Więcej tutaj

Marek Szadkowski
Politechnika Śląska, Instytut Elektroenergetyki i Sterowania Układów
Siły zwarciowe naraŜające izolatory wsporcze WN
Streszczenie. Jednym z istotnych naraŜeń izolatorów wsporczych WN, które naleŜy brać pod uwagę w procesie projektowania rozdzielni są
obciąŜenia mechaniczne spowodowane przepływem prądów zwarciowych (naciągi zwarciowe). ObciąŜenia te zaleŜą od duŜego zbioru parametrów
konstrukcyjnych i prądowych opisujących daną konstrukcję. W referacie autor zamierza przybliŜyć te zagadnienia oraz zaprezentować wyniki analizy
wpływu wybranych parametrów na zwarciowe siły dynamiczne w wybranych rozwiązaniach konstrukcyjnych przęseł rozdzielni.
Summary. One of significant exposure of support insulators, which should be taken into consideration in the design process relating to a substation,
are mechanical loads caused by flow of short-circuits currents (short-circuit tensions). These loads depends on numerous set of constructional and
current parameters describing a given construction. Author is going to approach these problems and to present result of the analysis relating to
influence of selected parameters on dynamic short-circuit forces in chosen constructional solutions of spans in the substation. (Short-circuit forces
affecting support insulators HV)
Słowa kluczowe: wysokie napięcie, izolator wsporczy, siły zwarciowe, naciąg dynamiczny.
Keywords: high voltage, support insulator, short-circuit forces, dynamic tension.
Wstęp
Warunki zwarciowe w stacjach elektroenergetycznych
charakteryzuje się za pomocą parametrów prądu
zwarciowego. Podstawowym parametrem branym pod
uwagę przy projektowaniu jest prąd zwarciowy początkowy
Ik” oraz w przypadku przęseł z oszynowaniem giętkim prąd
zwarciowy początkowy Ik2”, obliczone w najbardziej
niekorzystnych dla rozdzielni warunkach zwarciowych. Przy
projektowaniu polskich rozdzielni WN i NN przyjmuje się
obecnie poziom prądu zwarciowego Ik” równy 40 kA
(Ik2”=34,6 kA). Przy zwarciach trójfazowych występują
zazwyczaj największe skutki dynamiczne prądów
zwarciowych ale wychylenia połączeń w przęsłach z
przewodami giętkimi są najbardziej niekorzystne w
przypadku zwarć dwufazowych [2,3,4,5,6]. Zwarcia
jednofazowe nie powodują skutków dynamicznych w
przęsłach z oszynowaniem sztywnym, natomiast w
przęsłach z wiązkowymi przewodami giętkimi przy zwarciu
jednofazowym występują skutki dynamiczne w jednej fazie
zwartej (podobnie jak przy zwarciu dwu- i trójfazowym)
spowodowane sklejeniem się przewodów w wiązce (tzw.
„pinch effect”). Jednym ze skutków dynamicznych prądu
zwarciowego który naleŜy uwzględniać przy doborze
konstrukcji i izolatorów wsporczych oraz oszynowania w
rozdzielniach WN i NN są zmienne w czasie tzw. siły
zwarciowe. Pod pojęciem sił zwarciowych naleŜy w
niniejszym artykule rozumieć wszelkie siły wywołane
przepływem
przez
oszynowanie
przęseł
prądu
zwarciowego, które wywołują ruch oszynowania, osprzętu,
konstrukcji wsporczych i izolatorów. W rozdzielniach
konwencjonalnych stosowane jest oszynowanie sztywne
(rury) umieszczane na izolatorach wsporczych oraz
oszynowanie giętkie (najczęściej przewody AFL-8 525)
zawieszane odciągowo między konstrukcjami wsporczymi
(przęsła wysokie i długie) oraz między wyposaŜoną w
izolatory wsporcze aparaturą rozdzielczą i pomiarową
(przęsła niskie i krótkie).
