4 Načrtovanje vodov v ditribucijskem omrežju

Comments

Transcription

4 Načrtovanje vodov v ditribucijskem omrežju
UNIVERZA V LJUBLJANI
Fakulteta za elektrotehniko
Razdelilna in industrijska omrežja
Seminarska naloga
Načrtovanje vodov v
distribucijskem omrežju
Gregor Merlak
Kazalo
1.
Uvod .................................................................................................................... 1
1.1
Struktura osnovnih napetostnih nivojev v distribucijskem omrežju (110 kV, 35
kV, 20 kV, 10 kV, 0,4 kV, 230/400 V) ...................................................................... 1
2.
3.
Elementi distribucijskega omrežja ....................................................................... 3
2.1
Steber ............................................................................................................ 3
2.2
Vodniki........................................................................................................... 5
2.3
Kabelski vod .................................................................................................. 6
Omejitve pri načrtovanju vodov ........................................................................... 8
3.1
Dimenzioniranje vodnikov .............................................................................. 8
3.2
Načrtovanje vodov ....................................................................................... 11
4.
Osnovni principi načrtovanja omrežja ................................................................ 13
5.
Vplivni faktorji .................................................................................................... 15
6.
5.1
Faktor porabe .............................................................................................. 15
5.2
Faktor izkoriščenosti .................................................................................... 15
5.3
Faktor obremenitve...................................................................................... 15
5.4
Faktor raznolikosti ....................................................................................... 16
5.5
Faktor izgub ................................................................................................. 16
Literatura ........................................................................................................... 17
i
Fakulteta za elektrotehniko
Gregor Merlak, 64080452
kazalo slik
Slika 1: Nadomestni model distribucijskega omrežja .................................................. 2
Slika 2: Osnovni modeli lesenih stebrov ..................................................................... 4
Slika 3: Osnovni modeli armirano - betonskih stebrov ................................................ 5
Slika 4: Osnovna modela železne konstrukcije stebra 35 kV (levo), primer železne
konstrukcije stebrov 10(20) kV (desno) ...................................................................... 5
Slika 5: Enožilni kabel ................................................................................................. 7
Slika 6: Trožilni kabel .................................................................................................. 7
Slika 7: Nadomestno vezje vodnika ............................................................................ 9
Slika 8: Enopolna shema radialnega omrežja ........................................................... 12
Slika 9: Enopolna shema zankastega omrežja ......................................................... 12
Slika 10: Enopolna shema primarnega distribucijskega omrežja .............................. 13
ii
Fakulteta za elektrotehniko
Gregor Merlak, 64080452
1. Uvod
Distribucijsko omrežje je del elektroenergetskega sistema, ki je priključeno na
prenosno omrežje prek razdelilno-transformacijskih postaj. Nanj so priključeni tudi
manjši proizvajalci električne energije. Sestavljajo ga transformatorske postaje in
električni vodi različnih napetostnih nivojev (med 12,47 V in 245 kV), ki so namenjeni
razdeljevanju električne energije končnim odjemalcem. Napetostni nivoji, ki so v
Sloveniji uveljavljeni v distribucijskem omrežju so 110 kV, 1-35 kV ter 0,4 kV. Zaradi
aktivnosti distribucije in njenih različnih zahtev je potrebno celotno omrežje
načrtovati, da bi le-to delovalo najbolje. Potrebno je predvideti lokacije in pridobiti
ustrezna dovoljenja, izbrati primerne metode delovanja in s tem najbolj učinkovite ter
cenovno ugodne naprave, materiale in podobno. Z načrtovanjem omrežja,
dimenzioniranjem vodov, upoštevanjem različnih faktorjev lahko dobro izboljšamo
delovanje in funkcionalnost samega sistema in tako najbolj ugodno in zanesljivo
prenašamo električno energijo do končnih porabnikov z minimalnimi izgubami.
Izgube so odvisne od obremenitev in razdalje prenosov energije, ki pa niso
zanemarljive.
1.1 Struktura osnovnih napetostnih nivojev v distribucijskem
omrežju (110 kV, 35 kV, 20 kV, 10 kV, 0,4 kV, 230/400 V)

