Načrtovanje polizoliranih nadzemnih vodov za uporabo pri najvišjih napetostih Žiga Voršič1, Jože Pihler2, Janez Ribič2 1 SODO sistemski operater distribucijskega omrežja z električno energijo, d. o. o. 2 Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko ziga.vorsic@sodo.si Povzetek: Polizolirani nadzemni vodi so namenjeni zamenjavi obstoječih vodov z golimi vodniki, še zlasti v gozdnih predelih, kjer je velika nevarnost padca dreves na vodnike in nevarnost povečane obtežbe zaradi oprijema snega in ledu na vodnik. Predlagani novi polizolirani nadzemni vodi so sestavljeni iz poliuretanskega plašča, aluminijastega vodnika in jedra iz karbonskih vlaken. V nadaljevanju bo uporabljen izraz polizolirani vodnik, saj je vodnik izoliran, vendar njegova izolacija ni enakovredna izolaciji kabla. Razlogi za uporabo polizoliranih vodnikov so večja varnost, ekologija (manjši posegi v prostor, predvsem manjši poseki v gozdnatih predelih), večja obratovalna zanesljivost in nižji obratovalni stroški. Članek obravnava načrtovanje novega polizoliranega vodnika za najvišje napetosti. Snovalci elektroenergetskega sistema Republike Slovenije težijo k zmanjšanju števila napetostnih nivojev in razmišljajo o ohranitvi tras 220 kV daljnovodov in prehod na 400 kV. Članek obravnava tudi izračune povesov izbranega novega polizoliranega vodnika in primerjavo mehanskih karakteristik in povesov z obstoječim vodnikom Al/Fe. Na podlagi analize mehanskega dimenzioniranja bo utemeljena smiselnost nadgradnje obstoječega 220 kV daljnovoda na 400 kV nivo v smislu povesov. Glede na rezultate raziskave je razvidno, da bi lahko polizolirani vodnik omogočil ohranitev tras 220 kV daljnovodov in prehod na 400 kV. Ključne besede: polizolirani vodnik, poliuretan, aluminij, ogljikova vlakna, mehanske lastnosti vodnikov Designing covered conductors to be used for the highest voltage levels A new design of the covered conductor is proposed. It consists of a carbon fiber core instead of the currently used steel core. Thus reduced weight allows for a thickest conductor insulation. To withstand the electric -field strength, the conductor thickness of insulation, i.e. the conductor geometry, were determined and its mechanical properties and warming were checked. Numerical verification was successful. The related data are presented. The proposed covered is made of two dielectrics, i.e. the insulation cover and air. The covered conductor consists of a conductor which is a metal electrode (a cable) and a covering layer made of a dielectric with a greater dielectric constant and higher breakdown voltage and a dielectric with a lower dielectric constant, i.e. the surrounding air. For safety reasons, there should be no live work performed despite the thickened insulation. The proposed conductor is named Pu/Al/C 2150/490/65 mm2. 2150 mm2 stands for the cross section of the polyurethane cover, 490 mm2 for the aluminium and 65 mm2 for the carbon - fiber core. The thickened insulation assures that the electric - field strength on the edge of the insulation does not exceed the critical electric - field strength limit of the air. Installed on a typical 220 kV transmission tower, such conductor meets the electric - load specifications. Matching between the results obtained with the simplified analytical calculations of the electric - field strength on the edge of the insulation and those obtained with the finite - element method encourages further research, both theoretical and practical. 