pomocą obecnie stosowanych metod stoi w sprzeczności z zasadami konstruowania linii wysokiego napięcia.

Celem wynalazku jest linia napowietrzna wysokiego napięcia.

Linia napowietrzna wysokiego napięcia o izolowanych przewodach fazowych napowietrznych wspartych na konstrukcji słupowej, przy czym odstępy między przewodami, a punktami wsporczymi słupów są mniejsze od odstępu minimalnego niezbędnego do umknięcia zetknięcia się tych przewodów, przy czym przewód jest izolowany warstwą zewnętrzną z materiału odpornego na wpływy atmosferyczne według wynalazku charakteryzuje się tym, że linia napowietrzna dla napięcia powyżej 100 kV, zawiera co najmniej jeden przewód, który jest izolowany przynajmniej warstwą wewnętrzną półprzewodzącego materiału.

Reasumując linia napowietrzna wysokiego napięcia posiada przewody izolowane, zaś odstęp między nimi i punktami wsporczymi słupów jest mniejszy od odstępu minimalnego, niezbędnego do uniknięcia zetknięcia się tych przewodów, i że przynajmniej dwa z tych przewodów rozmieszczone są w pionie na różnych wysokościach.

Linia wysokiego napięcia według wynalazku zestawiana jest przy odpowiednim doborze i rozmieszczeniu przewodów fazowych linii napowietrznej według wynalazku oraz znacznej ilości pracy zainwestowanej w różne badania przy doborze odpowiedniego typu przewodów. W konstrukcji tej linii znajduje rozwiązanie kilka problemów związanych z liniami energetycznymi o konstrukcji konwencjonalnej. Na przykład w przypadku linii 110 kV ze słupami kratowymi, trasy kablowe mogą mieć wymiary zmniejszone, z szerokości minimalnej wynoszącej obecnie 16 m, do szerokości 10 m (przy konfiguracji delta). Przy pionowym rozmieszczeniu przewodów natomiast osiąga się znaczne zmniejszenie wysokości słupa. Zmniejszają się również znacznie wartości pól, magnetycznego i elektrycznego, w stosunku do wartości natężenia pola znanych linii.

Dzięki rozwiązaniu według wynalazku opracowano napowietrzną limę wysokiego napięcia pozwalającą na znaczne zmniejszenie niezbędnych odstępów między przewodami fazowymi, a zatem zapewniającą dostosowanie do węższych tras przewodowych i do wytwarzania słabszych pól elektrycznych i magnetycznych, w porównaniu ze znanymi liniami napowietrznymi.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przykład przewodu osłoniętego wykorzystywanego według wynalazku, fig. 2 - wykres, na którym porównano proporcje powierzchniowych natężeń pola na powierzchni różnych przewodów

176 655 z natężeniem pola zapoczątkowującego wyładowanie koronowe, w funkcji odstępów między fazami, fig. 3 - natężenie pola elektrycznego przy ziemi w przypadku różnych konfiguracji przewodów, fig. 4 - indukcję magnetyczną przy ziemi dla różnych konfiguracji przewodów, a fig. 5-8 przykłady konstrukcji słupów dla różnych linii napowietrznych.

Na fig. 1 przedstawiono przewód Nokia SAX-355, który może być wykorzystywany w osłoniętej linii napowietrznej wysokiego napięcia według wynalazku. Ta część przewodu, która przewodzi prąd, stanowi okrągły przewód ze stopu aluminiowego, skręcony z drutów 3 i wypełniony. Osłonę 1 przewodu stanowi półprzewodzące tworzywo sztuczne, służące do neutralizacji pola elektrycznego i zapobieżenia powstawaniu miejsc wyładowania na powierzchni przewodu metalowego. Warstwa izolacyjna 2 wykonana jest z usieciowanego poprzecznie tworzywa sztucznego XLPE (Tworzywa PEX) wykorzystywanego zwłaszcza w przypadku linii wysokiego napięcia, przy czym warstwa zewnętrzna o grubości około 1,5 mm zawiera domieszkę sadzy, dla osiągnięcia odporności na wpływy atmosferyczne Pozostałe dane obejmują odporność na czynniki atmosferyczne oraz odporność konstrukcji na promieniowanie ultrafioletowe, średnicę zewnętrzną wynoszącą około 39 mm, masę 1730 kg/km, obciążenie zrywające 108 kN i obciążalność prądową 660 A. Przewód typu SAX osłonięty jest warstwą izolacyjnego tworzywa sztucznego, którajest znacznie cieńsza, niż w kablu o normalnej konstrukcji. Izolacja jest dobrana wymiarami specjalnie, aby wytrzymywała wzajemne uderzenia przewodów fazowych w odcinku przęsłowym. W badaniu, w którym między dwa przewody przykładano napięcie wynoszące 120 kV, i doprowadzono do wzajemnego uderzania przewodów 540 000 razy, iskrzenie nie wystąpiło. Poza tym na tych samych przewodach wykonano próbę zawieszenia na przeciąg 17 dni. W tej próbie przewody były zawieszone jeden na drugim, bez wystąpienia iskrzenia.

