ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «Μελέτη της κατανομής του ηλεκτρικού πεδίου σε εναέριες Γραμμές Μεταφοράς Υψηλής Τάσης 150kV» Καμπούρης Κ. Αστέριος Επιβλέπων καθηγητής Π.Ν.Μικρόπουλος Θεσσαλονίκη, Ιούνιος 2014 2 Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη της κατανομής του ηλεκτρικού πεδίου γύρω από την επιφάνεια των αγωγών δύο τυπικών Γραμμών Μεταφοράς 150kV του Ελληνικού Συστήματος Μεταφοράς Ηλεκτρικής ενέργειας μέσω του λογισμικού Comsol Multiphysics. Οι μέγιστες τιμές του ηλεκτρικού πεδίου στην εξώτατη επιφάνεια των αγωγών συσχετίζονται με την έναυση και τις απώλειες ισχύος της εκκένωσης κορώνα στις γραμμές μεταφοράς και εξαρτώνται από τη γεωμετρία της γραμμής. Στο πρώτο κεφάλαιο αναφέρονται κάποιες βασικές έννοιες για το ελληνικό σύστημα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, τις Γραμμές Μεταφοράς αλλά και τους αγωγούς σύμφωνα με τις προδιαγραφές της ΔΕΗ. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται το ηλεκτρικό πεδίο των γραμμών μεταφοράς και η εκκένωση κορώνα και γίνεται ο θεωρητικός υπολογισμός του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια των αγωγών σε Γ.Μ. Στο τρίτο κεφάλαιο αναλύεται η διαδικασία προσομοίωσης των δύο εναέριων γραμμών μεταφοράς 150kV μέσω του λογισμικού Comsol Multiphysics. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρατίθενται όλες οι περιπτώσεις μελέτης της κατανομής του ηλεκτρικού πεδίου γύρω από τους αγωγούς των Γραμμών Μεταφοράς και δίνονται οι σχετικοί πίνακες και διαγράμματα. Στο πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της διπλωματικής εργασίας και προτείνονται ιδέες για περαιτέρω μελέτη. 3 4 Πρόλογος Η εκπόνηση της παρούσας διπλωματικής εργασίας πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο Υψηλών Τάσεων του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Το αντικείμενο που πραγματεύεται είναι η μελέτη της κατανομής του ηλεκτρικού πεδίου γύρω από την επιφάνεια των αγωγών δύο τυπικών ελληνικών Γραμμών Μεταφοράς 150kV. Στο σημείο αυτό, θέλω να ευχαριστήσω θερμά τον καθηγητή του τμήματος κ. Π.Ν Μικρόπουλο για την επίβλεψη της εργασίας, την άψογη συνεργασία και προθυμία που επέδειξε καθ’ όλη τη διάρκεια της εκπόνησης, καθώς και την εμπιστοσύνη που μου επέδειξε αναθέτοντάς μου ένα τόσο ενδιαφέρον θέμα. Θέλω να ευχαριστήσω εξίσου θερμά, τον υποψήφιο διδάκτορα Βασίλειο Ζαγκανά για την πολύτιμη βοήθεια που μου προσέφερε, την υποστήριξη, την υπομονή και τη συνεχή καθοδήγησή του. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένειά μου και ιδιαίτερα την αδερφή μου Ζωή, διπλωματούχο Ηλεκτρολόγο Μηχανικό, που σε όλη τη διάρκεια εκπόνησης της παρούσας διπλωματικής ήταν κοντά μου και με υποστήριξε με το δικό της τρόπο. 5 6 Περιεχόμενα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (ΕΣΜΗΕ) .......9 1.1 ΓΕΝΙΚΑ ..........................................................................................................9 1.2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΕΣΜΗΕ .............................................................................10 1.3 ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ (ΓΜ) ....................................................................14 1.3.1 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Γ.Μ..........................................................17 1.4 ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 150 kV .................................................................27 1.5 ΑΓΩΓΟΙ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ..............................................................29 1.5.1 ΠΡΟΔΙΑΓΡΑΦΗ TR-2 ΤΩΝ ΑΓΩΓΩΝ ....................................................30 1.5.2 ΑΓΩΓΟΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ..........................................................................32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΠΕΔΙΟ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ.............................................34 2.1 ΓΕΝΙΚΑ ........................................................................................................34 2.2 ΕΚΚΕΝΩΣΗ ΚΟΡΩΝΑ ...................................................................................38 2.2.1 ΓΕΝΙΚΑ ...............................................................................................38 2.2.2 ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΥΝΟΟΥΝ ΤΗΝ ΕΜΦΑΝΙΣΗ ΤΗΣ .............................. ΕΚΚΕΝΩΣΗΣ ΚΟΡΩΝΑ ............................................... …………………………… 39 2.3 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΕΝΤΑΣΗΣ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ .................... ΠΕΔΙΟΥ ΣΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΤΩΝ ΑΓΩΓΩΝ ....................................................47 2.3.1 ΓΕΝΙΚΑ ...............................................................................................47 2.3.2 ΘΕΩΡΗΣΗ ΜΟΝΟΥ ΑΓΩΓΟΥ ΠΑΝΩ ΑΠΟ ΓΕΙΩΜΕΝΟ ΕΠΙΠΕΔΟ .........50 2.3.3 ΘΕΩΡΗΣΗ ΠΟΛΛΩΝ ΑΓΩΓΩΝ ΠΑΝΩ ΑΠΟ ΓΕΙΩΜΕΝΟ ΕΠΙΠΕΔΟ .......51 2.3.4 ΘΕΩΡΗΣΗ ΔΕΣΜΗΣ ΑΓΩΓΩΝ ΠΑΝΩ ΑΠΟ ΓΕΙΩΜΕΝΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ........53 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΜΕ ΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ COMSOL MULTIPHYSICS ...................57 3.1 ΓΕΝΙΚΑ ........................................................................................................57 3.2 ΠΑΡΑΔΟΧΕΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ...................................................................58 3.3 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΑΓΩΓΟΥ ACSRLINNET 336.4 MCM ...................................60 3.4 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΓΡΑΜΜΗΣ 150kV (τύπος S4) ....................................68 3.4.1 ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ (ΦΑΣΗ R) .............................68 3.4.2 ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ (ΦΑΣΕΙΣ S,T)................................76 3.5 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΓΡΑΜΜΗΣ 150kV (τύπος S2) ....................................79 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ................................................................83 7 4.1 ΓΡΑΜΜΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 150kV (ΤΥΠΟΣ S4) ................................................83 4.1.1 ΑΓΩΓΟΣ ΦΑΣΗΣ R ..............................................................................83 4.1.2 ΑΓΩΓΟΣ ΦΑΣΗΣ S ...............................................................................87 4.1.3 ΑΓΩΓΟΣ ΦΑΣΗΣ T ...............................................................................89 4.1.4 ΑΓΩΓΟΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ SW .................................................................91 4.2 ΓΡΑΜΜΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 150kV (ΤΥΠΟΣ S2) ................................................94 4.2.1 ΑΓΩΓΟΣ ΦΑΣΗΣ R ..............................................................................94 4.2.2 ΑΓΩΓΟΣ ΦΑΣΗΣ S ..............................................................................96 4.2.3 ΑΓΩΓΟΣ ΦΑΣΗΣ T ..............................................................................98 4.3 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΠΕΔΙΟ ΣΤΗΝ ΟΝΟΜΑΣΤΙΚΗ ΤΑΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ (150kV) ......101 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ......................................................................................103 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ …………………………………………………………………………………………………………….105 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ..........................................................................................109 8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (ΕΣΜΗΕ) 1.1 ΓΕΝΙΚΑ Το Ελληνικό Σύστημα Μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΕΣΜΗΕ) αποτελείται από το Διασυνδεδεμένο Σύστημα του ηπειρωτικού τμήματος της χώρας και των διασυνδεδεμένων με αυτό νησιών στα επίπεδα υψηλής (150kV και 66kV) και υπερυψηλής τάσης 400kV. Το δίκτυο υπογείων (Υ/Γ) καλωδίων υψηλής τάσης που εξυπηρετεί ακτινικά τις ανάγκες της χώρας είναι στην αρμοδιότητα του Διαχειριστή του Δικτύου, ο οποίος είναι υπεύθυνος για τον προγραμματισμό της ανάπτυξής του. Ο Διαχειριστής του Ελληνικού Συστήματος Μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΑΔΜΗΕ), σύμφωνα με τις προβλέψεις του Ν.4001/2011, λειτουργεί, εκμεταλλεύεται, συντηρεί και αναπτύσσει το Ελληνικό Σύστημα Μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΕΣΜΗΕ). Αντικειμενικός στόχος του σχεδιασμού του ΕΣΜΗΕ είναι η ικανοποίηση κατά τρόπο ασφαλή, αξιόπιστο, οικονομικά αποδοτικό και περιβαλλοντικά αποδεκτό, των αναγκών μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας με εύλογες παραδοχές κατανομής της παραγωγής και των εισαγωγών για τις ώρες μέγιστης και ελάχιστης ζήτησης. Κύριο χαρακτηριστικό του Ελληνικού Διασυνδεδεμένου Συστήματος είναι η μεγάλη συγκέντρωση σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στο βόρειο τμήμα της χώρας (Δυτική Μακεδονία, περιοχή Πτολεμαΐδας), ενώ το κύριο κέντρο κατανάλωσης βρίσκεται στο Νότιο τμήμα (περιοχή Αττικής). Δεδομένου ότι και οι διεθνείς διασυνδέσεις με Βουλγαρία και ΠΓΔΜ είναι στο Βορρά, υπάρχει μεγάλη γεωγραφική ανισορροπία μεταξύ παραγωγής και φορτίων. Το γεγονός αυτό οδηγεί στην ανάγκη μεταφοράς μεγάλων ποσοτήτων ισχύος κατά το γεωγραφικό άξονα Βορρά-Νότου, η οποία εξυπηρετείται κυρίως από μία κεντρική γραμμή μεταφοράς (Γ.