1 UVOD Najbolj razširjena izvedba polizoliranih vodnikov je sestavljena iz trdne kompaktne aluminijaste zlitine vodnika z vodoodpornim plaščem iz omreženega polietilena (XLPE). Uporaba je dokazala, da je takšen polizolirani vodnik zanesljiv v zelo slabih razmerah in da bo vzdržal, npr. padla drevesa več dni, mehansko in električno. Zaradi zunanjega plašča polizolirani vodniki niso tako ranljivi pri medsebojnem dotiku ali ob dotiku z vejevjem dreves. To omogoča, da se razmik med fazami polizoliranega vodnika zmanjša na samo tretjino razmika med fazami neizoliranega nadzemnega voda. Trasa nadzemnega voda v gozdnatem območju je lahko manjša kot v območju z neizoliranimi nadzemnimi vodi. Najprej so začeli nadomeščati gole vodnike s polizoliranimi vodniki v Združenih državah Amerike. V Prejet 7. junij, 2014 Odobren 10. september, 2014 zgodnjih šestdesetih letih so jih uporabili pri gradnji daljnovoda v Pensilvaniji. Zdaj ima Pensilvanija več kot 10.000 km SN omrežij s polizoliranimi vodniki [1]. V Evropi so polizolirane vodnike (PIV) začeli uporabljati leta 1976 v Skandinaviji, kjer je njihova uporaba tudi najbolj razširjena. Imajo namreč zgrajenih že več tisoč kilometrov daljnovodov z različnimi tipi PIV. Na Finskem se je razvoj sistemov polizoliranih vodnikov začel razvijati v zgodnjih sedemdesetih. Gonilna sila razvoja je bila možnost izboljšanja zanesljivosti in varnosti neizoliranih nadzemnih žic z uporabo izolacijskega plašča prek neizoliranega vodnika. Končni izdelek so sistemi polizoliranih vodnikov, ki se danes uporabljajo v številnih evropskih državah, kot so Finska, Velika Britanija, Italija, Poljska, Češka, baltske države idr. [2], [3]. Skoraj sočasno so polizolirane vodnike začeli uvajati v elektrogospodarstvu Avstralije. Leta 1980 so jih prepovedali zaradi korozije, ki je nastala na mestu vpetja vodnika na izolator. Njihov sistem je namreč predvideval snemanje izolacije na mestu vpetja na izolator. Pozneje so zaradi velikih požarov leta 1983 zopet začeli uporabljati PIV, s to razliko, da izolacije niso snemali. Za začetek uporabe polizoliranih vodnikov v Sloveniji štejemo leto 1992 (Elektro Gorenjska), leto pozneje, leta 1993, je Elektro Ljubljana na podlagi finskih izkušenj zgradil 20 kV daljnovod Rob-Purkače. V drugem poglavju bomo obravnavali izbiro izolacije vodnika na podlagi analitičnega izračuna električnega polja in podanih električnih zahtev za izolacijo polizoliranega vodnika. Tretje poglavje zajema izračun povesa izbranega polizoliranega vodnika in primerjavo mehanskih lastnosti in izračunanih povesov z obstoječim Al/Fe vodnikom. V sklepu se potrdi smiselnost nadgradnje 220 kV daljnovoda na 400 kV nivo z novim polizoliranim vodnikom. 2 OBLIKOVANJE POLIZOLIRANEGA VODNIKA Snovalci elektroenergetskega sistema republike Slovenije težijo k zmanjšanju števila napetostnih nivojev. V prihodnosti bi naj imeli samo štiri: 0,4; 20; 110 in 400 kV. Na srednji napetosti je napetostni nivo 10 kV prisoten samo še v večjih mestih, večji problem je opustitev 220 kV napetostnega nivoja v prenosnem omrežju. Snovalci razmišljajo o ohranitvi tras 220 kV daljnovodov in prehod na 400 kV [4]. Na videz najpreprostejša rešitev je postavitev novih nadzemnih vodov, kar pa zahteva veliko denarja in nova soglasja. Uporaba predlaganega novega