W przypadku minimalnych odstępów między przewodami izolowanymi według wynalazku przewody mogą uderzać o siebie nawzajem, na przykład pod działaniem sił zwarciowych lub wiatru. Niezbędne minimum odstępu między przewodnikami można zatem obliczać na innych mających zastosowanie w danej sytuacji podstawach, niż kryteria dla przypadku zwarcia. Jednym z punktów wyjściowych do analizy minimalnych odstępów między przewodami (izolacji powietrznej) są przepisy bezpieczeństwa elektrycznego, wydane w Finlandii w publikacji nr A4-86 Inspektoratu Elektrycznego, Helsinki 1986, w której wyszczególniono minimalne wymagania dla konstrukcji sztywnych do 1,15 m dla przewodów gołych 110 kV.

Przy analizie rozmieszczenia izolacji linii napowietrznej według wynalazku, z izolowanymi przewodami fazowymi wychodzi się z dwóch założeń:

- konstrukcje szczytowe słupów zabezpieczają cały odcinek przęsłowy; oraz

- iskrzenie od fazy do ziemi zachodzi przy napięciu udarowym równym poziomowi dopuszczalnemu z prawdopodobieństwem 10%, przy czym odchylenie wartości napięcia wynosi 3%.

Celem jest dobranie wymiaru prześwitu między fazami tak, aby iskrzenie w przestrzeni faza - ziemia było w dostatecznym stopniu bardziej prawdopodobne, niż iskrzenie w przestrzeni między fazami. Obliczenia zgodne z powyższymi założeniami wykazały, że prześwit między fazami powinien być tylko o 3% większy od prześwitu między fazą i ziemią, aby prawdopodobieństwo iskrzenia między fazą i ziemią było 10 razy większe od prawdopodobieństwa iskrzenia między fazami. Jeżeli pożądany stosunek prawdopodobieństw wynosi 100, to prześwit między fazami musi być odpowiednio o 6% większy.

Ponieważ odległość wyładowania łukowego łańcucha izolatorów 110 kV wykorzystywanego przez Zgłaszającego wynosi 87 cm, a swobodny prześwit przy tym napięciu wynosi 90 cm, to punktem wyjścia do projektowania było założenie, że minimalny odstęp między znajdującymi się pod napięciem częściami faz wynosi 100 cm, to znaczy o 10% więcej, niż prześwit faza - ziemia. Przy zachowaniu takich proporcji wymiarowych, przepięcie powstałe przy zawiśnięciu przewodów będzie prawdopodobnie powodować uszkodzenie między pojedynczą fazą i ziemią, zamiast między dwiema fazami.

Ponieważ w przypadku linii napowietrznej według wynalazku zawierającej izolowane przewody fazowe, możliwe są do osiągnięcia mniejsze odstępy międzyfazowe, to wymagają uwagi wyładowania koronowe przy napięciu 110 kV. Ze względu na to obliczono stosunek

176 655 powierzchniowego natężenia pola przewodnika, do natężenia pola zapoczątkowującego wyładowanie koronowe w funkcji odstępów międzyfazowych dla napięcia 123 kV. Wyniki przedstawiono na fig. 2. Zgodnie z kryteriami projektowania wymiarowego stosowanymi przez Zgłaszającego, stosunek ten może mieć wartość maksymalną wynoszącą 0,72 w obszarach zabudowanych i 0,77 w pozostałych obszarach.