Μ.) 400kV αποτελούμενη από τρεις γραμμές μεταφοράς διπλού κυκλώματος 400kV. Οι γραμμές αυτές συνδέουν το κύριο κέντρο παραγωγής (Δυτική Μακεδονία) με τα κέντρα υπερυψηλής τάσης (ΚΥΤ) . 9 1.2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΕΣΜΗΕ [1] Το ελληνικό σύστημα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας αποτελείται από τα παρακάτω στοιχεία, τα οποία απεικονίζονται στην εικόνα 1: I. Υποσταθμοί ΥΤ/ΜΤ II. Κέντρα υπερυψηλής τάσεως (ΚΥΤ) III. Συσκευές αντιστάθμισης άεργου ισχύος IV. Διεθνείς διασυνδέσεις V. Γραμμές Μεταφοράς (Γ.Μ.) Στο κεφάλαιο αυτό, γίνεται μία συνοπτική παρουσίαση των κυριότερων συνιστωσών του υφιστάμενου ΕΣΜΗΕ κατά κατηγορία. Οι Γ.Μ. περιγράφονται αναλυτικά στο επόμενο κεφάλαιο. ΕΙΚΟΝΑ 1 Περιγραφή του ΕΣΜΗΕ [1]. 10 I. ΥΠΟΣΤΑΘΜΟΙ 150kV/MT Σύμφωνα με τα στοιχεία που λήφθηκαν από τον ΑΔΜΗΕ[1], στο ΕΣΜΗΕ είναι σήμερα διασυνδεδεμένοι: 205 Υ/Σ υποβιβασμού 150kV/MT της ΔΕΗ Α.Ε. 39 Υ/Σ για την υποδοχή της ισχύος μονάδων ΑΠΕ. Υ/Σ ανυψώσεως ΜΤ/150kV σε 7 θερμοηλεκτρικούς και 18 υδροηλεκτρικούς Σταθμούς. 3 Υ/Σ ανυψώσεως σε σταθμούς παραγωγής ανεξάρτητων παραγωγών. 38 Υ/Σ υποβιβασμού 150kV/MTπου εξυπηρετούν τις εγκαταστάσεις πελατών Υ.Τ. II. ΚΕΝΤΡΑ ΥΠΕΡΥΨΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ (ΚΥΤ) Τα ΚΥΤ αποτελούν τα σημεία σύνδεσης των Γ.Μ. 400kV και 150kV και εξυπηρετούν ανάγκες απομάστευσης ισχύος προς τις Γ.Μ. 150kV. Πρόκειται για 13 ΚΥΤ που περιλαμβάνουν έναν ή περισσότερους αυτομετασχηματιστές (ΑΜ/Σ) τριών τυλιγμάτων 400kV/150kV/30kV . Επιπλέον, υπάρχουν 9 ΚΥΤ εγκατεστημένα πλησίον σταθμών παραγωγής και εξυπηρετούν παράλληλα ή αποκλειστικά ανάγκες ανύψωσης τάσης από τις μονάδες παραγωγής προς τις Γ.Μ. 400kV. III. ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΑΝΤΙΣΤΑΘΜΙΣΗΣ ΑΕΡΓΟΥ ΙΣΧΥΟΣ Οι ανάγκες για αντιστάθμιση αέργου ισχύος καλύπτονται με την εγκατάσταση στατών πυκνωτών και πηνίων. Πιο συγκεκριμένα, για την τοπική στήριξη των τάσεων στους Υ/Σ 150kV/MT, χρησιμοποιούνται στατοί πυκνωτές που εγκαθίστανται κυρίως στους ζυγούς Μ.Τ. των υποσταθμών (συνολικής ισχύος περίπου 4150MVAR). Επιπρόσθετα, έχουν εγκατασταθεί συστοιχίες πυκνωτών 150kV, συνολικής ισχύος 450ΜVAR, σε Υ/Σ και ΚΥΤ του ελληνικού συστήματος μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Επίσης έχουν εγκατασταθεί πηνία στην πλευρά 150kV σε υποσταθμούς 150kV (σε εκείνους στους οποίους συνδέονται υποβρύχια καλώδια), καθώς και στο τριτεύον τύλιγμα (πλευρά 30kV) των ΑΜ/Σ των ΚΥΤ. 11 IV. ΔΙΕΘΝΕΙΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΕΙΣ Από τον Οκτώβριο του 2004 το Ελληνικό Σύστημα επαναλειτουργεί σύγχρονα και παράλληλα με το διασυνδεδεμένο Ευρωπαϊκό Σύστημα υπό το γενικότερο συντονισμό του ΕΝΤSO-E (European Network of Transmission System Operators for Electricity), που αποτελεί ως προς τα θέματα λειτουργίας και ανάπτυξης του ΕΣΜΗΕ από τον Ιούνιο του 2009 διάδοχο και ευρύτερο σχήμα της UCTE (Union pour la Coordination du Transport del’ Electricite). Hπαράλληλη λειτουργία του Ελληνικού Συστήματος με το Ευρωπαϊκό επιτυγχάνεται μέσω διασυνδετικών Γ.Μ., κυρίως 400kV, με τα συστήματα μεταφοράς της Αλβανίας, της Βουλγαρίας και της ΠΓΔΜ (FYROM).Επιπλέον, το ΕΣΜΗΕ συνδέεται ασύγχρονα (μέσω υποβρυχίου καλωδίου συνεχούς ρεύματος) με την Ιταλία. Από τις 18 Σεπτεμβρίου 2010, το ΕΣΜΗΕ έχει συνδεθεί και με το σύστημα μεταφοράς της Τουρκίας, το οποίο έκτοτε είναι σε δοκιμαστική παράλληλη λειτουργία με το ευρωπαϊκό. Οι δοκιμές εκτελούνται υπό την αιγίδα του ΕΝΤSO-E. Η τοπολογία των υφιστάμενων και υπό ανάπτυξη διασυνδέσεων φαίνονται στην εικόνα 2. ΕΙΚΟΝΑ 2 Σχηματικό διάγραμμα των διασυνδεδεμένων συστημάτων της βαλκανικής [1]. 12 ΠΙΝΑΚΑΣ 1 Διασυνδετικές Γραμμές Μεταφοράς (Γ.Μ.) με τις χώρες της βαλκανικής[1]. Ονομασία Διασυνδετικής Γ.Μ. ΚΥΤ ΚαρδίαςZEMBLAK(Αλβανία) KYT MελίτηςBitola(ΠΓΔΜ) KYT Θεσσ/νίκηςDubrovo(ΠΓΔΜ) KYT θεσσ/νίκηςBlagoevgrad(Βουλγαρία) KYT N.Σάντας-Babaeski (Τουρκία) Μούρτος-Bistrica (Αλβανία) KYT Aράχθου- Ιταλία Μήκος γραμμής(km) Επίπεδο Τάσης (kV) 75(GR)+69(AL) 400 18(GR)+18(FYR) 400 61(GR)+54(FYR) 400 103(GR)+80(BG) 400 69(GR)+60(TR) 400 17(GR)+30(AL) 150 1070HL(GR)+160SUBC+4UGC(IT)+4 50HL(IT) 400(dc) Θερμικό όριο Γ.Μ. 11001400MVA 11001400MVA 11001400MVA 11001400MVA 16002000MVA 120140MVA 500MW ΕΙΚΟΝΑ 3 Εισαγωγές –εξαγωγές ηλεκτρικής ενέργειας με τις γειτονικές χώρες [1]. 13 1.3 ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ (ΓΜ) Οι εναέριες γραμμές μεταφοράς αποτελούν τον απλούστερο και φθηνότερο τρόπο μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας στην ηπειρωτική χώρα. Ωστόσο, σε περιπτώσεις απομακρυσμένων νήσων ή ενδεχομένως διασταύρωση ποταμών ή καναλιών μεγάλου πλάτους, η ηλεκτροδότηση γίνεται μέσω υποβρυχίων ή υπόγειων καλωδίων. Οι εναέριες γραμμές μεταφοράς αποτελούνται από τα παρακάτω στοιχεία [2]: Αγωγούς φάσεων, πιθανώς ένα ή δύο αγωγούς προστασίας έναντι άμεσων κεραυνικών πληγμάτων, στύλους ή πυλώνες τσιμεντένιους ή χαλύβδινους πάνω στους οποίους αναρτώνται ή στηρίζονται οι αγωγοί μέσω μονωτήρων, μονωτήρες ανάρτησης ή στήριξης, στοιχεία σύνδεσης, απόσβεσης μηχανικών ταλαντώσεων και λοιπές αρματωσιές που προστατεύουν τους μονωτήρες από την επίδραση του τόξου ή που, ενδεχόμενα, ελαττώνουν τις ηλεκτρικές πεδιακές εντάσεις. Στο ελληνικό δίκτυο υπάρχει πληθώρα γεωμετριών γραμμών, η μορφή των οποίων καθορίζεται κυρίως από τεχνικοοικονομικές μελέτες λαμβάνοντας υπόψη τα εξής: την τάση, την ισχύ, τη διάταξη των αγωγών, τον διαθέσιμο χώρο, τις ατμοσφαιρικές συνθήκες, τις μηχανικές καταπονήσεις και την κίνηση των αγωγών υπό τις διάφορες συνθήκες, π.χ. το κατά πόσο ταλαντώνεται ο αγωγός. Πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη η αυξημένη ροπή που ασκείται σε έναν πυλώνα αν ένας ή περισσότεροι αγωγοί κοπούν. Στις εικόνες 4 και 5 φαίνονται τυπικές μορφές πυλώνων υψηλής τάσης. Παρατηρείται ότι οι αγωγοί μπορεί να είναι διατεταγμένοι σε οριζόντιο ή κάθετο επίπεδο, ή σε τριγωνικές διατάξεις. 14 ΕΙΚΟΝΑ 4-Ελληνικές Γραμμές Μεταφοράς 150kV [3]. ΕΙΚΟΝΑ 5-Ελληνικές Γραμμές Μεταφοράς 400kV [3]. 15 Στο ΕΣΜΗΕ υπάρχουν Γ.Μ. υψηλής (66kVκαι 150kV) και υπερυψηλής (400kV) τάσης διαφόρων ειδών και τύπων, η κατάταξη των οποίων δίνεται στους πίνακες 2 και 3 [1]. ΠΙΝΑΚΑΣ 2 Διασυνδετικές γραμμές μεταφοράς του ΕΣΜΗΕ στις 31/12/2013 [1]. Μήκος Γ.Μ. (km) 238.6 378.8 3880.4 107 2454.1 39 172.4 2070.2 6847.2 27.5 30.58 101 140 15 Περιγραφή Γ.Μ. Εναέρια Γ.Μ. 400kV τύπου Β’Β’ Εναέρια Γ.Μ. 400kV τύπου Β’Β’Β’ Εναέρια Γ.Μ. 400kV τύπου 2Β’Β’ Εναέρια Γ.Μ. 400kVDC Εναέρια Γ.Μ. 150kV τύπου E Εναέρια Γ.Μ. 66kV τύπου E Εναέρια Γ.Μ. 150kV τύπου 2BE Εναέρια Γ.Μ. 150kV τύπου B Εναέρια Γ.Μ. 150kV τύπου 2B Εναέρια Γ.Μ. 150kV τύπου ZCIR Υπόγειο καλώδιο 400kV Υπόγειο καλώδιο 150kV Υποβρύχιο καλώδιο 150kV Υποβρύχιο καλώδιο 66kV Εναέρια Γ.Μ. 400kV διπλού κυκλώματος, που λειτουργεί στα 150kV 62.9 ΠΙΝΑΚΑΣ 3 Κατάταξη διασυνδετικών γραμμών μεταφοράς του ΕΣΜΗΕ [1]. ΕΝΑΕΡΙΕΣ ΥΠΟΒΡΥΧΙΕΣ ΥΠΟΓΕΙΕΣ ΣΥΝΟΛΟ 400kV 2.628 4 2.632 Σ.Ρ. ( D.C) 400kV 107 160 267 150kV 8.127 140 82 8.349 66kV 39 15 1 55 ΣΥΝΟΛΟ 10.901 315 87 11.303 16 1.3.1 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Γ.Μ. Οι εναέριες HVAC γραμμές μεταφοράς διαχωρίζονται βάσει : a. του αριθμού των κυκλωμάτων i. απλού κυκλώματος (ένα τριφασικό κύκλωμα ) ii. διπλού κυκλώματος (δύο τριφασικά κυκλώματα) b. Του επιπέδου τάσης i. 66kV ii. 150 kV iii. 400kV c. των δυνατοτήτων μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας i. Ελαφρού τύπου (Ε) ii. Βαρέως τύπου (Β) iii. Υπερβαρέως τύπου (Β’Β’) (δίδυμος αγωγός ανά φάση) και Β’Β’Β’ ( τρίδυμος αγωγός ανά φάση). Το επίπεδο της τάσης είναι η κυριότερη παράμετρος στην κατασκευή του πυλώνα. Λόγοι όπως η μεταφερόμενη ισχύς, η ευστάθεια και η εφεδρεία επιβάλλουν συχνά διπλά ή πολλαπλά κυκλώματα. Οι διατάξεις αυτές επηρεάζουν προφανώς τις αυτεπαγωγές και χωρητικότητες των γραμμών, αλλά και το ηλεκτρικό πεδίο γύρω από τους αγωγούς. Στην εικόνα 6 απεικονίζονται μερικές τυπικές γραμμές μεταφοράς υψηλής τάσης. 17 ΕΙΚΟΝΑ 6 Γραμμές Μεταφοράς υψηλής τάσης [4]. Στη συνέχεια, περιγράφονται οι γραμμές μεταφοράς του ελληνικού δικτύου [5] οι οποίες κατηγοριοποιούνται με βάση την τάση της γραμμής, τον αριθμό των κυκλωμάτων και την διάταξη των αγωγών. Συγχρόνως δίνονται τα εξής στοιχεία: • Διαστάσεις των πυλώνων • Θέσεις των αγωγών φάσης και γης • Αποστάσεις ασφαλείας (ζώνη διέλευσης, απόσταση αγωγού με το έδαφος κτλ). 