W Polsce nie istnieją statystyki umoŜliwiające określenie
ilości izolatorów wsporczych WN i NN uszkadzanych w
ciągu
roku
siłami
zwarciowymi.
Istnieją
jednak
udokumentowane przypadki takich uszkodzeń. Takim
przypadkiem jest uszkodzony pod koniec 2003 roku izolator
w stacji Brynów (rys. 1a). W jednej ze stacji
elektroenergetyczny rejonu Chorzów zostało uszkodzonych
kilka izolatorów w wyniku zwarcia wewnątrz rozdzielni (rys.
1b). Na początku 2004 roku został uszkodzony w wyniku
przepływu prądu zwarciowego izolator na stacji w
Miasteczku (rys.1c).
a)
b)
c)
Rys. 1. Przykłady izolatorów uszkodzonych siłami zwarciowymi
a) izolator w stacji Brynów (koniec 2003 r.), b) jeden z izolatorów na
jednej ze stacji rejonu Chorzów, c) izolator na stacji w Miasteczku
Na rysunku 2 pokazano moment uszkadzania izolatora
wsporczego w chwili przepływu przez oszynowanie prądu
zwarciowego.
Rys. 2. Moment uszkadzania izolatora wsporczego w chwili
przepływu przez oszynowanie prądu zwarciowego [10]
Siły zwarciowe w przęsłach z oszynowaniem sztywnym
Zjawiska zaprezentowane na rysunku 2 mogą być w
dobie współczesnej techniki komputerowej bez problemu
symulowane na komputerach [8, 9]. W Instytucie
Elektroenergetyki i Sterowania Układów Politechniki
Śląskiej
stworzono
programy
umoŜliwiające
takie
symulacje. Prezentowane w niniejszym artykule wyniki
analiz są efektem tych symulacji. W czasie zwarcia
trójfazowego na oszynowanie sztywne działają siły, których
przebieg ilustruje rysunek 3. W przewodach faz skrajnych
siły są wzajemnie przeciwnie skierowane i mają przebieg
pulsujący praktycznie jednokierunkowy na zewnątrz
przęsła. Siły te powodują znacznie większą strzałkę ugięcia
szyn sztywnych na zewnątrz niŜ do środka przęsła.
przęśle (tab. 1). Najmniej korzystne jest mocowanie
sztywne i więcej niŜ dwa podprzęsła.
Fz [N]
14000
F d [N]
12000
10000
a)
]
8000
[N
x
a
m
s
F 6000
4000
t [ms]
2000
Fz [N]
0
1
b)
2
2,5
3
3,5
a [m]
4
5
6
Rys. 5. Wpływ odstępu między fazami na siły zwarciowe działające
na izolatory wsporcze w prześle z oszynowaniem rurowym
t [ms]
Fz [N]
6000
Fd [N]
5000
]
N
[
c)
x
a
m
s
4000
3000
F
2000
1000
t [ms]
Rys. 3. Przebieg w czasie tzw. sił zwarciowych w oszynowaniu
rurowym: a) faza L1; b) faza L2; c) faza L3
Długość przęsła L=20 m, odstęp między fazami a = 2,5 m, czas
trwania zwarcia Tk = 0,1 s, prąd zwarciowy Ik” = 40 kA
W przewodzie fazy środkowej największa wartość chwilowa
siły występuje w pierwszym okresie prądu zwarciowego,
natomiast w stanie ustalonym siła w tym przewodzie ma
charakter przemienny o wartości średniej bliskiej zeru.
Efektem tego jest znacznie mniejsza i bardziej wyrównana
w obie strony strzałka ugięcia przewodu środkowego.
Pokazane na rysunku 3 siły wywołują takŜe momenty
zginające izolatorów wsporczych, zmieniające się z
częstotliwością drgań własnych przewodów szynowych. Po
przekroczeniu wytrzymałości na zginanie izolator moŜe ulec
uszkodzeniu (rys. 2). Wartość sił zwarciowych działających
na oszynowanie i izolatory wsporcze w przęsłach z
oszynowaniem sztywnym zaleŜy od pokaźnego zbioru
parametrów. Wpływ niektórych z nich na siły zwarciowe
pokazano na rysunkach 4÷6 dla przęsła z oszynowaniem
rurowym o parametrach początkowych: długości 20 m,
odstępie między fazami 2,5 m, czasie trwania zwarcia 0,1 s
i prądzie zwarciowym początkowym 40 kA (dla zwarcia
trójfazowego).