Wyniki obliczeń zależą od stosowanego przewodu. W przypadku testowanych dwóch rodzajów przewodów, ACSR 305/39 Duck i ACSR 152/25 Ostrich, stwierdzono, że przy zastosowaniu przewodu Duck, odstępy fazowe można zmniejszyć do 60 cm bez pojawiania się problemów z wyładowaniami koronowymi. W przybliżeniu to samo ma zastosowanie do przewodu Nokia sAx 355. W przypadku przewodu Ostrich, w celu otrzymania tego samego rzędu powierzchniowego natężenia pola, odstępy fazowe należało zwiększyć do 130 cm. Z wykresu widać, że kiedy przewody rozmieszczone są pionowo (Don), otrzymuje się wartości odstępów międzyfazowych korzystniejsze ze względu na zjawiska koronowe, niż w przypadku rozmieszczenia poziomego (Port).

Podsumowując zatem, można stwierdzić, ze minimalny odstęp między izolowanymi przewodami fazowymi może być tego samego rzędu, co minimalny odstęp stosowany w konstrukcjach sztywnych, przynajmniej w przypadku linii napowietrznej 110 kV.

Według wynalazku, przewody pokrywane umożliwiają znaczne zmniejszenie odstępów międzyfazowych i zwężenie tras przewodowych, lub też zmniejszenie wysokości konstrukcji słupowych. Zalety linii PAS obejmują osiągnięcie, dzięki zmniejszeniu odstępów międzyfazowych, niskich wartości pól elektrycznych i magnetycznych wytwarzanych przez nie, w porównaniu z liniami konwencjonalnymi.

Na fig. 3 przedstawiono krzywe ilustrujące natężenie pola elektrycznego od linii wysokiego napięcia przy powierzchni ziemi, dla różnych typów przewodów.

Na fig. 4 przedstawiono odpowiednie gęstości strumienia magnetycznego Porównanie obejmowało, zgodnie z tabelą 1, konwencjonalną linię nie izolowaną o konfiguracji poziomej, trójkątnej i pionowej, ze standardowymi odstępami międzyfazowymi 3-3,5 m oraz linię PAS o układzie poziomym, pionowym, trójkątnym i delta przy odległościach międzyfazowych wynoszących 1,15 m

Przykłady tych konfiguracji przedstawiono na fig. 5-8. Na fig. 5 przewody rozmieszczone sąpionowo, na fig. 6 i 7 mająrozmieszczenie delta, przewody sąrozmieszczone w wierzchołkach trójkąta równobocznego, a na fig. 8 sąrozmieszczone w sposób konwencjonalny, poziomo. Punkty wsporcze przewodów fazowych w tych konstrukcjach oznaczono odnośnikiem 4 na wszystkich figurach. Mocowanie przewodów fazowych do słupów bądź konstrukcji kratowych jest sprężyste, co eliminuje problemy z wibracjami przewodu. Izolatory przewodów fazowych mogą być izolatorami zwykłymi, rozmieszczonymi w odstępach międzyfazowych.

Podstawowe dane dotyczące wyników pomiarów przedstawionych na fig. 3 i 4 są następujące·

-U=123kV,

- prąd obciążenia 100A, P = 18 MW,

- przewód osłonięty: SAX355, σ₀ = 40 N/m,

- przewód goły: aCsR 305/39, σ, = 40 N/m,

- przewód odgromowy: AACSR 106/25, σ = 60 N/m,

- temperatura przewodu prądowego +15°C,

- temperatura przewodu odgromowego +5°C,

- prześwit najniższego przewodu prądowego w stosunku do ziemi 5,9 m przy +70°C (dopuszczalna wysokość minimalna),

- rozpiętość przęsła a_c = a = 200 m.

Co się tyczy pola magnetycznego, na podstawie fig. 3 i 4 oraz tabeli 1 można dokonać następujących obserwacji:

- przy poziomym rozmieszczeniu przewodów maksymalna wartość indukcji w linii PAS (fig. 8) zmniejsza się do około jednej trzeciej w stosunku do odpowiedniej linii nie izolowanej.