polizoliranega vodnika je finančno ugodnejša od postavitve novih nadzemnih vodov. Kot osnovo za oblikovanje novega polizoliranega vodnika za najvišje napetosti smo uporabili izračun električne poljske jakosti, ki na robu izolacije ne sme preseči dielektrične trdnosti zraka (korona), dodatna omejitev pa je bila zračna razdalja do sosednjih kovinskih delov [5]. V električnih poljih v homogenih dielektrikih s konstantno dielektričnostjo s in specifično (svojsko) prevodnostjo y obe snovni lastnosti vplivata na obliko polja. Pri podani električni poljski jakosti E sta gostota električnega pretoka D = e-E (1) in gostota električnega toka J = r-E (2) odvisni od obeh snovnih lastnosti. Sliki električnega polja in porazdelitev potencialov v električnem polju z nehomogenimi ali slojnimi dielektriki se močno razlikujeta od električnih polj v homogenih dielektrikih. V ravninskih radialnih poljih električna poljska jakost od notranje elektrode navzven pada. Zato je smiselno uporabiti slojne dielektrike različnih dielektričnosti in električnih prebojnih trdnosti. Debeline posameznih slojev projektiramo tako, da je električna obremenitev posameznih slojev optimalna. V nehomogenih elektrostatičnih poljih uporabimo zaporedno namestitev dielektrikov zato, da območja velikih električnih poljskih jakosti razbremenimo in električno polje izrinemo v območja manjših električnih poljskih jakosti. Dvoslojni enožilni kabel (slika 2.1) je tipičen primer uporabe dvoslojnih dielektrikov. Napetost med žilo in plaščem se razdeli na obe plasti dielektrika: Slika 2.1: Dvoslojni enožilni kabel Če poznamo razliko potencialov med vodnikom in plaščem, izračunamo napetosti na obeh plasteh ter naboj. Največjo električno poljsko jakost v snovi dobimo na najmanjšem polmeru. Polizolirani vodniki [6] in električna poljska jakost Kot dvoslojni izolirani vodnik lahko obravnavamo tudi polizolirani vodnik (slika 2.2). Ob upoštevanju er1 = er in er2 = 1, dobimo: E2 =- U In S» r ln ^ —^ + —= s, 1 Najmanjšo poljsko jakost E2 v odvisnosti od r2 dobimo, ko je imenovalec v enačbi (3) največji. [7] Poiščemo največjo vrednost imenovalca in dobimo optimalni polmer, 1 r = r —' 2opt '1 p e E2 E2min 1 1 - — = r ■ I .\!±\ = 0,0153. 1 2,71828 l 0,0153 2,25 = 6,62 m , kar je nerealno. Na sliki 2.4 je podana električna poljska jakost skladno z enačbo 5 v odvisnosti od debeline izolacije. Če vstavimo za polmer vodnika polmer trenutno uporabljanega vodnika pri 220 kV nadzemnih vodih (15,3 mm), za relativno dielektrično konstanto er = 3,4, vrednost, ki je običajna pri polizoliranih vodnikih na 110 kV nivojih in debelino izolacije 15 mm ter napetost 400 kV, dobimo: Slika 2.2: Koaksialna valjna razporeditev delne izolacije Oznake na sliki pomenijo: ri - polmer jedra r2 - polmer plašča r3 - polmer izolacije E2 - električna poljska jakost v zraku V tem primeru je notranja elektroda izolirana, prostor do zunanje elektrode pa je zrak. Izolacija ima bistveno višjo prebojno trdnost kot zrak, zato ni pomembno, da je električna poljska jakost majhna na notranji elektrodi. Pomembnejše je, da je poljska jakost v zraku najmanjša: Ezr = E2(r2) . E =- U ■ ln- = 2,39 MV/m (3) (4) pri katerem je električna poljska jakost v zraku najmanjša U ■ e - . (5) S stebrom, verigo kapastih izolatorjev (l = 2,25 m) in vodnikom (490/65 Al/Fe, r = 15,3 mm) obstoječega 220 kV nadzemnega voda (slika 2.3) je določena