9000
Fd [N]
8000
7000
6000
]
N
[ 5000
x
a
m
s 4000
F
3000
2000
1000
0
5
10
15
20
25
Ik" [kA]
30
35
40
50
Rys. 4. Wpływ wartości prądu zwarciowego początkowego na
wartość maksymalnej siły zwarciowej działającej na izolatory
wsporcze w przęśle z oszynowaniem rurowym
Istotny wpływ na siły zwarciowe naraŜające izolatory
wsporcze w przęsłach z oszynowaniem rurowym ma
sposób mocowania rur do izolatorów i ilość podprzęseł w
0
5
7,5
10
12,5
l [m]
15
17,5
20
Rys. 6. Wpływ długości przęsła na siły zwarciowe działające na
izolatory wsporcze w przęśle z oszynowaniem rurowym
Tabela 1. Wpływ sposobu mocowania oszynowania sztywnego na
izolatory wsporcze
Rodzaj połączenia lub ilość przęseł
Fz [N]
Mocowanie obustronnie przegubowe
3692
Mocowanie sztywne/przegubowe
5217/3130
Mocowanie obustronnie sztywne
5151
Dwa przęsła (i. skrajne/i. przelotowe)
10433/3130
Trzy i więcej przęseł (i. skrajne/i. przelotowe)
11331/4121
Długość przęsła L=20 m, odstęp między fazami a = 2,5 m,
czas trwania zwarcia Tk = 0,1 s, prąd zwarciowy Ik” = 40 kA
Siły zwarciowe w przęsłach z oszynowaniem giętkim
Skutki dynamiczne prądów zwarciowych w przęsłach z
oszynowaniem giętkim są bardziej złoŜone niŜ w przęsłach
z oszynowaniem sztywnym. Mogą tu bowiem występować
znaczne ruchy przewodów co skutkuje pojawieniem się
zmiennych w czasie sił naciągu (rys. 9 i 11) będących
wynikiem zmiany odległości oddziałujących na siebie
przewodów oraz energii kinetycznej i potencjalnej
poruszających się mas przewodów. Siły te przenoszone na
izolatory i konstrukcje wsporcze mogą być przyczyną ich
uszkodzenia. Zjawiska te są szczególnie niebezpiecznie w
przęsłach długich (wysokich). W połączeniach między
aparaturą rozdzielczą i pomiarową, których długość zwykle
nie przekracza 10 m, występują zjawiska podobne do
zjawisk w połączeniach między konstrukcjami wsporczymi.
Jednak tutaj ze względu na małe zwisy ruchy przewodów
są ograniczone, natomiast naciągi zwarciowe mogą
uszkodzić aparaturę i izolatory wsporcze. Przebieg w czasie
siły elektromagnetycznej wywołującej ruch przewodów
pokazano na rysunku 7. Widoczny na tym rysunku wykres
siły uzyskano dla przęsła o długości l=5,8 m, odstępie
miedzy fazami a=3,5 m, prądu zwarciowego Ik”=40 kA,
naciągu statycznego przewodów Fst=1500 N i czasu trwania
zwarcia Tk=0,1 s. Prezentowane dalej wyniki dotyczą tego
samego przęsła. Siła elektromagnetyczna (rys. 7) wywołuje
drgania przewodów (rys. 8), których efektem są zmienne w
czasie zwarciowe siły naciągu (rys. 9), działające z
częstotliwością od 1 do kilku Hz na izolatory wsporcze i
aparaturę.
Fem [s]
Tk [s]
Rys. 7. Siła elektromagnetyczna Fem w funkcji czasu trwania
zwarcia Tk
„okresowości” zwarciowych sił naciągu. Zastąpienie w tym
przypadku
izolatorów
ceramicznych
izolatorami
kompozytowymi
nie
jest
wskazane.
