4 Načrtovanje vodov v ditribucijskem omrežju
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