geometrija, tako je edina spremenljivka relativna dielektričnost. Če naredimo račun za relativno dielektričnost poliuretana (er = 3,4), dobimo optimalni polmer, pri katerem je električna poljska jakost v zraku najmanjša: Slika 2.3: Skica tipičnega stebra 220 kV nadzemnega voda Vrednost je manjša kot prebojna trdnost za zrak pri normalnih pogojih (3 MV/m). Glede na rezultate raziskave ugotavljamo, da bi lahko polizolirani vodnik omogočil ohranitev tras 220 kV daljnovodov in prehod na 400 kV, še več, da ne bi preveč povečali teže polizoliranega vodnika, se odločimo za najmanjšo debelino izolacije, ki še izpolnjuje vse pogoje - to je 15 mm. s 3,4 e r ■ s 2 r2 r 2 s r1 ■ r Predlagamo vodnik z jedrom iz karbona (slika 2.5), prevodno plast iz aluminija in izolacijo iz poliuretana. Glede na običajno označevanje vodnikov s prerezi poimenujemo predlagani vodnik Pu/Al/C 2150/ 495/65 mm2. Pri tem je 2150 mm2 prerez poliuretanskega plašča, 495 mm2 prerez aluminija in 65 mm2 prerez jedra iz karbonskih vlaken (slika 2.6). Največja električna poljska jakost v zraku 1 20 39 5S 77 96 debelina izolacije [mm] Slika 2.4: Največja električna poljska jakost v zraku Slika 2.6: Prerez predlaganega polizoliranega vodnika 3 IZRAČUN POVESA ZA Pu/Al/C 2150/490/65 Obravnavani novi vodnik je bil izbran na podlagi izračuna električne poljske jakosti. Želimo vedeti še, ali ustreza vsem mehanskim zahtevam. V tem poglavju bomo obravnavali mehanske lastnosti vodnika Pu/Al/C izbranega prereza in jih primerjali z vodnikom Al/Fe. Na podlagi projektne dokumentacije že zgrajenega daljnovoda bomo izračunali poves za novi vodnik Pu/Al/C. Te izračunane povese bomo potem primerjali z izračunanimi povesi za vodnik Al/Fe pri različnih dolžinah in naklonih razpetin. Na podlagi te analize bomo dokazali, da novi vodnik ustreza danim zahtevam po maksimalnih povesih po [8]. Na podlagi teh ugotovitev bo mogoče trditi, da je omogočen prehod daljnovoda 220 kV na napetost 400 kV le z zamenjavo obstoječih vodnikov vrste Al/Fe s prerezom 490/65 mm2 z novimi vodniki Pu/Al/C izbranega prereza. Slika 2.5: Klasični Al/Fe vodnik in moderni s karbonskim jedrom V nadaljevanju bomo obravnavali mehanske lastnosti na novo izbranega vodnika in preverjali, ali ta vodnik ustreza zahtevam po maksimalnem povesu na znanem daljnovodu. Al Pu C 3.1 Vhodni podatki Na podlagi znanih podatkov o Al/Fe vodnikih prereza 490/65 mm2 iz standarda [13] in postopka za izračun mehanskih spremenljivk v [12] smo izbrali in izračunali mehanske spremenljivke za vodnike obstoječega 220 kV daljnovoda. Na podoben način smo določili tudi spremenljivke za novi vodnik Pu/Al/C. Kot osnovo smo vzeli mehanske lastnosti znanega vodnika Al/C (slika 2.5). Izolacija Pu nima nosilnih mehanskih lastnosti, zato je lahko osnova jedro Al/C. Vsi osnovni mehanski podatki za obstoječi daljnovodni vodnik Al/Fe in novo vrsto vodnika Pu/Al/C so prikazani v preglednici 3.1. Tabela 3.1: Prikaz osnovnih mehanskih lastnosti obravnavanih obeh vrst daljnovodnih vodnikov_ Razlaga Al/Fe 490/65 mm2 Pu/Al/Fe 2160/490/65 mm2 gostota vodnika p= 3360 kg/m3 p= 1624,9 kg/m3 modul elast. E = 70-103 N/mm2 E = 74,72-103 N/mm2 lin. temp. raz. a = 19,3106 1/°C a= 16,2-10-6 1/°C spec. teža vod. p = 32,96-10~3 N/m-mm2 p = 15,94-10 3 N/ m-mm2 skup. prerez vod. Ask = 553,9 mm2 ASk = 2710 mm2 teža vod. na m g = p-Ask = 18,26 N/m g = 43,20 N/m premer vod. dv = 30,6 mm dv = 