Primarna transformacija srednja napetost SN/110 kV – sklop vodov nazivne
napetosti 110 kV in transformatorskih postaj (TP) 110/35 (kV) in TP 110/10-20
(kV)

Elektroenergetsko omrežje 35 kV – sklop vodov nazivne napetosti 35 kV in
transformacijskih postaj (TP) 35/10-20 (kV)

Elektroenergetsko omrežje 20 kV – sklop vodov nazivne napetosti 20 kV in
transformacijskih postaj (TP) 20/0,4 (kV)

Elektroenergetsko omrežje 10 kV – sklop vodov nazivne napetosti 10(20) kV
in transformacijskih postaj (TP) 10(20)/0,4 (kV)

Nizko napetostna mreža (NN) 230/400 V – sklop vodov nazivne napetosti 1
kV, razdelilnih omar, priključkov ter merilnih omar.
1
Fakulteta za elektrotehniko
Gregor Merlak, 64080452
Slika 1: Nadomestni model distribucijskega omrežja
2
Fakulteta za elektrotehniko
Gregor Merlak, 64080452
2. Elementi distribucijskega omrežja
Distribucijsko omrežje je prav tako kot prenosno omrežje sestavljeno iz nadzemnih
daljnovodov in podzemnih kablovodov.
Osnovni elementi nadzemnih vodov so:

Steber

Fazni in zaščitni vodnik

Izolatorji (izolatorske verige)

Temelji

Ozemljilo
Distribucijski nadzemni vodi se razlikujejo glede na:

Nazivno napetost (0.4 kV, 10 kV, 20 kV, 35 kV, 110 kV)

Število električnih krogov (enosistemski in dvosistemski)

Material (baker, aluminij, železo, aluminij-železo) in način konstrukcije (žica,
kabel)

Material in konstrukcija stebra (lesen, armiranobetonski, železno-rešetkasti)
2.1 Steber
Stebri zagotavljajo vodnikom zadostno višino nad tlemi. Obremenjeni so mehansko in
sicer, vertikalno proti tlom deluje teža vodnika, izolacijska veriga ter eventualna
dodatna teža na vodniku (npr. žled). Na njih deluje tudi horizontalna obremenitev v
smeri trase vodnika, ki predstavlja zatezno silo vodnika, katero lahko deloma ali v
celoti izničimo. Navpično horizontalno v smeri trase voda pa predstavlja obremenitev
še veter ki deluje na vodnik in steber.
Po položaju v trasi delimo stolpe na:

Linijske, ki so postavljeni v ravnem delu projekcije trase,

Kotne, ki se nahajajo na prelomu (kotu) vertikalne projekcije trase.
Po načinu obešanja vodnika se stebri delijo na:

Nosilne (nosilni izolatorji in izolatorske verige), pri katerih vedno izničimo
horizontalne sile v smeri trase
3
Fakulteta za elektrotehniko
Gregor Merlak, 64080452

Zatezne (zatezni izolatorji in izolatorske verige), pri katerih deloma izničimo
horizontalne sile, vendar so vedno prisotne.
Materiali za izdelavo stebrov:

Les - z majhno težo, hitro montažo in relativno ugodno ceno predstavlja dober
material za izdelavo stebra, vendar ima kratko življenjsko dobo, zato se pri
novih gradnjah ne uporabljajo več. Leseni stebri so v distribucijskem omrežju
zelo pogosti, predvsem na nizki napetosti .

Armiran beton – velika teža, dolga življenjska doba ter manjše potrebe po
vzdrževanju. Uporabni za srednje napetostni in nizko napetostni nivo.