176 655

Indukcja zmniejsza się do poziomu tła (= 0,1 pT), przy prześwitach 18 m (PAS) i 33 m (zwykła), licząc od środka linii (krzywe 1 i 6).

- przy pionowym rozmieszczeniu przewodów maksymalna wartość indukcii w lmii PAS (fig. 5) zmniejsza się do około połowy w stosunku do odpowiedniej linii zwykłej. Indukcja zmniejsza się do poziomu tła przy prześwitach 18 m (PAS) i 33 m (zwykła), licząc od środka linii (krzywe 2 i 7).

- przy trójkątaym rozmieszczeniu przewodów maksymalna wartość indukcji w linii me różni się w sposób znaczący od wartości dla linii zwykłej (krzywe 3 i 4). Jednakowoż indukcja zmniej sza się w przypadku przewodów PAS do poziomu tła przy prześwicie 21 m, licząc od środka linii, natomiast w przypadku odpowiedniej linii nie izolowanej potrzebny jest prześwit 25 m. Ta, raczej niewielka, różnica wynika z faktu, ze rozmieszczenie przewodów wyznaczają inne czynniki, na przykład prześwit, a nie odległości międzyprzewodowe. Tak więc konstrukcja z grubsza biorąc jest taka sama w przypadku obu rodzajów przewodów. Jednakowoż w przypadku linii PAS następuje redukcja natężenia pola elektrycznego do połowy wartości szczytowej (fig. 3).

- rozmierzczenie delta (fig . 6 i 7) iniii PAS jett najwyraźnej ^^ερ^ηι rowviązamem z punktu widzenia generowanych pól. W porównaniu ze zwykłą nie izolowaną poziomą linią słupową, maksymalna wartość indukcji wynosi tylko jedźąplątą, a indukcja do poziomu tła schodzi już w odległości 13 m od linii (krzywa'8).

T a b e l a

Przewód	Krzywa nr	Bmax	0,1 pT (m)	0,2 pT (m)
Zwykły poz.	1	1	33	23
Zwykły pion	2	0,68	33	21
Zwykły tiójk.	3	0,45	25	16
PAS trójk	4	0,39	21	13
PAS poz.	6	0,33	16	10
PAS pion	7	0,32	18	11
PAS delta	8	0,21	6	6

Brna = względna wartość maksymalna indukcji magnetycznej

0,1 μT i 0,2 μT = indukcja spada do tego poziomu w wymienionej odległości od środka linii.

Dla specjalisty jest oczywiste, że możliwe odmiany wykonania nie ograniczają się do wspomnianych powyżej, lecz możliwe jest swobodne dokonywanie zmian bez wychodzenia poza zakres załączonych zastrzeżeń.

176 655

176 655

Natężenie

E pola magnetycznego na ziemi

U = 123 kV

FIG. 3

1. poziome rozmieszczenie

2. pionowe rozmieszczenie

3. trójkątne rozmieszczenie

4. trójkątne rozmieszczenie PAS

5. pionowe rozmieszczenie PAS (przewód próbny)

6. rozmieszczenie poziome PAS

7. rozmieszczenie pionowe PAS

8. rozmieszczenie delta PAS

80 90 100m

90 100m

176 655

176 655

FIG. 1

(CM)

Odstęp miedzy fazami

FIG. 2

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz.

Cena 2,00 zł.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Linia napowietrzna wysokiego napięcia o izolowanych przewodach fazowych napowietrznych wspartych na konstrukcji słupowej, przy czym odstępy między przewodami, a punktami wsporczymi słupów są mniejsze od odstępu minimalnego niezbędnego do uniknięcia zetknięcia się tych przewodów, przy czym przewód jest izolowany warstwą zewnętrzną z materiału odpornego na wpływy atmosferyczne, znamienna tym, że linia napowietrzna dla napięcia powyżej 100 kV, zawiera co najmniej jeden przewód, który ma izolację stanowiącąco najmniej jedną warstwę wewnętrzną (1) półprzewodzącego materiału.