60,6 mm dod. zimska teža gd = 1,8-(dv)K = 9,96 N/m gd = 14,01 N/m dod. zimska obr. Ap = 17,98-10 3 N/ m-mm2 Ap = 5,17-103 N/ m-mm2 Primerjava mehanskih lastnosti obeh vrst vodnikov v tabeli 3.1 pokaže, da ima Al/Fe daljnovodni vodnik večjo gostoto p kot primerljivi novi vodnik enakega efektivnega prereza na račun jeklenega jedra, ki ima nosilno funkcijo. V novi vrsti vodnika ga nadomestijo ogljikova vlakna. Novi vodnik ima tudi manjši temperaturni razteznostni koeficient a, a primerljiv modul elastičnosti E. Zaradi velikega prereza ima novi vodnik majhno specifično težo p. Vse to skupaj pomeni, da jedro iz ogljikovih vlaken zagotavlja, da se novi vodnik pri visokih temperaturah manj razteza, posledično pri teh temperaturah nastajajo tudi manjši povesi. Mehanske lastnosti vodov so vhodni podatek za izračun povesa. Drugi sklop so geometrijski podatki o daljnovodni razpetini. Za izračune povesov smo izbrali obstoječi daljnovod napetosti 220 kV z različnimi razpetinami in nakloni razpetine. Osnovni podatki o izbranih stojnih mestih za izračun, razpetini in naklonu razpetine so prikazani v tabeli 3.2. Tabela 3.2: Geometrijski podatki o izbranih razpetinah Primer razpetine a) b) c) d) stojna mesta 1-2 3-4 21-22 32-33 razpetina a [m] 193 685,8 408 275,3 višinska razlika Ah [m] 85,1 132,2 4 2,16 r Podrobnejše informacije o geometriji obesišč vodov in terenu lahko pridobimo iz projektne literature o povesih vodov v celotni trasi daljnovoda. Slike 3.1 a), b), c) in d) prikazujejo posamezne dele razpetin. Sliki 3.1 a) in 3.1 b) prikazujeta velik naklon razpetine in majhno razpetino daljnovoda. Po drugi strani pa sliki 3.1 c) in d) prikazujeta velike razpetine med stojnimi mesti z majhnimi nakloni razpetine. Osnovni podatek o daljnovodu je tudi maksimalna dovoljena natezna napetost vpetja vodnikov, ki po slikah 3.1 a) do 3.1 d) v vseh primerih znaša cxdop = 80 N/mm2. Pomemben podatek za projektiranje daljnovodov oziroma za računanje maksimalnih povesov je tudi dodatna žledna obremenitev kd, ki znaša po projektni literaturi in po žledni karti kd = 1,6. Ta koeficient pomeni, da se statistično gledano na tem območju (omenjenem daljnovodu) lahko nabere za 60 % več ledu na vodih, kot je izračunana normalna zimska žledna obremenitev kd, (tabele 3.1) Slika 3.1 a): Razpetina med stojnima mestoma 1 dolžina 193 m, višinska razlika 85,1 m in 2 Glop.v = 80 N/mim V? = 132,2 a = 685,8 m Slika 3.1 b): Razpetina med stojnima mestoma 3 in 4 .M M »■tfi CTdop>v = 80 N/mm2 ''':'! .;.... >£-:. ¿/¿¡¿.pjarfif....:...........1.....L. ....... ; ^ !. .-...:...'..... ": "■';'. \'Ah = 4 m 4 a = 408 m :...:.,.-...:....■■' ^ ^ _ ... j. .■ " ■'■ • * ------ Slika 3.1 c): Razpetina med stojnima mestoma 21 in 22 <3/fJ kqfmW . :. ödop,v = 80 N/mm2 Slika 3.1 d): Razpetina med stojnima mestoma 32 in 33 3.2 Rezultati izračunov Programsko kodo v programskem paketu Matlab smo dopolnili tako, da na podlagi geometrijskih podatkov iz slik 3.1 a) do d) digitaliziramo prečni profil terena v z-osi vzdolž trase daljnovoda za vse primere. Določimo še natančne koordinate obesišč spodnjih faz. Na podlagi vseh teh vhodnih podatkov smo izračunali povese za vse štiri razpetine daljnovoda z obstoječim vodom Al/Fe 490/65 mm2. Da smo se približali povesom po tistih na slikah 3.1, smo optimizirali določene vhodne podatke v model (adop,opt = 87 N/mm2). Potem smo dobili digitalni profil obstoječega