Przyczyną
zwiększonego wychylenia przewodów w przypadku przęseł
krótkich z oszynowaniem giętkim oraz większych wartości
sił zwarciowych - zarówno w przypadku większości przęseł
krótkich z oszynowaniem giętkim oraz przęseł z
oszynowaniem sztywnym - jest nieudany SPZ.
Rys. 10. Trajektoria drgań przewodu w środku przęsła w wyniku
przepływu prądu zwarciowego w przęśle z izolatorami
kompozytowymi
Fsma x [s]
Tk [s]
Rys 8. Trajektoria drgań przewodu w środku przęsła w wyniku
przepływu prądu zwarciowego w przęśle z izolatorami
ceramicznymi
Fsma x [N]
Tk [s]
Rys. 9. Przebieg w czasie zwarciowej siły naciągu przewodu w
przęśle z izolatorami ceramicznymi
Widoczne na rysunkach 8 i 9 efekty uzyskano dla sytuacji
gdy przewody przymocowano do izolatorów wsporczych
ceramicznych. Po zamianie tych izolatorów na izolatory
kompozytowe trajektoria drgań przewodów (rys. 10) i
przebieg w czasie zwarciowych sił naciągu (rys. 11)
wyraźnie się zmieniły. Amplituda wychylenia przewodów
zwiększyła się. Zwiększeniu uległa takŜe amplituda
zwarciowych sił naciągu. Porównując rysunki 9 i 11
nietrudno równieŜ zauwaŜyć zmianę częstotliwości i
Rys 11. Przebieg w czasie zwarciowej siły naciągu przewodu w
przęśle z izolatorami kompozytowymi
Maksymalna wartość zwarciowych sił naciągu w przęsłach
krótkich zaleŜy od pokaźnego zbioru parametrów. W
przypadku takich parametrów jak wartość prądu
zwarciowego, długość przęsła czy statyczny odstęp między
fazami zaleŜność ta w przęsłach krótkich z oszynowaniem
giętkim jest podobna (rys. 12, 13 i 14) jak w przypadku
przęseł z oszynowaniem sztywnym.
20000
18000
16000
14000
]
12000
[N
x 10000
a
m
s
F 8000
6000
4000
2000
0
Fsmax [N]
5
10
20
30
40
50
60
80
90
Ik" [kA]
Rys. 12. ZaleŜność maksymalnej zwarciowej siły naciągu w przęśle
krótkim od wartości prądu zwarciowego
W przypadku przęseł krótkich z oszynowaniem giętkim
komentarza wymaga zaleŜność maksymalnej zwarciowej
siły naciągu od statycznej siły naciągu (rys. 15).
12000
Fsmax [N]
10000
] 8000
N
[
x 6000
a
sm
wiązkowy skutkuje w przypadku tego samego przęsła
wzrostem zwarciowych sił naciągu o co najmniej 10 %.
W przęsłach z przewodami wiązkowymi oprócz zmiennych
w czasie zwarciowych sił naciągu naleŜy brać pod uwagę
takŜe udarowe siły naciągu będące wynikiem „sklejenia się”
przewodów w wiązce (rys. 16) w czasie przepływu prądu
zwarciowego. Skrócenie przewodu wiązkowego i nagłe
zwiększenie naciągu przewodów w wyniku ich sklejenia się
nazywane jest „pinch effectem”.
F 4000
a)
b)
2000
0
1,5
2
2,5
3
3,5
a [m]
4
4,5
5
6
Rys. 13. ZaleŜność maksymalnej zwarciowej siły naciągu w przęśle
krótkim od odległości między fazami
10000
9000
8000
7000
]
6000
[N
x 5000
a
m
s
F 4000
3000
2000
1000
0
Fsmax [N]
Rys. 16. Fragment wiązki dwuprzewodowej w stanie normalnym a)
i przy przepływie prądu zwarciowego b)
Naciąg spowodowany „pinch effectem” moŜe być w
przęsłach długich nawet dziesięć razy większy niŜ naciąg
statyczny przewodów. W przęsłach krótkich naciąg
związany z „pinch effectem” jest najczęściej ok. dwukrotnie
większy niŜ naciąg statyczny (rys. 17) jeŜeli odstęp między
przewodami w wiązce jest nie większy niŜ 20 cm.