Železo – v Distribuciji se uporabljajo za 35 kV omrežje a zelo pogosto tudi za
10(20) kV omrežje. Zaradi rešetkaste konstrukcije dobro zdrži mehanske
obremenitve. Zaradi stalne izpostavljenosti zunanjim vplivom prihaja do
korozije materiala , zato se take stebre običajno prekrije s cinkom
Slika 2: Osnovni modeli lesenih stebrov
4
Fakulteta za elektrotehniko
Gregor Merlak, 64080452
Slika 3: Osnovni modeli armirano - betonskih stebrov
Slika 4: Osnovna modela železne konstrukcije stebra 35 kV (levo), primer železne
konstrukcije stebrov 10(20) kV (desno)
2.2 Vodniki
Vodniki morajo kot osnovni element električnega daljnovoda prenašati električno
energijo in so edini aktivni element voda. Poleg svoje teže mora vodnik zdržati še
ostale mehanske obremenitve, ker pa se s prenosom električne energije skozi vodnik
ustvarjajo jalove izgube, so vodniki tudi termično obremenjeni.
Vodniki so lahko izdelani v obliki žice ali vrvi, pri čemer se za prenos večjih moči
uporablja izključno vodniki v obliki vrvi. Za izgradnjo nadzemnih vodov se uporabljajo
5
Fakulteta za elektrotehniko
Gregor Merlak, 64080452
različni materiali, od katerih se pričakuje, da so dobro električno prevodni, mehansko
trdni, odporni na korozijo ter nizke cene. Da te lastnosti še izboljšamo se materiali
vodnikov kombinirajo.
Materiali za izgradnjo vodnikov:

Baker (Cu) – ima najboljše električne lastnosti

Aluminij (Al) – Danes prevladuje kot material za izdelavo vodnikov. Ima slabše
električne lastnosti kot baker in je občutljiv na mehanske poškodbe, vendar
ima manjšo specifično težo in je veliko cenejši.

Železo (Fe) – Ima zelo slabe električne lastnosti vendar zelo dobro mehansko
trdnost. Železni vodniki se pogosto uporabljajo za zaščitno vrv ali pa kod
kombiniran vodnik. Pred korozijo ga zaščitimo s cinkom.

Aluminij/Železo (Al/Fe) – je kombinirani vodnik z železnim jedrom in ovit z
aluminijastimi žicami (Al:Fe = 6:1). S tem smo izboljšali električno prevodnost
in mehansko trdnost daljnovoda.
2.3 Kabelski vod

Trižilni (večžilni) kabel – v enem kablu so vgrajeni 3 ali več fazni vodniki,
izolirani med seboj.

Enožilni kabel – v kablu se nahaja samo en fazni vodnik, tako trifazni sistem
sestavljajo trije taki enofazni kabli
6
Fakulteta za elektrotehniko
Gregor Merlak, 64080452
Slika 5: Enožilni kabel
Slika 6: Trožilni kabel
7
Fakulteta za elektrotehniko
Gregor Merlak, 64080452
3. Omejitve pri načrtovanju vodov
3.1 Dimenzioniranje vodnikov
Dimenzioniranje vodnikov pomeni predvsem izbiro ustreznega preseka vodnika glede
na pričakovan največji trajni tok v vodniku ob upoštevanju: zaščite pred električnim
udarom, toplotnih učinkov, preobremenitvenega in okvarnega toka, padca napetosti
in mehanske odpornosti
Vodnike dimenzioniramo glede na:

predviden največji trajni tok (termično dimenzioniranje);

dopusten padec napetosti na vodniku (električno dimenzioniranje);

dopusten najmanjši prerez glede na mehanske obremenitve (mehansko
dimenzioniranje)

gospodarnost (izgube v vodniku).
Termično dimenzioniranje
Termično dimenzioniranje pomeni izbor ustreznega vodnika oz. kabla, katerega
dopustna tokovna obremenitev je večja od pričakovanega največjega trajnega toka.
Na največjo dopustno trajno obremenitev vodnika vpliva:

material vodnika,

prerez vodnika,

vrsta izolacije,

število vzporednih vodnikov,

temperatura okolice in

način polaganja.
Največja dopustna tokovna obremenitev je izbrana tako, da najvišja obratovalna
temperatura vodnika ne preseže temperature, ki bi lahko povzročila poškodbe
izolacije. Za vsak material so te temperature drugačne.
Električno dimenzioniranje
Električno dimenzioniranje vodnikov oz. kablov pomeni dimenzioniranje glede na
padec napetosti. Z električnim dimenzioniranjem preprečimo, da bi napetost na
porabniku bila izven dovolj enega obsega. V primeru, da je dolžina električne
inštalacije daljša od 100 m, lahko dovoljeni padec napetosti povečujemo za 0,005 %
za vsak meter, ki presega 100 m, vendar ne smemo preseči meje 0,5 %.
8
Fakulteta za elektrotehniko
Gregor Merlak, 64080452
Padec napetosti je definiran kot razlika napetosti na začetku in na koncu voda:
Slika 7: Nadomestno vezje vodnika
Izračunamo ga s pomočjo Ohmovega zakona:
Ker sta fazni in nevtralni vodnik enaka
Pri izračunih padcev napetosti se upošteva tudi material vodnika. Končne vrednosti
padcev napetosti nam podajajo najmanjši presek vodnika, da napetost na porabniku
ni manjša od predpisane, ter najdaljšo dovoljeno dolžino vodnika določenega
preseka, da pri dani obremenitvi padec napetosti ne bo prevelik. Dimenzioniranje 3
faznega vodnika poteka enako; 3 faze, trije vodniki ter njihov fazni kot.
Primer izračuna padcev napetosti:

UN = 400 V
r = 0,308 Ω/m
P = 94,2 kW
x = 0,281 Ω/m
Padec napetosti na vodu:
Q = 19,1 kW
L = 20 m
Napetost prvega vozlišča:

UN = 400 V
r = 0,308 Ω/m
P = 86,1 kW
x = 0,281 Ω/m
Padec napetosti na vodu:
Q = 17,5 kW
L = 27 m
Napetost drugega vozlišča:
9
Fakulteta za elektrotehniko
Gregor Merlak, 64080452
Preračun padcev napetosti v procente:
Prvo vozlišče:
Drugo vozlišče:
Mehansko dimenzioniranje in izgube
Mehanske obremenitve vodnikov so odvisne od : Načina polaganja, montaže
vodnikov, velikosti sil ob kratkih stikih in okoljskih razmer. Mehansko trdnost vodnikov
izboljšamo s kombinacijo samega prevodnega materiala v vodniku (Al/Cu) in pa z
dodatnimi izolacijskimi plašči. Velikost sil je lahko kritična e pri zbiralkah v glavnih
razdelilnikih večjih porabnikov. V tem primeru tudi izvajamo mehanske izračune. Pri
vodnikih v električnih inštalacijah mehanskih izračunov ne izvajamo (standardi jih ne
predvidevajo). V standardih so predpisani le najmanjši dovoljeni prerezi vodnikov
glede na material in uporabo, ki zagotavljajo ustrezno mehansko trdnost.
Izgube v inštalaciji so lahko velike (tudi preko10 %), kar pomeni tudi večje stroške.
Izgube lahko zmanjšamo z večjim presekom (manjša upornost), vendar je posledično
investicija večja. Dimenzioniranje vodnikov glede na gospodarnost se izplača
predvsem pri trajno enakomerno obremenjenih vodnikih in napravah z visokimi
obratovalnimi urami.
Izgube v vodniku izračunamo z:
,
za trifazne porabnike:
ali s pomočjo izračunanega procentualnega padca napetosti:
Ko smo izbrali presek vodnika smo s tem izbrali tudi dovoljeni (predvideni) trajni tok.
V kolikor je tok v vodniku večji od tega dovoljenega trajnega toka, govorimo o tokovni
preobremenitvi.
Tokovna
preobremenitev
povzroča
povečano
segrevanje
in
povečane mehanske obremenitve.
10
Fakulteta za elektrotehniko
Gregor Merlak, 64080452
3.2 Načrtovanje vodov
Postavitev voda in daljnovodnih tras je odvisna od lokacij oziroma zemljišč, ki ji
daljnovod prečka. Za vsa ta zemljišča je potrebno dobiti ustrezna dovoljenja,
upoštevati pa je potrebno vsa okoljevarstvena pravila (rastlinje, živali,…). Razmišljati
je potrebno o tem, da nebi zaradi
daljnovodne linije posekali preveč dreves in
posegali v dom živali. Za zelo obremenjene in preobremenjene lokacije v večjih
mestih se po navadi uporabljajo podzemni kablovodi, saj so ta zelo poseljena in je
tako možnost za okvare daljnovodov večja. S podzemnimi kabli je investicija dražja in
oskrba težja, vendar se izognemo težavam s postavljanjem daljnovodov in stebrov
(izgradnja, dovoljenja, …).
Vplivni faktorji za izbiro daljnovodov:

Narava priključenih bremen

Gostota obremenitve določenega območja

Stopnja rasti obremenitve

Potreba po prostoru za interventne operacije

Vrsta in cena zaposlenih delavcev

Vrsta in število vključenih razdelilnih postaj

Vrsta regulacijske opreme

Zahteva po konstantni oskrbi
Napetostne razmere v distribucijskem omrežju lahko izboljšamo z dodatnimi
kapacitivnostmi, ki morajo biti čim bližje bremenu, da priskrbijo večji izkoristek.
Izboljšajo tudi prenosno moč po daljnovodu. Da bi napetostne razmere v
distribucijskem omrežju še izboljšali, je potrebno daljnovode načrtovati v različne
oblike omrežij, ki omogočajo boljšo zanesljivost in dobavo električne energije.
Radialno omrežje
Najenostavnejša, najcenejša in hkrati najpogostejša oblika omrežja je radialna
postavitev vodov. Uporablja se predvsem na NN omrežjih, kjer imamo en sam izvor
napetosti. Slabosti za to omrežje predstavljajo veliki padci napetosti in majhna
obratovalna varnost, kajti ob izpadu napajalne točke ostanejo vsi porabniki brez
električne energije. To omrežje je primerno predvsem tam, kjer so manjše zahteve
porabnikov (podeželje). Cena in oskrba daljnovodov je majhna. Presek vodnika se
skozi omrežje manjša, glede na razdaljo in obremenitev.
11
Fakulteta za elektrotehniko
Gregor Merlak, 64080452
Slika 8: Enopolna shema radialnega omrežja
Zankasto omrežje
Zankasto omrežje predstavlja omrežje kjer se daljnovod začne v točki napajalne
postajein konča v isti točki skozi zanko. Običajno je prerez vodnika skozi celotno
omrežje enaka, načrtovan je tako da prenese svoje normalne obremenitve plus
obremenitve polovice celotne zanke. Tako je lahko v primeru prekinitve voda iz ene
strani porabnik napajan iz druge strani zanke. Uporabljena so energetska stikala ki
omogočajo dodatne preklope v zanki. Zanka je lahko napajana tudi iz več smeri in
virov.
Slika 9: Enopolna shema zankastega omrežja
12
Fakulteta za elektrotehniko
Gregor Merlak, 64080452
4. Osnovni principi načrtovanja omrežja
Načrtovanje sistema je potrebno za pokrivanje naraščajočega povpraševanja po
električni energiji, glede na tehnično in ekonomsko izvedljive spremembe pri
razširjanju distribucijskega omrežja. Čeprav se je v preteklosti izvajalo veliko dela za
uporabo neke vrste sistematičnega pristopa k proizvodnji in načrtovanju prenosnega
omrežja, je bila uporaba sistema za načrtovanje distribucijskega omrežja nekoliko
zanemarjena. Elektrarne bodo vedno bolj potrebovale hitro in cenovno učinkovito
načrtovanje omrežja, glede na posledice različnih alternativ in njihov vpliv na
preostali del sistema, da bi zagotovile porabnikom cenovno ugodno, zanesljivo ter
varno oskrbo z električno energijo.
Slika 10: Enopolna shema primarnega distribucijskega omrežja
Cilj načrtovanja distribucijskega sistema je zagotoviti, da se pokrije celotno
povpraševanje po električni energiji, v smislu povečanja stopnje rasti in visokih
obremenitev. Tudi dodatni dejavniki, kot so pomanjkanje razpoložljivih zemljišč v
mestih ter ekološki razlogi, lahko povzročajo težave, ki zmanjšujejo možnosti
reševanja problemov brez podpore človeškega uma. Načrtovalci distribucijskega
13
Fakulteta za elektrotehniko
Gregor Merlak, 64080452
sistema mora določiti velikost obremenitve in njegovo geografsko lokacijo.
Transformatorska postaja mora biti postavljena in dimenzionirana tako , da pokrije
vso obremenitev pri največjem možnem izkoristku ter zmanjša stroške izgradnje.
Distribucijski sistem je še posebej pomemben za elektrarne iz dveh razlogov :