18 Α)Γ.Μ. 150kV–ΔΙΚΤΥΩΤΟΙ ΠΥΛΩΝΕΣ Υπάρχουν τέσσερεις χαλύβδινοι δικτυωτοί τύποι πυλώνων για κάθε μία από τις τρεις κατηγορίες γραμμών μεταφοράς, τα χαρακτηριστικά των οποίων δίνονται στους πίνακες 4 και 5. ΠΙΝΑΚΑΣ 4 Χαλύβδινοι δικτυωτοί πυλώνες Γ.Μ. 150kV [5]. Τύπος Πυλώνα Ευθυγραμμίας Μικρής γωνίας Γωνίας 45 Γωνίας 75 ή τέρματος Κατηγορία γραμμών μεταφοράς 150kV Απλό κύκλωμα Διπλό κύκλωμα Απλό κύκλωμα ελαφρού τύπου(Ε) βαρέως τύπου βαρέως τύπου(Β) (2Β) S2 S3 S4 R2 R3 R4 T2 T3 T4 Z2 Z3 Z4 ΠΙΝΑΚΑΣ 5 Χαρακτηριστικά Γ.Μ. 150kV για δικτυωτούς πυλώνες [5]. Αριθμός Διάταξη αγωγών φάσεων Αριθμός Διάταξη αγωγών προστασίας Κατηγορία γραμμών μεταφοράς 150kV Απλό κύκλωμα Απλό κύκλωμα Διπλό κύκλωμα ελαφρού τύπου(Ε) βαρέως τύπου(Β) βαρέως τύπου (2Β) Τριφασικά κυκλώματα Ένα κύκλωμα Ένα κύκλωμα Δύο κυκλώματα Κατακόρυφη Οριζόντια Οριζόντια (σχεδόν) Αγωγοί προστασίας Δύο αγωγοί Δύο αγωγοί Ένας αγωγός Συμμετρικά ως προς τον άξονα της Γ.Μ. Στον άξονα της Γ.Μ. 19 i. Γ.Μ. 150kV απλού κυκλώματος ΠΙΝΑΚΑΣ 6 Γενικές διαστάσεις πυλώνων Γ.Μ. 150kV απλού κυκλώματος [5]. Τύπος πυλώνα S2 R2 T2 Z2 S3 R3 T3 Z3 Διαστάσεις a(m) 19.95 19.95 19.00 19.00 19.95 19.95 19.00 19.00 b(m) 5.00 4.99 5.78 5.14 5.24 5.24 5.78 5.78 c(m) 6.60 7.10 7.67 8.95 6.28 6.82 6.70 7.78 d(m) 4.75 4.75 4.80 4.75 3.86 3.82 3.75 4.25 e(m) 9.30 9.60 10.40 12.10 8.50 9.30 9.20 10.60 Εικόνα 7 α α β β α α β β ΕΙΚΟΝΑ 7 Γ.Μ. 150kV απλού κυκλώματος [5]. 20 ii. Γ.Μ. 150kV διπλού κυκλώματος ΠΙΝΑΚΑΣ 7 Γενικές διαστάσεις πυλώνων Γ.Μ. 150kV διπλού κυκλώματος [5]. Τύπος πυλώνα S4 R4 T4 Z4 Διαστάσεις a(m) b(m) c(m) d(m) e(m) f(m) g(m) h(m) i(m) j(m) k(m) l(m) 33.01 4.21 17.60 3.90 3.90 3.40 5.77 4.05 5.15 3.15 19.95 1.86 34.26 4.30 17.91 4.25 4.25 3.55 6.06 4.55 5.65 3.65 19.95 2.26 32.35 3.50 15.50 3.90 3.90 5.55 6.39 4.40 5.50 3.50 19.00 - 33.90 3.50 15.50 3.90 3.90 7.10 6.96 5.10 6.35 4.00 19.00 - Εικόνα 8 α α β β ΕΙΚΟΝΑ 8 Γ.Μ. 150kV διπλού κυκλώματος[5]. 21 ΕΙΚΟΝΑ 9 Πυλώνες των 150kV διπλού κυκλώματος με αναγραφόμενες τις διαστάσεις [5]. Β)Γ.Μ. 150kV–ΣΥΜΠΑΓΕΙΣ ΠΥΛΩΝΕΣ Υπάρχουν και συμπαγείς πυλώνες απλού και διπλού κυκλώματος, οι οποίοι χρησιμοποιούνται στη θέση των πυλώνων ευθυγραμμίας. Τα βασικά χαρακτηριστικά και οι διαστάσεις τους δίνονται στους πίνακες 8 και 9. ΠΙΝΑΚΑΣ 8 Χαρακτηριστικά Γ.Μ. 150kV για συμπαγείς πυλώνες [5]. Αριθμός Διάταξη αγωγών φάσεων Αριθμός Διάταξη αγωγών προστασίας Κατηγορία γραμμών μεταφοράς 150kV Απλό κύκλωμα Απλό κύκλωμα (Vertical) (Triangular) Τριφασικά κυκλώματα Ένα κύκλωμα Ένα κύκλωμα Οριζόντια Οριζόντια Διπλό κύκλωμα Δύο κυκλώματα Κατακόρυφη (σχεδόν) Αγωγοί προστασίας Ένας αγωγός 2mαπό τον άξονα της Γ.Μ. Στον άξονα της Γ.Μ. 22 ΠΙΝΑΚΑΣ 9 Γενικές διαστάσεις συμπαγών πυλώνων Γ.Μ. 150kV [5]. Τύπος πυλώνα Απλό κύκλωμα(Vertical) Aπλό κύκλωμα(Τriangular) Διπλό κύκλωμα a(m) b(m) Διαστάσεις c(m) d(m) 19.95 5.00 6.60 4.75 9.30 2.30 α 19.95 4.99 7.10 4.75 9.60 2.30 β 19.00 5.78 7.67 4.80 10.40 2.30 γ e(m) f(m) Εικόνα 10 ΕΙΚΟΝΑ 10Συμπαγείς πυλώνες Γ.Μ. 150kV [5]. 23 Γ) Γ.Μ. 400kV Για τις Γ.Μ. 400kV υπάρχουν δικτυωτοί, χαλύβδινοι πυλώνες, τα χαρακτηριστικά των οποίων δίνονται στους πίνακες 10 και 11. ΠΙΝΑΚΑΣ 10 Χαλύβδινοι δικτυωτοί πυλώνες Γ.Μ. 400kV [5]. Τύπος πυλώνα Ευθυγραμμίας Μεγάλων ανοιγμάτων Μικρής γωνίας Γωνίας 45 Γωνίας 75 ή τέρματος Κατηγορία Γ.Μ. 40ΟkV Απλό κύκλωμα S6 R6 T6 Z6 Διπλό κύκλωμα S15 G5 R5 T5 Z5 ΠΙΝΑΚΑΣ 11 Χαρακτηριστικά Γ.Μ. 400kV [5]. Αριθμός Διάταξη αγωγών φάσεων Αριθμός αγωγών Αριθμός Διάταξη αγωγών προστασίας Κατηγορία γραμμών μεταφοράς 400kV Απλό κύκλωμα Διπλό κύκλωμα Τριφασικά κυκλώματα Ένα κύκλωμα Δύο κυκλώματα Οριζόντια Κατακόρυφη (σχεδόν) Δύο ανά φάση Δύο ανά φάση Αγωγοί προστασίας Δύο αγωγοί Ένας αγωγός Συμμετρικά ως προς τον άξονα της Γ.Μ. 24 i. Γ.Μ. 400kV απλού κυκλώματος ΠΙΝΑΚΑΣ 12 Γενικές διαστάσεις Γ.Μ. 400kV απλού κυκλώματος [5]. Τύπος πυλώνα S6 R6 T6 Z6 Διαστάσεις a(m) 20 20 20 20 b(m) 6.80 7.20 8.10 8.50 c(m) 8.60 9.80 8.20 10.10 d(m) 7.15 7.15 5.90 6.40 e(m) 12.20 13.60 14.80 14.80 Εικόνα 11 α α β β ΕΙΚΟΝΑ 11 Γ.Μ. 400kV απλού κυκλώματος[5]. 25 ii. Γ.Μ. 400kVδιπλού κυκλώματος ΠΙΝΑΚΑΣ 13 Γενικές διαστάσεις Γ.Μ. 400kV διπλού κυκλώματος [5]. Διαστάσεις Τύπος πυλώνα a(m) b(m) c(m) d(m) e(m) f(m) g(m) h(m) i(m) j(m) S15 G5 R5 45.19 45.19 47.21 8.00 8.00 8.00 8.50 8.50 8.40 4.80 4.80 6.30 9.20 9.20 10.80 6.40 6.40 7.85 9.40 9.40 11.35 5.80 5.80 6.85 5.60 5.60 6.70 20.00 20.00 20.00 3.89 3.89 4.51 α α β T5 45.00 8.00 8.00 9.00 11.30 7.00 10.50 7.00 7.00 20.00 - β Z5 45.30 8.00 8.00 9.30 11.70 7.70 7.70 8.40 20.00 - α 11.20 k(m) Εικόνα 12 ΕΙΚΟΝΑ 12 Γ.Μ. 400kV διπλού κυκλώματος [5]. 26 1.4 ΓΡΑΜΜΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 150 kV Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε η κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου γύρω από τους αγωγούς δύο τυπικών γραμμών μεταφοράς 150kV απλού και διπλού κυκλώματος του ελληνικού συστήματος μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Στην εικόνα 13 δίνεται ο τύπος S4 διπλού κυκλώματος, οι διαστάσεις του οποίου δίνονται αναλυτικά στο κεφάλαιο 1.3. Η παρακάτω συλλογιστική πορεία ακολουθήθηκε και στον τύπο S2 απλού κυκλώματος της γραμμής μεταφοράς 150kV. Η διεύθυνση του άξονα z ορίζεται στη διεύθυνση όδευσης της γραμμής. Οι αγωγοί της γραμμής, λόγω του βάρους τους, δεν είναι ευθύγραμμοι αλλά ακολουθούν την αλυσοειδή καμπύλη. Για τον υπολογισμό της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου που δημιουργείται στο περιβάλλον της γραμμής χρησιμοποιείται γενικά το μοντέλο της εικόνας 13 αποτελούμενο από ευθύγραμμους και παράλληλους αγωγούς πολύ μεγάλου μήκους σε σχέση με τις μεταξύ τους αποστάσεις. Το μοντέλο αυτό θεωρείται ακριβές για τον υπολογισμό της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στη περίπτωση κατά την οποία το βέλος κάμψης των αγωγών είναι μικρό σε σχέση με το μήκος του ανοίγματος, όπως συνήθως συμβαίνει στη πράξη. Για ανοίγματα της τάξης των 350m σε γραμμές μεταφοράς, ένα τυπικό βέλος κάμψης είναι περίπου 11m. Στο μέσο του ανοίγματος οι αγωγοί παρουσιάζουν τη μικρότερη κλίση και το μοντέλο δίνει στη θέση αυτή τη μέγιστη ακρίβεια. ΕΙΚΟΝΑ 13 Διασύνδεση δύο Γ.Μ. 150kV (τύπος S4) [6]. 27 Επομένως, μία πολύ σημαντική παράμετρος που λαμβάνεται υπόψη στο σχεδιασμό μίας γραμμής μεταφοράς είναι το βέλος ανάρτησης («βύθισμα» ή «κρέμασμα»), το οποίο προσδιορίζει το ύψος των πυλώνων αλλά και τις αποστάσεις ανάρτησης. Αν H είναι το ύψος του πυλώνα μέχρι το σημείο ανάρτησης και sag το βέλος ανάρτησης, το μέσο ύψος ανάρτησης, hav, ορίζεται ως εξής: sag Ωστόσο, για τη μελέτη της κατανομής του πεδίου, θεωρήθηκε το ελάχιστο ύψος ανάρτησης Hmin, Hmin=H-sag Στον πίνακα 14 φαίνεται ο υπολογισμός για κάθε μία φάση. ΠΙΝΑΚΑΣ 14 Υπολογισμός ελάχιστου ύψους για τον υπολογισμό της κατανομής του ηλεκτρικού πεδίου. ΕΙΚΟΝΑ 14 Γ.Μ. 150 kV [5]. Φάση Ύψος ανάρτησης Η(m) Βέλος ανάρτησης Sag (m) R S T SW 19.95 23.85 27.75 33 6.30 6.30 6.30 4.05 Ελάχιστο ύψος ανάρτησης 13.65 17.55 21.45 28.95 28 1.5 ΑΓΩΓΟΙ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Για τον σχεδιασμό, τη λειτουργία και την κατανόηση των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας, καθίσταται αναγκαία η γνώση ηλεκτρικών και τεχνικών χαρακτηριστικών των αγωγών, που χρησιμοποιούνται στα συστήματα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτοί, ανάλογα µε την κατασκευή τους διακρίνονται σε µονόκλωνους και πολύκλωνους. Οι τελευταίοι, αποτελούνται από περισσότερα του ενός συνεστραμμένα συρματίδια με συνολική διατοµή µεγαλύτερη από 6 mm2). Εφόσον παρουσιάζουν μεγαλύτερη ευκαμψία και μηχανική αντοχή από τους μονόκλωνους, χρησιμοποιούνται πολύ περισσότερο. Οι σύνθετοι αγωγοί αλουμινίου –χάλυβα(Αl/St) ή αγωγοί ACSR (Aluminium Coated Steel Reinforced Conductors), που χρησιμοποιήθηκαν για την προσομοίωση της γραμμής των 150kV, συνδυάζουν τις ικανοποιητικές ηλεκτρικές ιδιότητες του αλουμινίου με την υψηλή αντοχή του χάλυβα, διατηρώντας το κόστος κατασκευής σε χαμηλά επίπεδα. Αυτοί έχουν ψυχή από κλώνους με γαλβανισμένο χάλυβα. Ο χάλυβας αναλαμβάνει τη μηχανική αντοχή και το αλουμίνιο το μεγαλύτερο μέρος της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος. Οι αγωγοί ΑCSR έχουν περίπου πενήντα τις εκατό μεγαλύτερη αντοχή από τους αγωγούς χαλκού και είναι είκοσι τις εκατό ελαφρύτεροι για ισοδύναμη διατομή με το χαλκό. Χρησιμοποιούνται στις γραμμές υψηλής τάσης γιατί επιτρέπεται μεγαλύτερο άνοιγμα των πυλώνων. Επίσης, είναι πιο φθηνοί και παρουσιάζουν μικρότερες απώλειες. Η δομή τους φαίνεται στην εικόνα 15. ΕΙΚΟΝΑ 15 Δομή αγωγού ACSR. 29 1.5.1 ΠΡΟΔΙΑΓΡΑΦΗ TR-2 ΤΩΝ ΑΓΩΓΩΝ [5] Η προδιαγραφή αυτή καλύπτει την μελέτη, κατασκευή και δοκιμή των αγωγών αλουμινίου με χαλύβδινη ψυχή, οι οποίοι χρησιμοποιούνται στις γραμμές μεταφοράς 150kV και 400kV. Στις Γ.