daljnovoda. Nato smo v programski kodi zamenjali podatke za obstoječi vodnik Al/Fe z novim vodnikom Pu/Al/C. Ohranili smo podatke za dopustno natezno napetost, dodatno žledno obremenitev in geometrijske podatke obesišč daljnovoda. Ohranjanje podatka za cxdop,opt je ključno za nadgradnjo in zamenjavo vodnikov. S tem se lahko ohranijo obstoječi stebri (predvsem zatezni) zaradi statične stabilnosti konzol ob napenjanju vodnikov. Programsko kodo smo dopolnili tako, da lahko po izračunih vrednosti natezne napetosti in specifične obremenitve voda izračunamo poves voda kjerkoli med obesiščema na razpetini. Slika 3.3 prikazuje primer formatiranega izpisa karakterističnih rezultatov izračunov povesne verižnice za primer izračuna za razpetino d) (po sliki 3.1 d)) z novim vodnikom. I Z R A Č U N P O V E S A Šoštanj Podlog razpetina 32-33 vrv Pu/Al/C 2150/490/65 modul elastičnosti vrvi 7,4 72E+04 N/mm2 koeficient linearnega raztezanja vrvi 1,62E-05 1/°C največja dopustna natezna napetost 87,36 N/mm2 dopustna natezna napetost 69,89 N/mm2 specifična teža vrvi 0.01594 N/mm2 specifična teža vrvi z dodatnim bremenom 0.024255 N/mm2 Kritična razpetina 291,925 m Ker je kritična razpetina večja od 275,300 m nastopi največja natezna napetost pri -20 °C br ez dodatnega zi mskega b natezna napetost pri -20°C brez dodatnega breme na 69,889 N/mm2 največja natezna napetost 69,943 N/mm2 največja dopustna natezna napetost 87,362 N/mm2 poves pri -20°C brez dodatnega breme na 2,161 m Kritična temperatura 14,797 °C Ker je kritična temperatura manjša od 40,000 °C nastopi največji poves pri temperaturi +40°C. natezna napetost pri 40°C 34,722 N/mm2 poves pri 40°C 4,351 m Slika 3.3: Primer izpisa računalniškega programa za razpetino d) v programskem paketu Matlab Tabela 3.3 strnjeno prikazuje rezultate mehanskih izračunov povesne verižnice za vse štiri obravnavane razpetine daljnovoda Iz tabele 3.3 je razvidno, da velikost razpetine a določa, katera izhodiščna stanja vzamemo za položajno enačbo (-20 °C pri ali pri -5 °C z dodatnim zimskim bremenom). Kritična razpetina akr je vseskozi enaka, saj se žledna obremenitev kd ne spreminja, prav tako ne dopustna natezna napetost cxdop. Pri vseh primerih izračunov je kritična temperatura enaka in nižja od +40 °C, kar pomeni, da bo največji poves nastopil vedno pri +40 °C, ne pri žledni obremenitvi. 3.3 Primerjava novega vodnika z vodniki Al/Fe 490/65 Ker iz tabele 3.3 vidimo, da se pri nobenem izračunu ne pojavi maksimalen poves pri -5 °C z dodatnim zimskim bremenom, smo izračunali spremenljivke za povesno verižnico pri temperaturi +60 °C za obe vrsti vodnikov in vse štiri razpetine a), b), c) in d). Razlog za te izračune je analiza primerjave izračunanih povesov in uporabe obstoječega vodnika Al/Fe 490/65 mm2 in novega vodnika Pu/Al/Fe 2150/490/65 mm2. Tabela 3.3: Karakteristični podatki za izbrane razpetine primer razpetine a) b) c) d) akr [m] 291,9 291,9 291,9 291,9 a [m] 193 685,8 408 275,3 [N/mm2] 69,89|_20°c 69,89|_5°c 69,89|_5°c 69,89|_20°c Poves fs [m] 1,16|-20°c 20,80|-5°c 7,22|_5°c 2,16|_20°c A [°C] 14,79 14,79 14,79 14,79 °+40°C [N/mm2] 29,31 42,79 39,11 34,72 /+40°C [m] 2,77 22,34 8,49 4,35 [N/mm2] 77,08|_20°c 73,28|_20°c 70,12|_20°c 69,94|_20°c Poves fx,3 v poljubni točki med obesiščema razpetine in pri poljubni temperaturi lahko izračunamo po enačbi (6) [12].: f (X,3) = P>■ ask - b ) [m], 2 -aa (6) pri čemer je