1,61
F pi/Fs
1,605
1,6
s 1,595
2
3
4
5
6
7
8
9
F
/w
10
i2
p
F
l [m]
Rys. 14. ZaleŜność maksymalnej zwarciowej siły naciągu w przęśle
krótkim od długości przęsła
1,59
1,585
1,58
1,575
9
Fsmax/Fs
1,57
500
1000
8
1500
2000
2500
3000
Fs [N]
Rys. 17. ZaleŜność siły naciągu spowodowanej „pinch effectem” od
statycznej siły naciągu
7
6
s
F
/x 5
Odległość między przewodami w wiązce w istotny sposób
wpływa na wielkość sił spowodowanych „pinch effectem”.
Im większy ten odstęp tym siły większe (rys. 18).
a
sm4
F
3
2
12000
1
Fpi [N]
10000
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Fs [N]
Rys. 15. ZaleŜność maksymalnej zwarciowej siły naciągu w przęśle
krótkim od statycznej siły naciągu
W poradnikach, z których korzystają projektanci rozdzielni
WN i NN moŜna przeczytać [1], Ŝe znamionowa
wytrzymałość mechaniczna izolatorów wsporczych powinna
być co najmniej 2,5-krotnie większa niŜ długotrwałe
obciąŜenie statyczne. Niektórzy projektanci stosując tę
zasadę zapominają o określeniu „co najmniej” i popełniają
błędy przy doborze izolatorów. Z rysunku 15 wyraźnie
wynika, Ŝe naciągi zwarciowe w przęsłach krótkich z
oszynowaniem giętkim są 2,5-krotnie większe od
statycznych naciągów tylko w przypadku duŜych naciągów
statycznych. Przy słabych naciągach (np. 1 kN), które
zdarzają się w rozdzielniach 110 kV, zwarciowa siła
naciągu moŜe być nawet 5-krotnie i więcej większa niŜ
statyczna siła naciągu.
W rozdzielniach o napięciu znamionowym 220 kV i
wyŜszym zamiast przewodów pojedynczych stosuje się do
budowy przęseł z oszynowaniem giętkim przewody
wiązkowe. Zamiana przewodu pojedynczego na przewód
] 8000
[N
2w 6000
Fsmax
i
p
F
4000
2000
0
0,1
0,15
0,2
0,3
0,4
as [m]
Rys. 18. ZaleŜność siły naciągu spowodowanej „pinch effectem” od
odległości między przewodami w wiązce
W analizowanym przypadku przy odstępie między
przewodami w wiązce większym niŜ 30 cm siła
spowodowana „pinch effectem” moŜe być większa od
zwarciowej siły naciągu spowodowanej drganiem
przewodów.
W przypadku przewodów wiązkowych stosowanych do
budowy przęseł w rozdzielniach WN i NN naleŜy zwrócić
takŜe uwagę na kwestię stosowania czy nie stosowania
odstępników. W polskiej praktyce projektowej dąŜy się do
nie stosowania albo stosowania jak najmniejszej liczby
odstępników w przewodach wiązkowych aby ograniczyć
naciągi spowodowane „sklejeniem się” przewodów w
wiązce. Takie podejście jest właściwe w przypadku długich
przęseł (powyŜej 30 m). W większości rozdzielni polskich
gdzie przęsła są rzadko tak długie a tym bardziej w
przypadku przęseł krótkich stosowanie odstępników i to
czasami wielu jest jak najbardziej uzasadnione poniewaŜ
nie tylko, Ŝe nie zwiększa to ale wręcz przeciwnie zmniejsza
wielokrotnie siły naciągu spowodowane „pinch effectem”
(tab. 2).