Μ.150kV χρησιμοποιείται ένας αγωγός ανά φάση, ενώ στις Γ.Μ.400kV χρησιμοποιείται δέσμη δύο ή τριών αγωγών ανά φάση. Στην εικόνα 16 φαίνεται η ανάρτηση του αγωγού αυτού μέσω μονωτήρων. ΕΙΚΟΝΑ 16 Ανάρτηση αγωγού ACSR μέσω μονωτήρων [5]. ΓΕΝΙΚΕΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ Οι αγωγοί φάσης μπορεί να είναι τύπου ACSR, AACSR ή Alumoweld. Η κωδική ονομασία των αγωγών τύπου ACSR για τις Γ.Μ.150kV είναι LINNET 336400 CM και GROSBEAK 636000 CM, για τις Γ.Μ.400kV είναι CARDINAL 954000CM και για τα ΚΥΤ είναι 550/70 (κατά DIN 48204). Αντίστοιχα η κωδική ονομασία των αγωγών τύπου Alumoweld είναι LINNET/AW και GROSBEAK/AW. Οι αγωγοί φάσης τύπου AACSR είναι ενισχυμένοι και διακρίνονται σε ελαφρύ και βαρύ τύπο. Η κατασκευή και τα χαρακτηριστικά των αγωγών και των αντίστοιχων συρματιδίων τους θα πρέπει να ικανοποιούν τις απαιτήσεις των διεθνών προτύπων ΙΕC 61089, του Συμπληρώματος του IEC 61089 – am1/97 και του IEC 61232, όπου αυτά έχουν εφαρμογή και δεν έρχονται σε αντίθεση με τις απαιτήσεις της παρούσης προδιαγραφής, ενώ για τη διασφάλιση της ποιότητας των αγωγών κατά τη διαδικασία παραγωγής θα πρέπει να τηρείται το διεθνές πρότυπο ENISO 9001. 30 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Οι αγωγοί φάσεως τύπου ACSR αποτελούνται από συνεστραμμένα σε συγκεντρικές στρώσεις συρματίδια σκληρού αλουμινίου και ψυχή από συρματίδια επιψευδαργυρωμένου χάλυβα. Ο τύπος της επικάλυψης ψευδαργύρου είναι κανονικού βάρους (standard weight). Η ποιότητα των συρματιδίων του αλουμινίου είναι 1350–Η19 (αγωγιμότητα 61.2% IACS –International Annealed Copper Standard). ΕΙΚΟΝΑ 17 Τυποποιημένοι πολύκλωνοι αγωγοί ACSR. ΥΛΙΚΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ Όλα τα συρματίδια θα πρέπει να έχουν, πριν την συστροφή, ιδιότητες που να ικανοποιούν τις απαιτήσεις της παρ.5.1 του διεθνούς προτύπου IEC 61089 και του Συμπληρώματος του IEC 61089 – am1/97. ΣΥΣΤΡΟΦΗ –ΕΝΩΣΗ Η συστροφή και η ένωση των συρματιδίων αλουμινίου και χάλυβα πρέπει να συμφωνούν με τις παρ.5.4 και 5.5 του διεθνούς προτύπου ΙΕC 61089 και του Συμπληρώματος του IEC 61089 – am1/97. Η τυποποιημένη στρώση των κλώνων του εξωτερικού στρώματος των αγωγών φάσης είναι δεξιόστροφη. Στον πίνακα 15 φαίνονται αναλυτικά τα χαρακτηριστικά των αγωγών τύπου ACSR. Για την προσομοίωση της ΓΜ 150kV χρησιμοποιήθηκαν τα χαρακτηριστικά της κωδικής ονομασίας LINNET. 31 ΠΙΝΑΚΑΣ 15 Χαρακτηριστικά των αγωγών τύπου ACSR [5]. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ MCM ΔΙΑΤΟΜΗ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ mm2 ΜΕΓΙΣΤΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ D.C σε Ω/km 20 ΕΞΩΤΕΡΙΚΗ mm ΔΙΑΜΕΤΡΟΣ ΣΥΡΜΑΤΙΔΙΑ mm ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΣΥΡΜΑΤΙΔΙΑ mm ΧΑΛΥΒΑ ΔΙΑΜΕΤΡΟΣ ΧΑΛΥΒΔΙΝΗΣ mm ΨΥΧΗΣ ΟΝΟΜΑΣΤΙΚΟ Kg/km ΒΑΡΟΣ ΕΛΑΧΙΣΤΗ ΑΝΤΟΧΗ kN ΘΡΑΥΣΕΩΣ ΑΥΤΟΤΕΛΕΣ m ΜΗΚΟΣ 1.5.2 LINNET 336.4 170.55 GROSBEAK 636 321.84 0.166 0.0877 18.31 25.15 26x2.9 26x3.97 7x2.14 7x3.09 6.42 9.27 690 1300 65 115 3000 3000 ΑΓΩΓΟΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ Καθοριστικό ρόλο σε μια γραμμή μεταφοράς παίζουν οι εναέριοι αγωγοί προστασίας καθώς μειώνουν την πιθανότητα κεραυνοπληξίας των αγωγών φάσης. Ένας πυλώνας φέρει εκτός των αγωγών των τριών φάσεων και ένα ή δύο αγωγούς προστασίας. Ο αγωγός προστασίας είναι ατσάλινος, διατομής 35…..90 mm2. Στην Ελλάδα, οι αγωγοί προστασίας έχουν διαμέτρους 3/8’’ στα 150kV και ½’’ στα 400kV. Μπορεί όμως, όπου επιβάλλεται καλή αγωγιμότητα, π.χ για λόγους προστασίας, οι αγωγοί προστασίας να είναι τύπου ACSR. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά του αγωγού προστασίας της γραμμής μεταφοράς των 150kV που μελετήθηκε στην παρούσα εργασία, δίνονται στον Πίνακα 16. 32 ΠΙΝΑΚΑΣ 16 Χαρακτηριστικά αγωγού προστασίας [5]. Είδος Εξωτερική διάμετρος Μοναδιαίο βάρος Επτάκλωνος, χαλύβδινος, επιψευδαργυρωμένος 9.5mm 0.44kg/m ΕΙΚΟΝΑ 18 Ανάρτηση Αγωγού προστασίας [5]. 33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΠΕΔΙΟ ΓΡΑΜΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 2.1 ΓΕΝΙΚΑ Ως φυσικό επακόλουθο της τάσης των ΓΜ αλλά και του ρεύματος από το οποίο διαρρέονται, δημιουργείται στον περιβάλλοντα χώρο ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο με συχνότητα 50Hz. Η κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου γύρω από τους αγωγούς εξαρτάται από τα τεχνικά χαρακτηριστικά της Γ.Μ. όπως είναι [7]: H τάση λειτουργίας και η γεωμετρία της Γ.Μ. Ανάλογα με τη διάταξη των φάσεων στις Γ.Μ. υπάρχει η δυνατότητα να μειωθούν οι τιμές του ηλεκτρικού πεδίου στο περιβάλλον τους. Οι Γ.Μ. 400kV κατασκευάζονται με τη βέλτιστη διάταξη φάσεων για την ελαχιστοποίηση των δημιουργούμενων ηλεκτρομαγνητικών πεδίων, ενώ το ίδιο δεν ισχύει για τις Γ.Μ. 150kV. Η βέλτιστη διάταξη φάσεων απεικονίζεται στην εικόνα 19. ΕΙΚΟΝΑ 19 Διάταξη αγωγών φάσεων α)συμμετρική β)βέλτιστη H απόσταση των αγωγών από τη γη. Όσο μικρότερη είναι η απόσταση αυτή, τόσο μεγαλύτερα είναι τα δημιουργούμενα πεδία. Επομένως κατά τη μελέτη της κατανομής του ηλεκτρικού πεδίου γύρω από τις Γ.Μ. λαμβάνεται υπόψη και το βέλος ανάρτησης, όπως αυτό περιγράφηκε στο κεφάλαιο 1.4. Η απόσταση μεταξύ των αγωγών. Ορισμένα τμήματα γραμμών υψηλής τάσης κατασκευάζονται με συμπαγείς μονωτήρες όπου οι αποστάσεις μεταξύ των αγωγών των φάσεων είναι αρκετά μικρότερες από αυτές των συνήθων γραμμών. Τα τμήματα 34 αυτά ξεχωρίζουν εύκολα από τα υπόλοιπα λόγω της στήριξης των αγωγών σε μεταλλικούς ιστούς έναντι των γνωστών μεταλλικών πυλώνων. Οι γραμμές μειωμένων διαστάσεων με ιστούς δημιουργούν πολύ μικρότερες τιμές ηλεκτρικού πεδίου από αυτές των κανονικών διαστάσεων στην περίπτωση των γραμμών απλού κυκλώματος και στην περίπτωση γραμμών διπλού κυκλώματος με την βέλτιστη διάταξη των φάσεων. ΕΙΚΟΝΑ 20 Γ.Μ. με μειωμένες αποστάσεις μεταξύ των αγωγών φάσεων [7]. Με δεδομένους όλους αυτούς τους παράγοντες, στους πίνακες 17 και 18 δίνονται οι μέγιστες τιμές του ηλεκτρικού πεδίου που είναι δυνατόν να εμφανιστούν ακριβώς κάτω από μία Γ.Μ. λαμβάνοντας υπόψη τις δυσμενέστερες συνθήκες διάταξης φάσεων και αποστάσεων (οι οποίες προκύπτουν από θεωρητικές εκτιμήσεις), καθώς και τυπικές τιμές της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου σε αναλογία με τη συχνότητα όπως προέκυψαν από μετρήσεις του Γραφείου Μη Ιοντιζουσών Ακτινοβολιών της Ελληνικής Επιτροπής Ατομικής Ενέργειας (Ε.Ε.Α.Ε.) ακριβώς κάτω και 25m παραπλεύρως από κάθε γραμμή. 35 ΠΙΝΑΚΑΣ 17 Μέγιστες μετρούμενες τιμές της Έντασης Ηλεκτρικού πεδίου στο περιβάλλοντα χώρο Γ.Μ. [7]. Ένταση Ηλεκτρικού Πεδίου (kV/m) Γ.Μ. 400kV Γ.Μ. 150kV Γ.Μ. 150kV (μεταλλικοί (μεταλλικοί (μεταλλικοί πυλώνες) πυλώνες) ιστοί) 6 2 1.2 2-4 1-2 0.5-1 0.2-0.5 0.1-0.3 0.05-0.1 Μέγιστη τιμή (κάτω από αγωγούς φάσεων) Τυπική τιμή(κάτω από αγωγούς φάσεων) Τυπική τιμή (25m παραπλεύρως) ΠΙΝΑΚΑΣ 18 Τυπικές τιμές της Έντασης του ηλεκτρικού πεδίου σε συνάρτηση με τη συχνότητα [7]. Περιοχή Συχνοτήτων Ένταση Ηλεκτρικού πεδίου (V/m) 0-1 Hz - 1-8 Hz 10000 8-25 Hz 10000 0.025-0.8 kHz 250/f 0.8-3 kHz 250/f 3-150 kHz 87 0.15-1 MHz 87 1-10 MHz 10-400M Hz 400-2000M Hz 2-300 MHz 87/ 28 1.375 61 36 Στη συνέχεια, απεικονίζεται η κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου στον περιβάλλοντα χώρο των Γ.Μ. 150kV και 400kV σε ένα τυπικό ύψος (12m και 15m αντίστοιχα) των πιο κοντινών αγωγών στη γη, στο ενδιάμεσο δύο πυλώνων. ΕΙΚΟΝΑ 21 Κατανομή Ηλεκτρικού πεδίου σε Γ.Μ. 150 kV (αριστερά) και 400kV (δεξιά) [7]. Η κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου κοντά στην επιφάνεια των αγωγών είναι ιδιαίτερα σημαντική για τη μελέτη της εκκένωσης κορώνα στις Γ.Μ. 37 2.2 ΕΚΚΕΝΩΣΗ ΚΟΡΩΝΑ 2.2.1 ΓΕΝΙΚΑ Η εκκένωση κορώνα είναι μία εκκένωση περιορισμένης έντασης που αναπτύσσεται κυρίως μέσω του ιονισμού του διηλεκτρικού κοντά στην επιφάνεια ηλεκτροδίου που βρίσκεται υπό τάση. Οι συνέπειες στις Γ.Μ. είναι : Απώλειες ισχύος (corona loss-CL). Ακουστικός θόρυβος (audible noise-AN). Παράσιτα στις τηλεπικοινωνίες (electromagnetic interference-EMI). Η έναυση και οι συσχετιζόμενες απώλειες ισχύος της εκκένωσης κορώνα στις Γ.Μ. εξαρτώνται από την κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου γύρω από τους αγωγούς της Γ.Μ. και τις ατμοσφαιρικές συνθήκες. Η κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου γύρω από τους αγωγούς της Γ.Μ. καθορίζεται από την τάση λειτουργίας της Γ.Μ. και από τη γεωμετρία και τη διάταξη των αγωγών φάσης. Για δεδομένη τάση λειτουργίας της Γ.Μ. το ηλεκτρικό πεδίο κοντά στην επιφάνεια των αγωγών ενισχύεται με τη χρήση πολύκλωνων αγωγών, ευνοώντας την εμφάνιση της εκκένωσης κορώνα. Πιο συγκεκριμένα, η εκκένωση κορώνα σε Γ.Μ. εξαρτάται από [8] : Την κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου κοντά στην επιφάνεια των αγωγών Τις συνθήκες στην επιφάνεια των αγωγών Την διάμετρο των αγωγών Το πλήθος των αγωγών Την πυκνότητα του αέρα Τις καιρικές συνθήκες Στη συνέχεια αναλύονται οι παραπάνω παράγοντες που συντελούν στην εμφάνιση της εκκένωσης κορώνα. 