Njegove bližine do končnega kupca

Visokih investicijskih stroškov
Glede na to, da je distribucijski sistem najbližji končnim porabnikom, njegovi problemi
najbolj vplivajo na zahteve porabnikov. Zahteve, vrsta , faktor obremenitve in druge
značilnosti obremenitve narekujejo vrsto zahtevanega distribucijskega sistema.
Obremenitve
distribucijskega
sistema
določajo
velikost
lokacije
in
položaj
transformatorskih postaj, kot tudi število in dolžine daljnovodov.
14
Fakulteta za elektrotehniko
Gregor Merlak, 64080452
5. Vplivni faktorji
Na načrtovanje omrežja in posledično tudi na načrtovanje in dimenzioniranje vodov
vplivajo različni bremenski in podobni faktorji, ki podajajo določene parametre, ki se
jih želimo držati. Poglejmo si nekaj spodaj naštetih faktorjev:
5.1 Faktor porabe
Faktor porabe je razmerje med največjo porabo v sistemu in skupno priključeno moč
sistema . Najpogosteje se uporablja v povezavi z potrošniškimi storitvami in ne za
celotno distribucijsko omrežje.
5.2 Faktor izkoriščenosti
Faktor izkoriščenosti predstavlja razmerje med največjo porabo v sistemu in
nazivnimi kapacitetami sistema. Prikazuje stopnjo obremenitve sistema pri vršni
obremenitvi, glede na nazivne kapacitete (mogoča proizvodnja)
5.3 Faktor obremenitve
Faktor obremenitve je razmerje med povprečnimi in vršnimi obremenitvami tekom
določenega obdobja. V osnovi prikazuje določeno obdobje kjer je izpostavljena vršna
obremenitev.
15
Fakulteta za elektrotehniko
Gregor Merlak, 64080452
5.4 Faktor raznolikosti
.Faktor raznolikosti je razmerje med vsoto individualne maksimalne porabe različnih
delov sistema ter maksimalne porabe celotnega sistema. Vsota posameznih vršnih
obremenitev bo večja kot vršna obremenitev sestavljenega sistema. Faktor
raznolikosti je ključni faktor za ekonomsko dimenzioniranje sistema.
5.5 Faktor izgub
Faktor izgub je razmerje med povprečnimi in vršnimi izgubami moči v določenem
časovnem obdobju
16
Fakulteta za elektrotehniko
Gregor Merlak, 64080452
6. Literatura

Turan Gonen: Electric Power Distribution System Engineering, Second Edition
(2007)

Distribucija električne energije : http://marjan.fesb.hr/~rgoic/dm/skriptaDM.pdf

Distribucijske elektroenergetske mreže :
http://www.riteh.uniri.hr/zav_katd_sluz/zee/nastava/svel/eem/download/16dio.
pdf

Transmission and Distribution Electrical Engineering, Third Edition (2007):
Distribution Planning

Wikipedija (distribucijska omrežja, daljnovodi, …) : http://sl.wikipedia.org

Grega Bizjak: Dimenzioniranje vodnikov, http://lrf.fe.uni-lj.si/e_eir/eir03i.pdf
17
Fakulteta za elektrotehniko
Gregor Merlak, 64080452