Tabela 2. Wpływ ilości odstępników na naciąg spowodowany
„pinch effectem”
Ilość odstępników w
Wartość siły od „pinch effect”
przewodzie wiązkowym
Fpi [N]
0
9958
1
6795
2
5115
3
4143
Podsumowanie
Przyjmowane obecnie w procesie projektowania
rozdzielni WN i NN poziomy prądów zwarciowych
determinują konieczność uwzględniania nie tylko skutków
cieplnych ale takŜe dynamicznych prądu zwarciowego.
Odpowiednie zapisy zawarte w normie PN-EN 60865
wyraźnie do tego obligują. Przy czym waŜna jest analiza
skutków dynamicznych prądu zwarciowego nie tylko w
przypadku przęseł z oszynowaniem sztywnym ale takŜe w
przypadku przęseł z oszynowaniem giętkim. Istniejące
obecnie algorytmy obliczeniowe powodują, Ŝe wspomniane
analizy moŜna wykonywać szybko i z dość duŜym
prawdopodobieństwem
wiarygodności
uzyskiwanych
wyników. Istniejący aparat obliczeniowy (w tym programy
komputerowe) został bowiem wielokrotnie zweryfikowany w
oparciu o wyniki uzyskiwane na drodze pomiarów
eksperymentalnych.
LITERATURA
[1] Nartowski Z.: Stacje elektroenergetyczne 110-750 kV, WNT
Warszawa 1984.
[2] Szadkowski M.: Układ izolacyjny szyn giętkich rozdzielni WN i
NN w warunkach przepływu prądu zwarciowego, Przegląd
Elektrotechniczny v.3 nr 1/2 2005 r ss. 272-275.
[3] Szadkowski M.: Izolacja powietrzna szyn giętkich rozdzielni
WN i NN w warunkach przepływu prądu zwarciowego,
Przegląd Elektrotechniczny nr 1 2006 r ss. 248-251.
[4] Szadkowski M.: Szacowanie odstępów powietrznych w
rozdzielniach WN i NN w warunkach zwarcia, Przegląd
Elektrotechniczny nr 3/2007 ss. 228-231.
[5] Szadkowski M.: Prosta metoda szacowania skutków
mechanicznych prądu zwarciowego w oszynowaniu giętkim
rozdzielni WN, ZN Pol. Śląskiej „Elektryka” nr 1629, z. 189,
Gliwice 2004, ss. 155 – 164.
[6] Szadkowski M.: Porównanie prostych metod szacowania
skutków mechanicznych prądu zwarciowego w oszynowaniu
giętkim rozdzielni WN i NN, ZN Pol. Śl. „Elektryka” z. 1 (201),
Gliwice 2007, ss 77-96.
[7] Szadkowski M.: Symulacja komputerowa zachowania się
przęsła
rozdzielni
WN
wyposaŜonego
w
układ
bezwładnościowy, w warunkach zwarcia, Mat. IX Konf. Nauk.Techn. „Zastosowanie komputerów w elektrotechnice – ZkwE
2004, Poznań/Kiekrz 2004, ss. 207-210.
[8] Szadkowski M.: Komputerowe wspomaganie projektowania
szyn sztywnych w rozdzielnicach. Mat. X Konf. Nauk.-Techn.
„Zastosowanie komputerów w elektrotechnice – ZkwE 2005,
Poznań 2005, ss. 225-226.
[9] Szadkowski M.: Komputerowe wspomaganie projektowania
oszynowania giętkiego przęseł rozdzielni WN i NN. Mat. XI
Konf.
Nauk.-Techn.
„Zastosowanie
komputerów
w
elektrotechnice – ZkwE 2006, Poznań 2006, ss. 215-216.
[10] www.youtube.com
Autor: dr inŜ. Marek Szadkowski, Politechnika Śląska, Instytut
Elektroenergetyki i Sterowania Układów, ul. Krzywoustego 2, 44100 Gliwice, E-mail: [email protected]