38 2.2.2 ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΥΝΟΟΥΝ ΤΗΝ ΕΜΦΑΝΙΣΗ ΤΗΣ ΕΚΚΕΝΩΣΗΣ ΚΟΡΩΝΑ [8] Κατανομή του Ηλεκτρικού πεδίου κοντά στην επιφάνεια των αγωγών (Conductor Surface Gradient) Η πιο σημαντική παράμετρος που επιδρά στην έναυση της εκκένωσης κορώνα στις Γ.Μ. είναι η κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου κοντά στην επιφάνεια των αγωγών, η οποία εξαρτάται από τη διάμετρο, τη γεωμετρία και το πλήθος των αγωγών, την απόστασή τους από το έδαφος και την απόσταση μεταξύ των φάσεων. Πιο συγκεκριμένα σε αγωγούς κάτω από υψηλή τάση η μορφή της εκκένωσης κορώνα μεταβάλλεται με την πολικότητα της εφαρμοζόμενης τάσης. Σε θετική πολικότητα η εκκένωση κορώνα εμφανίζεται με τη μορφή μιας ανοιχτογάλαζης αίγλης που καλύπτει όλο τον αγωγό. Αντίθετα, υπό αρνητική πολικότητα η εκκένωση κορώνα εμφανίζεται με τη μορφή κόκκινων στιγμάτων σε διάφορα σημεία του λείου αγωγού. Ωστόσο, σε τυχόν ανωμαλίες στην επιφάνεια των αγωγών εμφανίζονται και για τις δύο πολικότητες πιο εκτεταμένες εκκενώσεις κορώνα με τη μορφή θυσάνων. Στην εικόνα 22 φαίνεται η εκκένωση κορώνα σε αγωγό υπό θετική (αριστερά) και αρνητική (δεξιά) εφαρμοζόμενη τάση. ΕΙΚΟΝΑ 22 Εκκενώσεις Κορώνα σε αγωγούς. Ο πρώτος που διατύπωσε ένα εμπειρικό τύπο για τον υπολογισμό της ελάχιστης πεδιακής έντασης στην οποία γίνεται η έναυση της εκκένωσης κορώνα και χρησιμοποιείται μέχρι και σήμερα, ήταν ο F. W. Peek το 1929 [9]. Ο Peek μελέτησε στροβοσκοπικά και 39 φωτογραφικά το φαινόμενο κορώνα τόσο σε HVDC όσο και σε HVAC και οι μελέτες δείχνουν ότι σε κάθε ημιπερίοδο η κορώνα έχει την ίδια εμφάνιση με την αντίστοιχη πολικότητα σε HVDC. Χαρακτηριστικές φωτογραφίες από θετική και αρνητική κορώνα σε αγωγούς έδωσε ο Peek και παρατίθενται στις παρακάτω εικόνες. ΕΙΚΟΝΑ 23 Τμήμα κατεστραμμένου αγωγού με φωτεινά τα σημάδια πάνω του από την αρνητική κορώνα[9]. ΕΙΚΟΝΑ 24 Χάλκινοι αγωγοί διαμέτρου 0.26cm, απόστασης 120cmκαι υπό τάση 200kV [9]. ΕΙΚΟΝΑ 25 Εκκενώσεις κορώνα σε αγωγούς υπό αυξανόμενη τάση [9]. Ρύποι επικαθήμενοι στον αγωγό οδηγούν σε έντονα ανομοιογενές πεδίο στην επιφάνειά του με αποτέλεσμα η έναυση της εκκένωσης κορώνα να γίνεται σε χαμηλότερη πεδιακή ένταση. Για μη λείους αγωγούς, όπως συνήθως συμβαίνει στην πράξη στις γραμμές μεταφοράς, ο Peek εισήγαγε τον συντελεστή ανομοιομορφίας, m, με τιμές από 0 40 έως 1, που αναφέρεται στην υφή και στη «γήρανση» του αγωγού, π.χ. αυτός έχει τιμή 0.9 για συνηθισμένους αγωγούς, που έχουν υποστεί κάποια γήρανση. Οι αγωγοί έχουν υποστεί γήρανση γιατί όταν τοποθετηθούν έχουν πάνω τους μερικά οργανικά κατάλοιπα, π.χ. λίπος, που κατεβάζουν την τιμή του συντελεστή m σε χαμηλότερα επίπεδα, όμως αυτά με τον καιρό απανθρακώνονται και τότε ανεβαίνει η τιμή του στα επίπεδα που αναφέρθηκαν. Για μη λείους αγωγούς ο Peek έδωσε τον παρακάτω τύπο για την τιμή της πεδιακής έντασης σε kV/cm: , Όπου: m είναι ο συντελεστής ανομοιομορφίας που αναφέρεται στην υφή και την γήρανση των αγωγών. είναι μία εμπειρική σταθερά του Peek ( δ είναι ο συντελεστής πυκνότητας του αέρα , 0.386 p όπου p η πίεση σε mmHg και 273 t t η θερμοκρασία σε βαθμούς Κελσίου. r είναι η ακτίνα του αγωγού σε cm. Ωστόσο, ο πιο δύσκολα υπολογιζόμενος όρος στην παραπάνω εξίσωση του Peek είναι ο συντελεστής ανομοιομορφίας,m, καθώς η τιμή του κυμαίνεται από 0.12-0.96 για τις διάφορες συνθήκες, όπως φαίνεται στον πίνακα 19. ΠΙΝΑΚΑΣ 19 Επίδραση των συνθηκών στην επιφάνεια των αγωγών [8]. Συνθήκες στην επιφάνεια του αγωγού Καινούριος ,καθαρός και ξηρός Ξηρός Καινούριος Υγρός Έχει χρησιμοποιηθεί Τύπος εκκένωσης κορώνα Συντελεστής ανομοιομορφίας m Όχι Glow 0.88-0.96 Ναι Ναι Ναι ή Όχι Streamers Streamers Streamers 0.68-0.82 0.53-0.73 0.12-0.23 41 Συνθήκες στην επιφάνεια των αγωγών Ο ακουστικός θόρυβος είναι ένα φαινόμενο που συσχετίζεται κυρίως με τις συνθήκες βροχόπτωσης. Επομένως, η μελέτη των συνθηκών στην επιφάνεια των αγωγών είναι σημαντική καθώς αυτές επηρεάζουν τη συμπεριφορά του υπό συνθήκες βροχής. Αξίζει να σημειωθούν δύο ειδικές περιπτώσεις συνθηκών στην επιφάνεια των αγωγών: (1) υδροφοβική συμπεριφορά, κατά την οποία το νερό εμφανίζεται με τη μορφή μικρών σταγόνων σε όλη την επιφάνεια του αγωγού και (2) υδροφιλική συμπεριφορά, κατά την οποία η επιφάνεια του αγωγού τείνει να απορροφήσει σχεδόν όλο το νερό που βρίσκεται πάνω της, μέχρι ενός σημείου κορεσμού όπου μεγάλες σταγόνες νερού εμφανίζονται κυρίως στην κάτω πλευρά της επιφάνειας του αγωγού (ένας «γηρασμένος αγωγός», οποίος βρίσκεται υπό τάση για μεγάλο χρονικό διάστημα, ανήκει σ’ αυτόν τον τύπο επιφάνειας). Στην εικόνα 26 απεικονίζονται οι παραπάνω δύο τύποι. Λεία επιφάνεια Τραχιά επιφάνεια υδρόφιλη υδρόφοβη ΕΙΚΟΝΑ 26 Υδροφιλική και υδροφοβική συμπεριφορά αγωγών [10]. Αγωγοί που βρίσκονται σε υδροφιλική κατάσταση έχουν καλύτερη επίδοση όσον αφορά τον ακουστικό θόρυβο σε σχέση με αυτούς που έχουν υδροφοβική. 42 ΕΙΚΟΝΑ 27 Ακουστικός θόρυβος κατά τη διάρκεια (πάνω) και μετά(κάτω διάγραμμα) από έντονη βροχόπτωση σε τρεις αγωγούς με διαφορετική κατάσταση επιφάνειας : α)υδροφοβική β)γυαλισμένη γ)υδροφοβική [10]. Για τον χαρακτηρισμό της επιφάνειας ενός αγωγού ως υδρόφιλη ή υδρόφοβη πρέπει να ληφθούν υπόψη παράμετροι που σχετίζονται με την ηλικία του αγωγού, την συνεχή καταπόνησή του και γενικότερα με τις ατμοσφαιρικές συνθήκες και την καθαρότητα του αέρα. Όσον αφορά τα παράσιτα στις τηλεπικοινωνίες, τα χαμηλότερα επίπεδα εμφανίζονται σε συνθήκες καθαρότητας και ξηρότητας των αγωγών. Διάμετρος των αγωγών Η διάμετρος των αγωγών, εκτός από τον καθοριστικό της ρόλο για τον υπολογισμό των τιμών του ηλεκτρικού πεδίου, αποτελεί εξίσου σημαντικό παράγοντα για την εμφάνιση της εκκένωσης κορώνα. Για σταθερή τάση λειτουργίας, οι συσχετιζόμενες με την κορώνα απώλειες ισχύος μειώνονται με την αύξηση της διαμέτρου του αγωγού. Ωστόσο, αν οι τιμές του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια του αγωγού διατηρηθούν σταθερές ενώ η διάμετρος αυξάνεται, οι απώλειες ισχύος αυξάνονται. Υπάρχουν αρκετές εμπειρικές 43 σχέσεις που έχουν βρεθεί πειραματικά και δείχνουν τη σχέση ανάμεσα στη διάμετρο των αγωγών και τον ακουστικό θόρυβο [11] , τα παράσιτα στις τηλεπικοινωνίες [12], και τις απώλειες ισχύος [13]. Πλήθος των αγωγών Το πλήθος των αγωγών σε μία γραμμή μεταφοράς, αποτελεί σημαντική παράμετρο στον υπολογισμό των τιμών του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια των αγωγών. Πειραματικές μετρήσεις στο περιβάλλον γραμμών μεταφοράς έχουν δείξει ότι ο ακουστικός θόρυβος αυξάνεται με την αύξηση του αριθμού των αγωγών σε μία δέσμη αγωγών, για σταθερές τιμές του ηλεκτρικού πεδίου και σταθερή διάμετρο των αγωγών. Ωστόσο για την περίπτωση των παρασίτων στις τηλεπικοινωνίες, έρευνες έχουν δείξει ότι δεν εξαρτώνται άμεσα από το πλήθος των αγωγών. Πειραματικές μελέτες του Bonnevile Power Administration (BPA) έδειξαν επίσης ότι ο προσανατολισμός των αγωγών δεν επηρεάζει τον ακουστικό θόρυβο και τα παράσιτα στις τηλεπικοινωνίες [14]. Σε Γ.Μ. μεγάλης ονομαστικής τάσης λειτουργίας (>400kV) συνήθως χρησιμοποιούνται δέσμες αγωγών ανά φάση, οι οποίες οδηγούν σε μείωση του ηλεκτρικού πεδίου γύρω από τους αγωγούς. Οι τιμές της πεδιακής έντασης φθίνουν με την αύξηση του πλήθους των αγωγών ανά δέσμη. Η μέγιστη πεδιακή ένταση στην επιφάνεια των αγωγών φαίνεται στην εικόνα 28. ΕΙΚΟΝΑ 28 Μέγιστη ένταση ηλεκτρικού πεδίου σε δέσμη τριών αγωγών ανά φάση [10]. 44 Η μέγιστη τιμή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια του αγωγού στην περίπτωση δέσμης αγωγών ανά φάση δίνεται από τον εξής τύπο [10]: Όπου: N το πλήθος των αγωγών της δέσμης, V0 η εφαρμοζόμενη τάση, H το ύψος του αγωγού από το έδαφος, η ακτίνα ενός αγωγού της δέσμης, οι ισοδύναμες ακτίνες που δίνονται από τους εξής τύπους: ΕΙΚΟΝΑ 29 Εκκενώσεις κορώνα σε δέσμες αγωγών [10]. 45 Πυκνότητα του αέρα Η πυκνότητα του αέρα επιδρά στην εμφάνιση της εκκένωσης κορώνα όπως αποδείχθηκε και από τον νόμο του Peek. Σε μεγάλα υψόμετρα η έναυση της εκκένωσης κορώνα γίνεται σε χαμηλότερες τιμές του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια των αγωγών. Με βάση τις μετρήσεις που διεξήχθησαν στο Leadville Project [15] σχετικά με τα παράσιτα στις τηλεπικοινωνίες, αναπτύχθηκε ένας όρος που χρησιμοποιείται ευρύτατα σε σχέσεις ακουστικού θορύβου και ραδιοτηλεοπτικών παρασίτων [16] και είναι ο εξής: ΔdB= , όπου q το υψόμετρο πάνω από το επίπεδο της θάλασσας σε μέτρα. Καιρικές συνθήκες Η πιθανότητα εμφάνισης της εκκένωσης κορώνα αυξάνεται αισθητά σε συνθήκες αυξημένης υγρασίας. Αν ο αγωγός θερμαίνεται από το ρεύμα γραμμής, δεν σχηματίζονται εύκολα σταγόνες νερού κατά τη διάρκεια ομίχλης και υψηλής υγρασίας, αλλά έχει αρκετή επίδραση κατά τη διάρκεια βροχής ή χιονόπτωσης. Πειραματικές μελέτες έχουν δείξει ότι οι υψηλότερες τιμές ακουστικού θορύβου και ραδιοφωνικών παρεμβολών συμβαίνουν κατά τη διάρκεια έντονων βροχοπτώσεων ή ισχυρών χιονοπτώσεων. Οι απώλειες ισχύος είναι μεγαλύτερες όταν επικάθεται πάχνη σε έναν κρύο αγωγό, κάτι συνηθισμένο στις βορειότερες περιοχές και κατά τη διάρκεια των βραδινών ωρών όπου υπάρχει ελάχιστη ζήτηση φορτίου και το ρεύμα των αγωγών δεν είναι αρκετό για να λιώσει την πάχνη. Η επίδραση του ανέμου είναι ελάχιστη στην εμφάνιση της εκκένωσης κορώνα, εκτός από περιπτώσεις πολύ ισχυρών ανέμων που καταπονούν τους αγωγούς ή εκσφενδονίζουν αντικείμενα πάνω σε αυτούς. Τέλος οι απώλειες ισχύος είναι πλήρως εξαρτώμενες από τις καιρικές συνθήκες. Στην εικόνα 30, απεικονίζεται η επίδραση των καιρικών συνθηκών στον ακουστικό θόρυβο σε συνάρτηση με τρεις παραμέτρους, τον θόρυβο περιβάλλοντος (bn=background noise), το άνοιγμα των δύο πυλώνων (span) και τέλος τoν τύπο του πυλώνα (TP=tension pole). 46 ΕΙΚΟΝΑ 30 Ακουστικός θόρυβος σε απόσταση 15m από τον αγωγό στο μέσο ανοίγματος μεταξύ δύο πυλώνων Γ.Μ. 400kV σε διαφορετικές καιρικές συνθήκες [10]. Οι Γ.Μ. σχεδιάζονται ούτως ώστε να μην εμφανίζονται εκκενώσεις κορώνα κατά την ονομαστική τάση λειτουργίας τους. Αυτό επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας κατάλληλη γεωμετρία αγωγών, που εξασφαλίζει τιμές ηλεκτρικού πεδίου κοντά στην επιφάνειά τους μικρότερες από το πεδίο έναυσης της εκκένωσης κορώνα, είτε ακόμα και από το ελάχιστο πεδίο ιονισμού του αέρα, σε κανονικές ατμοσφαιρικές συνθήκες (Ε0=26kV/cm). 2.3 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΕΝΤΑΣΗΣ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ ΣΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΤΩΝ ΑΓΩΓΩΝ 2.3.1 ΓΕΝΙΚΑ Η κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου γύρω από την επιφάνεια των αγωγών των Γ.Μ. αποτελεί καθοριστικό παράγοντα για τη διερεύνηση του φαινομένου της εκκένωσης κορώνα και των συνεπειών της που περιγράφηκαν στο κεφάλαιο 2.2. Εξ’ ορισμού, η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου προκύπτει ως διανυσματικό μέγεθος από την κλίση του δυναμικού στα διάφορα σημεία του χώρου ως εξής: 47 Το αρνητικό πρόσημο έχει την φυσική σημασία της κατεύθυνσης της πεδιακής έντασης προς τα φθίνοντα δυναμικά. Ωστόσο, ο ακριβής υπολογισμός της στην επιφάνεια των αγωγών των Γ.Μ. είναι αρκετά δύσκολος στην αναλυτική του επίλυση καθώς οι αγωγοί δεν είναι λείοι αλλά συνεστραμμένοι και τις περισσότερες φορές επικάθονται στην επιφάνειά τους έντομα ή σταγόνες βροχής δημιουργώντας προεξοχές. Επομένως έχει καθιερωθεί ο υπολογισμός της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια των αγωγών των Γ.Μ. θεωρώντας τους ως λείους κυλίνδρους με διάμετρο ίση με την ονομαστική τους σε περιβάλλον «ελεύθερο» από εκκενώσεις κορώνα. Το διάνυσμα της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου σε έναν αγωγό και εν γένει σε ένα αγώγιμο σώμα είναι σε κάθε σημείο του κάθετο προς τα έξω. Για έναν αγωγό στον ελεύθερο χώρο μακριά από γειωμένα αντικείμενα, η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου είναι σταθερή σε όλα τα σημεία στην περιφέρεια του αγωγού όπως απεικονίζεται στην εικόνα 31. Ένταση ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια αγωγού ΕΙΚΟΝΑ 31 Δημιουργία δυναμικών γραμμών ηλεκτρικού πεδίου γύρω από ένα θετικό φορτίο q(C/m) [13]. Ωστόσο, λαμβάνοντας υπόψη την επίδραση ενός γειωμένου επιπέδου κάτω από τους αγωγούς, όπως συμβαίνει στην πραγματικότητα, η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου δεν είναι σταθερή γύρω από την επιφάνεια των αγωγών αλλά μεταβαλλόμενη. Επίσης, η γη θεωρείται τέλειος αγωγός επειδή ο χρόνος που απαιτείται για την αποκατάσταση της ισορροπίας των φορτίων στην επιφάνειά της, υπό την επίδραση μιας μεταβολής στο 48 εφαρμοζόμενο πεδίο, είναι εξαιρετικά μικρός (0.1ns έως 100ns) συγκριτικά με την περίοδο της συχνότητας των 50Hz. (20ms). H διηλεκτρική σταθερά ε του αέρα είναι πρακτικά ανεξάρτητη των καιρικών συνθηκών και λαμβάνεται ίση με την διηλεκτρική σταθερά του κενού: Επομένως, στην περίπτωση αγωγού πάνω από γειωμένο επίπεδο η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια του αγωγού δεν είναι σταθερή σε όλη την περίμετρό του. Στην εικόνα 32 απεικονίζεται η επίδραση της γης στην κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου γύρω από έναν αγωγό με θετικό φορτίο. Ένταση ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια του αγωγού Δυναμικές γραμμές ηλεκτρικού πεδίου Γειωμένο επίπεδο Αρνητική πυκνότητα φορτίου ΕΙΚΟΝΑ 32 Επίδραση της γης στην ένταση του ηλεκτρικού πεδίου γύρω από την επιφάνεια αγωγών [13]. Οι μέσες και οι μέγιστες τιμές του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια των αγωγών χαρακτηρίζουν πλήρως το ηλεκτρικό πεδίο όχι μόνο στην επιφάνεια αλλά και γύρω από τους αγωγούς, όπου λαμβάνουν χώρα εκκενώσεις κορώνα. Σε περιπτώσεις δέσμης αγωγών σε Γ.Μ. η γνώση των μέγιστων τιμών του ηλεκτρικού πεδίου αποτελούν βασική προϋπόθεση για τη διερεύνηση της εκκένωσης κορώνα. 49 Έχουν βρεθεί διάφορες μέθοδοι υπολογισμού της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια των αγωγών Γ.Μ. Η μέθοδος που περιγράφεται στην συνέχεια χαρακτηρίζεται από την ακρίβεια των αποτελεσμάτων. 2.3.2 ΘΕΩΡΗΣΗ ΜΟΝΟΥ ΑΓΩΓΟΥ ΠΑΝΩ ΑΠΟ ΓΕΙΩΜΕΝΟ ΕΠΙΠΕΔΟ Όταν ένας αγωγός βρίσκεται υπό τάση πάνω από γειωμένο επίπεδο, πυκνότητα φορτίου σ (C/m2) επάγεται στο επίπεδο που βρίσκεται κάτω. Επομένως η μέγιστη τιμή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου εμφανίζεται στο κατώτατο σημείο της επιφάνειας του αγωγού. Ο υπολογισμός της έντασης στα διάφορα σημεία της επιφάνειας του αγωγού γίνεται με την μέθοδο των εικόνων [17] όπως φαίνεται στην εικόνα 33. ηλεκτρικό πεδίο V=0 ΕΙΚΟΝΑ 33 Δυναμικές γραμμές Ηλεκτρικού πεδίου γύρω από ένα θετικά φορτισμένα αγωγό(+q) και της εικόνας του(-q) [13]. Επομένως, με την μέθοδο αυτή αποδεικνύεται ότι το δυναμικό στα διάφορα σημεία του χώρου που απέχουν αποστάσεις D1και D2 από τα φορτία +q, -q αντίστοιχα, δίνεται από τον εξής τύπο: Αποδεικνύεται επίσης ότι ο συντελεστής δυναμικού P του Maxwell για τον υπολογισμό της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στην περίπτωση του ενός αγωγού δίνεται από τον τύπο: 50 Όπου: r0 η ακτίνα του αγωγού, Η το ύψος του αγωγού από το έδαφος (H>> r0). Στην θεώρηση λοιπόν ενός μόνου λείου αγωγού πάνω από γειωμένο δάπεδο, η μέγιστη τιμή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια του αγωγού δίνεται από τον εξής τύπο: Όπου: η εφαρμοζόμενη τάση στον αγωγό, η ακτίνα του αγωγού, Η το ύψος του αγωγού από το έδαφος (H>> ). 2.3.3 ΘΕΩΡΗΣΗ ΠΟΛΛΩΝ ΑΓΩΓΩΝ ΠΑΝΩ ΑΠΟ ΓΕΙΩΜΕΝΟ ΕΠΙΠΕΔΟ Η γενική μέθοδος υπολογισμού της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια ενός αγωγού σε μια τυπική Γ.Μ. 3 φάσεων R, S, T έχει τις ίδιες βασικές αρχές που περιγράφηκαν στο κεφάλαιο 2.3.2 με μια αυξημένη δυσκολία στην μαθηματική επίλυση του προβλήματος. Η μελέτη περιλαμβάνει τους αγωγούς όλων των φάσεων καθώς και τους αγωγούς προστασίας. Επομένως η διαφορά με την θεώρηση ενός μόνο αγωγού πάνω από το γειωμένο επίπεδο έγκειται στον υπολογισμό της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου ως συνάρτηση της γωνίας θ από το κέντρο του αγωγού (εικόνα 34) καθώς και ενός πλήθους φορτίων και των εικόνων τους για κάθε επιμέρους αγωγό της Γ.Μ. Η μέθοδος αυτή είναι γνωστή ως μέθοδος των διαδοχικών εικόνων. Αποδεικνύεται ότι για τη διερεύνηση του φαινομένου είναι επιτακτική η δημιουργία διαφόρων ισοδυναμικών επιφανειών. Στην 51 εικόνα 35 απεικονίζεται η μέθοδος αυτή για δύο αγωγούς πάνω από γειωμένο επίπεδο και γενικεύεται για όλες τις περιπτώσεις Γ.Μ. Ε(θ) Η ένταση Ε είναι συνάρτηση του θ Ε εξαιτίας του +q Ε εξαιτίας του -q Η μέγιστη ένταση Εmax είναι στην κατακόρυφη προς τα κάτω κατεύθυνση ΕΙΚΟΝΑ 34 Ένταση του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια του αγωγού σαν συνάρτηση της γωνίας από το κέντρο του [13]. 52 Γειωμένο επίπεδο ΕΙΚΟΝΑ 35 Δύο αγωγοί s1 και s2 και το πλήθος των απαιτούμενων φορτίων για τον υπολογισμό της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου πάνω στην επιφάνεια του αγωγού s1 [13]. Επομένως, για τυπικές Γ.Μ. 3 φάσεων με 6 αγωγούς, τα φορτία υπολογίζονται από την επίλυση της εξίσωσης: [P][Q]=[V] , Όπου: [V] ένας 6x1 πίνακας στήλη με στοιχεία την τάση του κάθε αγωγού (V), [Q] ένας 6x1 πίνακας στήλη με στοιχεία τα φορτία σε κάθε έναν αγωγό (C/m2), [P] ένας συμμετρικός 6x6 πίνακας συντελεστών δυναμικού (m/Farad). 2.3.4 ΘΕΩΡΗΣΗ ΔΕΣΜΗΣ ΑΓΩΓΩΝ ΠΑΝΩ ΑΠΟ ΓΕΙΩΜΕΝΟ ΕΠΙΠΕΔΟ Τα πλεονεκτήματα της χρήσης δέσμης αγωγών περιγράφηκαν αναλυτικά στο κεφάλαιο 2.2. Αποδεικνύεται ότι για δέσμες αγωγών σε Γ.Μ. η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια των αγωγών δίνεται από τον εξής τύπο [13]: 53 Όπου: Εav η μέση τιμή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια ενός αγωγού της δέσμης r0 η ακτίνα ενός αγωγού της δέσμης, rb η ισοδύναμη ακτίνα της δέσμης των αγωγών, όπως φαίνεται στην εικόνα 36, Ν το πλήθος των αγωγών της δέσμης, θ η γωνία όπως φαίνεται στην εικόνα 36. ΕΙΚΟΝΑ 36 Ορισμός στοιχείων δέσμης αγωγών [13]. Στην εικόνα 37 απεικονίζεται μια τυπική Γ.Μ. 500kV με 4 αγωγούς ανά φάση. 54 ΕΙΚΟΝΑ 37 Γ.Μ 500kVμε δέσμη 4 αγωγών ανά φάση [13]. Στην περίπτωση γραμμής μεταφοράς με οριζόντια διάταξη φάσεων η μέγιστη τιμή του μοναδιαίου πεδίου, Emax σε (V/m)/V, στην επιφάνεια των αγωγών των εξωτερικών φάσεων, θεωρώντας τους λείους, μπορεί να υπολογιστεί μέσω της εξής σχέσης [18]: όπου Ν το πλήθος των αγωγών ανά φάση, r0 η ακτίνα του κάθε αγωγού της φάσης, rb η ακτίνα της δέσμης των αγωγών, Η η απόσταση της γραμμής από το έδαφος, S η απόσταση μεταξύ των φάσεων, req η ισοδύναμη ακτίνα της δέσμης των αγωγών, η οποία δίνεται ως εξής: 55 Για τον αγωγό της κεντρικής φάσης, η παραπάνω σχέση μετασχηματίζεται ως εξής: Στην περίπτωση κατά την οποία δεν υπάρχει δέσμη αγωγών ανά φάση ( ) οι παραπάνω τύποι μετασχηματίζονται ως εξής: Για τους αγωγούς των εξωτερικών φάσεων: Για τους αγωγούς της κεντρικής φάσης: Εφόσον το πρόβλημα είναι αρκετά δύσκολο να επιλυθεί αναλυτικά, για τους υπολογισμούς της κατανομής του ηλεκτρικού πεδίου κοντά στην επιφάνεια των αγωγών χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό προσομοίωσης COMSOL Multiphysics 4.3.a. 56 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΜΕ ΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ COMSOL MULTIPHYSICS 3.1 ΓΕΝΙΚΑ Το κεφάλαιο πραγματεύεται την προσομοίωση της γραμμής μεταφοράς ΥΤ 150kV διπλού κυκλώματος σε δύο διαστάσεις (2D) στο μέσο του ανοίγματος μεταξύ των πυλώνων, όπου το βέλος ανάρτησης αποκτά τη μέγιστή του τιμή. Η προσομοίωση έγινε με τη βοήθεια του λογισμικού COMSOLMULTIPHYSICS 4.3.a. Αρχικά έγινε προσομοίωση για έναν αγωγό κάθε φάσης μόνο του και στη συνέχεια με όλες τις φάσεις της Γ.Μ. Μελετήθηκε η κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου στις δύο παραπάνω περιπτώσεις στις εξής διαδρομές: Αγωγό –γη ( R-E , S-E , T- E) Αγωγό-Αγωγό ( R-S, S-R, T-R, R-T, S-T, T-S ) Αγωγό – κατακόρυφα προς τα πάνω ( R-n, S-n ,T-n ) και βρέθηκε η διαδρομή του μέγιστου και του ελάχιστου πεδίου για κάθε αγωγό της Γ.Μ. SW T 28,95 21,45 13,65 R 17,55 S 3,15 4,05 5,15 ΕΙΚΟΝΑ 38 Σχεδιασμός ΓΜ 150kV σε 2 διαστάσεις. 57 Για την εύρεση της κατανομής του μοναδιαίου ηλεκτρικού πεδίου γύρω από τους αγωγούς, θεωρήθηκε ότι όταν η μία φάση βρίσκεται στο 1V, τότε οι άλλες δύο βρίσκονται στο -0.5V, όπως προκύπτει από τις κυματομορφές της εναλλασσόμενης τάσης (εικόνα39) των 3 φάσεων της Γ.Μ. 1 -0,5 ΕΙΚΟΝΑ 39 Κυματομορφές της εναλλασσόμενης τάσης των 3 φάσεων της Γ.Μ 150kV Στην περίπτωση του αγωγού προστασίας (SW), αν και γειωμένος, θεωρήθηκε ότι έχει 1V, ενώ οι φάσεις R,S,T έχουν αντίστοιχα 1V, -0.5V και –0.5V. Τέλος προέκυψαν οι καμπύλες Έντασης Ηλεκτρικού Πεδίου- Απόστασης από την επιφάνεια των αγωγών (E-r) και δόθηκαν τα σχετικά αποτελέσματα -συμπεράσματα στο επόμενο κεφάλαιο. 3.2 ΠΑΡΑΔΟΧΕΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ Το COMSOL Multiphysics είναι ένα λογισμικό για ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων για ποικίλα προβλήματα εφαρμογών φυσικής και μηχανικής, κυρίως για συνδυασμένα προβλήματα δύο ή πολλών τομέων. Κάποιοι από αυτούς τους τομείς είναι ο Ηλεκτρομαγνητισμός (Electromagnetics), ηλεκτροστατικό, μαγνητοστατικό πεδίο, εφαρμογές ηλεκτρομαγνητικού ψευδοστατικού πεδίου, ο τομέας Χημικής Μηχανικής (ChemicalEngineerning), η Μεταφορά Θερμότητας (HeatTransfer), Μικροηλεκτρομηχανολογικά (Microelectromechanics ή MEMS) κ.α. Αρχικά επιλέχθηκε για τη διάταξή μας επίλυση σε 2 διαστάσεις (2D) (εικόνα 40). 58 ΕΙΚΟΝΑ 40 COMSOL-Eπιλογή διαστάσεων. Στη συνέχεια επιλέχθηκε ο τύπος του φυσικού προβλήματος (“electrostatics”) (εικόνα 41). ΕΙΚΟΝΑ 41 Comsol- Επιλογή προβλήματος. Κατόπιν επιλέχθηκε το είδος μελέτης για τον συγκεκριμένο τύπο προβλήματος (stationary ) (εικόνα 42). 59 ΕΙΚΟΝΑ 42 Comsol- Επιλογή του είδους της μελέτης 3.3 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΑΓΩΓΟΥ ACSRLINNET 336.4 MCM 1ο βήμα Αρχικά έγινε η σχεδίαση της προς επίλυση διάταξης σε δύο διαστάσεις (2D). Ο αγωγός ACSRLINNET 336.4 MCM αποτελείται όπως αναφέρθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο από 33 συρματίδια (strands) συνολικά (εικόνα 43): 7 που αφορούν τον πυρήνα με ακτίνα r=1.58335mm 26 περιμετρικά του με ακτίνα r=2.9mm 60 ΕΙΚΟΝΑ 43 Comsol-Κατασκευή πολύκλωνου αγωγού Όπως μπορεί να παρατηρηθεί, το κέντρο του αγωγού βρίσκεται στο σημείο (4.05 , 13.65).Η μαθηματική ανάλυση του σχεδιασμού του πολύκλωνου αγωγού βρίσκεται στο παράρτημα στο τέλος της παρούσας διπλωματικής. 2ο βήμα Έπειτα ορίστηκαν τα χαρακτηριστικά της κάθε υποπεριοχής (υλικά). Εσωτερικά του πυρήνα εισήχθη χάλυβας (STEELAISI 4340) και περιμετρικά αλουμίνιο (ALUMINIUM). Το υπόλοιπο τμήμα του χώρου ήταν αέρας(AIR), και ο αγωγός βρισκόταν σε ένα τετράγωνο «άπειρο» χώρο, πλευράς 120m, που η κάτω πλάκα του απέχει όσο ο αγωγός από το έδαφος. Τα παραπάνω υλικά βρίσκονται στη βιβλιοθήκη MATERIALBROWSER του COMSOL(εικόνα 44) και η τοποθέτησή τους φαίνεται στην εικόνα 45. 61 ΕΙΚΟΝΑ 44 Comsol- Eπιλογή υλικών. ΕΙΚΟΝΑ 45 Comsol- Τοποθέτηση υλικών. 3ο βήμα Ακόμη ορίστηκαν οι παράμετροι του φυσικού προβλήματος. Εισήχθη ένταση ηλεκτρικού πεδίου Electricpotential=1V(pu) στον αγωγό (boundary selection) (εικόνα 46). 62 ΕΙΚΟΝΑ 46 Comsol- Ορισμός παραμέτρων. 4ο βήμα Η κάτω πλάκα του ορθογωνίου που προσομοιώνει το έδαφος ήταν γειωμένη. Παράλληλα επιλέχθηκε η διακριτοποίηση του χώρου- το πλέγμα (mesh) που θα λύσει το πρόβλημα. Η επιλογή του πλέγματος είναι κρίσιμη για την ακρίβεια των αποτελεσμάτων. Μετά από πολλές προσομοιώσεις και δοκιμές, επιλέχθηκε στα σημεία γύρω από την επιφάνεια του αγωγού και σε απόσταση 2r από το κέντρο του εκάστοτε αγωγού ένα είδος τριγωνικής διακριτοποίησης (free triangular mesh) πιο έντονα διανεμημένο (fine) (εικόνα47) ώστε να εξαχθούν ακριβή αποτελέσματα. ΕΙΚΟΝΑ 47 Comsol- Εισαγωγή πλέγματος (mesh). 63 5ο βήμα Στη συνέχεια επιλύθηκε η διάταξη καθώς εκτελέστηκε το είδος μελέτης (study) και προέκυψε η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου σε όλα τα σημεία του χώρου. Επιλέχθηκε η απεικόνιση να είναι με τα χρώματα του ουράνιου τόξου (Rainbow), ώστε εποπτικά να γίνεται πιο εύκολη η αναγνώριση των σημείων με μέγιστη ή ελάχιστη ένταση. Προφανώς εσωτερικά του αγωγού το πεδίο είναι μηδενικό (σκούρο μπλέ) και μέγιστο στην επιφάνειά του (κόκκινο). Ιδιαίτερα με έντονο κόκκινο στην εξώτατη επιφάνεια των συρματιδίων εμφανίζονται οι μεγαλύτερες τιμές του ηλεκτρικού πεδίου. Στην εικόνα 48 φαίνεται η κατανομή του Ηλεκτρικού πεδίου. Στη δεξιά στήλη απεικονίζεται η μέγιστη ένταση του ηλεκτρικού πεδίου, η οποία είναι Emax=19.415 (V/m)/ V. ΕΙΚΟΝΑ 48 Comsol- Ένταση Ηλεκτρικού Πεδίου στην επιφάνεια του αγωγού της φάσης R. Μεγεθύνοντας την εξώτατη επιφάνεια των συρματιδίων, παρατηρήθηκε υψηλότερη τιμή του πεδίου(εικόνα49). 64 ΕΙΚΟΝΑ 49 Comsol- Μέγιστη ένταση ηλεκτρικού πεδίου. 6ο βήμα Στο βήμα αυτό επιλέχθηκαν ορισμένες διαδρομές από την επιφάνεια του αγωγού, και σε ακτίνα 2r από το κέντρο του , χρησιμοποιώντας την εντολή CUTLINE2D ώστε να προκύψουν οι τιμές του ηλεκτρικού πεδίου πάνω σε αυτή την διαδρομή. Οι αντίστοιχες γραμμές (LINES) που φαίνονται στο παρακάτω σχήμα παίρνουν τιμές από κάθε ένα CUTLINE2D (εικόνα 50). 65 ΕΙΚΟΝΑ 50 Comsol- Επιλογή διαδρομής Το είδος που επιλέχθηκε για την κάθε μία διαδρομή έπρεπε να έχει όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ακρίβεια, γι’ αυτό στο Quality field επιλέχθηκε βέλτιστη ανάλυση (extra fine) (εικόνα 51). ΕΙΚΟΝΑ 51 Comsol- Βέλτιστη ανάλυση. 66 7ο βήμα Τελευταίο βήμα για να ολοκληρωθεί το πρώτο μοντέλο είναι να εξαχθούν οι καμπύλες της Έντασης του ηλεκτρικού πεδίου συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια του αγωγού. Για τον λόγο αυτό εξήχθησαν τα δεδομένα που είχε υπολογίσει το Comsol, για κάθε μία από τις διαδρομές που επιλέξαμε με την εντολή (εικόνα 52): RESULTS->DATA ->Export DATA ΕΙΚΟΝΑ 52 Comsol- Eξαγωγή δεδομένων. 67 3.4 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΓΡΑΜΜΗΣ 150kV (τύπος S4) Στο κεφάλαιο αυτό προσομοιώνεται σε δύο διαστάσεις η γραμμή μεταφοράς 150kV διπλού κυκλώματος με τις διαστάσεις που φαίνονται στην εικόνα 53. Σε κάθε μία από τις φάσεις R, S ,T τοποθετείται ένας πανομοιότυπος αγωγός όπως αυτός προσομοιώθηκε στην παράγραφο 3.3. SW T 28,95 21,45 13,65 R 17,55 S 3,15 4,05 5,15 ΕΙΚΟΝΑ 53 Σχεδιασμός της ΓΜ των 150kV. 3.4.1 ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ (ΦΑΣΗ R) 1ο βήμα Για την υλοποίηση ολόκληρης της γραμμής δημιουργήθηκε ένα νέο μοντέλο (model 2) στην ήδη υπάρχουσα ανάλυση, (model 2) (εικόνα 54) το οποίο πλέον ακολουθώντας τη διαδικασία του κεφαλαίου 3.3 είχε στο Geometry 2 field, μία σειρά από 205 κύκλους ( 33 συρματίδια για κάθε έναν από τους 6 αγωγούς και 7 συρματίδια για τον αγωγό προστασίας). Αξίζει να τονιστεί ότι θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί η εντολή ΜOVE για αντιγραφή του ενός αγωγού στις υπόλοιπες φάσεις S,T. Ωστόσο οι πολύ μικρές διαστάσεις 68 των αγωγών σε σχέση με τη γεωμετρία της γραμμής, κατέστησαν αδύνατη την προσομοίωση και την επίλυση του προβλήματος. ΕΙΚΟΝΑ 54 Comsol- Δημιουργία νέου μοντέλου H όλη γεωμετρία εισήχθη σε έναν κύκλο διαμέτρου 60m με διηλεκτρικό τον ατμοσφαιρικό αέρα. Παράλληλα χρησιμοποιώντας τη μορφή μιας πολυγωνικής γραμμής (Polygon 1) προσομοιώθηκε το γειωμένο έδαφος. 2ο -3ο βήμα Τα υλικά που αφορούν ολόκληρη τη γεωμετρία ήταν για κάθε έναν αγωγό τα ίδια με το προηγούμενο κεφάλαιο, δηλαδή air, steel AISI 4340 και aluminium, και επιλέχθηκαν από τον “material browser” του Comsol.Το είδος των παραμέτρων που εισήχθησαν για να επιλυθεί το πρόβλημα στο Electrostatics 2 field διαφέρουν ωστόσο με πριν. Αρχικά τροφοδοτήθηκε με τάση 1V(pu) η1η φάση και με τάση -0.5V( pu) τις άλλες 2. Η πολυγωνική γραμμή (πλάκα) αλλά και ο αγωγός προστασίας γειώθηκαν με την εντολή ground (εικόνα 55). 69 ΕΙΚΟΝΑ 55 Comsol- Τροφοδότηση των αγωγών με τάση. Σχετικά με την επιλογή του πλέγματος (mesh), ισχύει η ίδια ανάλυση που έγινε στο προηγούμενο κεφάλαιο για τον έναν αγωγό. Στην εικόνα 56 φαίνεται η μορφή που παίρνει η γεωμετρία σε αυτό το βήμα: ΕΙΚΟΝΑ 56 Comsol- Επιλογή πλέγματος. 70 4ο βήμα Στο βήμα αυτό εκτελείται όπως και πριν το είδος της μελέτης (study) στο Electrostatics field. Ωστόσο αξίζει να σημειωθεί ότι εφόσον το πρόβλημα και η διάταξη είναι απόλυτα συμμετρικά, μελετήθηκε μόνο το κομμάτι δεξιά του πυλώνα. Με άλλα λόγια, λοιπόν, η μελέτη του πεδίου έγινε αρχικά στον κάτω δεξιά αγωγό, σε μία προσπάθεια να γίνει εμφανές πώς η κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνειά του επηρεάζεται από την παρουσία των υπολοίπων (εικόνες 57-60). ΕΙΚΟΝΑ 57 Comsol- Κατανομή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου γύρω από την επιφάνεια των αγωγών. ΕΙΚΟΝΑ 58 Comsol- Κατανομή Ηλεκτρικού πεδίου (φάση R). 71 ΕΙΚΟΝΑ 59 Comsol-Κατανομή Ηλεκτρικού πεδίου (φάση S) ΕΙΚΟΝΑ 60 Comsol-Κατανομή Ηλεκτρικού πεδίου (φάση T). Ομοίως με πριν, στη δεξιά στήλη φαίνονται οι τιμές του ηλεκτρικού πεδίου στο χώρο. Παρατηρείται αύξηση της μέγιστης ηλεκτρικής πεδιακής έντασης σε Εmax=23.715V/m/V. Αξιοσημείωτο, αλλά και προφανές, είναι επίσης από τις παραπάνω εικόνες, ότι στην επιφάνεια του κάτω αγωγού της 1η φάσης (που βρίσκεται πιο κοντά στο γειωμένο έδαφος) αναπτύσσονται ισχυρότερα πεδία απ’ ότι στις άλλες 2 που βρίσκονται σε μεγαλύτερο ύψος. Ως παραδείγματα , επιλέχθηκαν σημεία αντίστοιχα στις επιφάνειες του κάτω αγωγού, όπου στο κάτω μέρος της εικόνας φαίνονται οι συντεταγμένες ενός σημείου κοντά στο μέγιστο κοίλο σημείο του κατώτερου κλώνου, και η τιμή της αντίστοιχης έντασης του Ηλεκτρικού πεδίου, με τιμή 22.78 V/m (εικόνα 61). 72 ΕΙΚΟΝΑ 61Comsol- Σημείο μέγιστης εντάσεως ηλεκτρικού πεδίου (φάση R). Ομοίως επιλέγονται σημεία στην επιφάνεια της 2ης φάσης, με συντεταγμένες που αναγράφονται στο κάτω μέρος της εικόνας, όπου όπως προαναφέρθηκε οι τιμές του πεδίου είναι σαφώς χαμηλότερες (εικόνα 62). 73 ΕΙΚΟΝΑ 62 Comsol- Σημείο μέγιστης εντάσεως ηλεκτρικού πεδίου (φάση S). 74 5ο -6ο βήμα Τα 2 αυτά βήματα είναι ίδια όπως και στην περίπτωση του 1 αγωγού, ωστόσο πρέπει να γίνουν κάποιες επισημάνσεις. Οι διαδρομές που επιλέγονται είναι (εικόνα 63): Αγωγός- Γη (R-E) Αγωγός-Αγωγός (R-S, R-T) Αγωγός –κατακόρυφα προς τα πάνω (R-n) ΕΙΚΟΝΑ 63- Διαδρομές εύρεσης κατανομής ηλεκτρικού πεδίου. Επομένως για κάθε μία από τις παραπάνω διαδρομές, εξάγονται τα αποτελέσματα (μέσω της εντολής ->export Data) και θα αναλυθούν στο επόμενο κεφάλαιο. 75 3.4.2 ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ (ΦΑΣΕΙΣ S,T) Πρέπει να σημειωθεί στο σημείο αυτό, ότι τα βήματα που ακολουθήθηκαν στα υποκεφάλαια 3.3 και 3.4 και αφορούν τον αγωγό της 1ης φάσης R και μελέτη της κατανομής του πεδίου γύρω από αυτόν, επαναλαμβάνονται και για τις άλλες δύο φάσεις, τροφοδοτώντας με 1V την φάση που μελετάται και -0.5V τις άλλες δύο (εικόνες 64 και 65). Ο αγωγός προστασίας είναι πάντα γειωμένος. Επομένως σε κάθε μία περίπτωση μελετήθηκε κάθε ένας αγωγό ξεχωριστά μόνος του, και στη συνέχεια με όλους τους υπόλοιπους. ΕΙΚΟΝΑ 64 Comsol – Μελέτη φάσης S. ΕΙΚΟΝΑ 65 Comsol – Μελέτη φάσης Τ. Όπως θα φανεί και από τα αποτελέσματα του επόμενου κεφαλαίου, σε κάθε έναν αγωγό εμφανίζονται διαφορετικές τιμές πεδίου, που σαφώς έχουν να κάνουν με την συγκεκριμένη γεωμετρία της γραμμής. Στη συνέχεια παρατίθενται τα αντίστοιχα σχήματα της κατανομής του ηλεκτρικού πεδίου στις φάσεις S,T. Στην αριστερή εικόνα μελετάται πάντα ο αγωγός μόνος του και στη δεξιά με όλους τους υπόλοιπους της ΓΜ (εικόνες 66 και 67). 76 ΕΙΚΟΝΑ 66 Comsol-Κατανομή ηλεκτρικού πεδίου φάσης S. ΕΙΚΟΝΑ 67 Comsol-Κατανομή ηλεκτρικού πεδίου φάσης T. 77 Τέλος, μελετάται μία ξεχωριστή περίπτωση (η χειρότερη) για τον αγωγό προστασίας (SW), όπου για την εύρεση της κατανομής του πεδίου γύρω του, τροφοδοτήθηκε με 1V αυτός και η κάτω φάση, και με -0.5V αυτές που βρίσκονται πλησιέστερα σ’ αυτόν (εικόνες 68 και 69). ΕΙΚΟΝΑ 68 Comsol – Μελέτη αγωγού προστασίας, SW. ΕΙΚΟΝΑ 69 Comsol-Κατανομή ηλεκτρικού πεδίου αγωγού προστασίας SW. 78 3.5 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΓΡΑΜΜΗΣ 150kV (τύπος S2) Στο κεφάλαιο αυτό περιγράφεται συνοπτικά η μελέτη της κατανομής του ηλεκτρικού πεδίου σε δύο διαστάσεις, της γραμμής μεταφοράς 150kV απλού κυκλώματος. Με την ίδια συλλογιστική πορεία που ακολουθήθηκε στο κεφάλαιο 3.4, προσομοιώθηκε η Γ.Μ. 150kV απλού κυκλώματος, η οποία δίνεται στην εικόνα 70. Η μελέτη της κατανομής του ηλεκτρικού πεδίου έγινε μόνο στις κατευθύνσεις προς τη γη και τις άλλες δύο φάσεις αντίστοιχα, εφόσον υπάρχει οριζόντια διάταξη των φάσεων. Σε κάθε μία από τις φάσεις R, S ,T τοποθετείται στο ίδιο ύψος ένας πανομοιότυπος αγωγός όπως αυτός προσομοιώθηκε στην παράγραφο 3.3. Η τροφοδότηση των αγωγών με τάση αλλά και η επιλογή της τριγωνοποίησης του χώρου δίνονται εν συντομία στις εικόνες 71-74. ΕΙΚΟΝΑ 70 Γραμμή μεταφοράς 150kV απλού κυκλώματος [5]. 79 ΕΙΚΟΝΑ 71 Comsol- Μελέτη φάσης R. ΕΙΚΟΝΑ 72 Comsol- Μελέτη φάσης S. ΕΙΚΟΝΑ 73 Comsol- Μελέτη φάσης T. ΕΙΚΟΝΑ 74 Comsol- Επιλογή πλέγματος. 80 Η κατανομή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου για τις 3 φάσεις της γραμμής μεταφοράς 150kV απλού κυκλώματος δίνεται συνοπτικά στις εικόνες 75-77 όπως προέκυψαν από το λογισμικό comsol multiphysics. Στην αριστερή πλευρά των εικόνων απεικονίζεται η μελέτη του πολύκλωνου αγωγού, ενώ στη δεξιά η θεώρησή του ως λείου. Επίσης αποτυπώθηκαν και οι διάφορες κατευθύνσεις στις οποίες πραγματοποιήθηκε η μελέτη της κατανομής της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου. ΕΙΚΟΝΑ 75 Comsol-Κατανομή ηλεκτρικού πεδίου αγωγού φάσης R. ΕΙΚΟΝΑ 76 Comsol-Κατανομή ηλεκτρικού πεδίου αγωγού φάσης S. 81 ΕΙΚΟΝΑ 77 Comsol-Κατανομή ηλεκτρικού πεδίου αγωγού φάσης T. Η ιδανική θεώρηση των λείων αγωγών παρουσιάζει σαφώς χαμηλότερες τιμές έντασης ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνειά τους, όπως φαίνεται στη δεξιά στήλη των εικόνων. Η μη ύπαρξη των συρματιδίων στους λείους αγωγούς δημιουργεί μία ομαλότερη κατανομή του μοναδιαίου ηλεκτρικού πεδίου, όπως θα φανεί στο επόμενο κεφάλαιο. 82 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ 4.1 ΓΡΑΜΜΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 150kV (ΤΥΠΟΣ S4) Συνολικά προέκυψαν 4 γενικές περιπτώσεις μελέτης της κατανομής του ηλεκτρικού πεδίου, που αφορούν την κάθε φάση και τον αγωγό προστασίας της γραμμής μεταφοράς 150kV διπλού κυκλώματος. Για λόγους ευκολίας, οι εικόνες από το COMSOL δίνονται σε κάθε διάγραμμα ώστε να φαίνονται οι διαδρομές που επιλέχθηκαν. Μετά από κάθε διάγραμμα, ακολουθεί συγκεντρωτικός πίνακας τιμών έντασης Ηλεκτρικού πεδίου σε χαρακτηριστικά σημεία πάνω στην εξώτατη επιφάνεια των αγωγών, αλλά και σε διπλάσια απόσταση από το κέντρο του αγωγού, όπως προκύπτουν από το λογισμικό COMSOL. 4.1.1 ΑΓΩΓΟΣ ΦΑΣΗΣ R Αρχικά, θεωρήθηκε μόνος του ο πρώτος αγωγός και στη συνέχεια με όλους τους υπόλοιπους, εξετάζοντας τον αγωγό όχι μόνο ως πολύκλωνο, αλλά και ως λείο. Ενδεικτικά στην πρώτη περίπτωση παρατίθεται και η εικόνα 78 από το COMSOL, στην οποία φαίνεται η κατανομή του πεδίου πάνω στην κατεύθυνση R-E (αγωγού-γης) για πολύκλωνο και λείο αγωγό. Κατόπιν, ακολουθούν οι καμπύλες της κατανομής του μοναδιαίου Ηλεκτρικού πεδίου συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια του αγωγού, υπολογιζόμενες προς την κατεύθυνση της γης. ΕΙΚΟΝΑ 78 Comsol- Κατανομή ηλεκτρικού πεδίου στην κατεύθυνση R-E (ΦΑΣΗ R). 83 Από την εικόνα 79 γίνεται εύκολα αντιληπτό, ότι η παρουσία των υπολοίπων αγωγών αυξάνει αισθητά την κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια του 1ου αγωγού (φάση R). Στη συνέχεια, έχοντας ως βάση αυτή την θεώρηση, και προσομοιώνοντας τη γεωμετρία της γραμμής των 150kV, εξάγονται οι καμπύλες (Ε-r) στις κατευθύνσεις που φαίνονται στην εικόνα 80 και δίνεται συγκεντρωτικός πίνακας των τιμών του ηλεκτρικού πεδίου (πίνακας 20) πάνω στην εξώτατη επιφάνεια των συρματιδίων του αγωγού της φάσης R, αλλά και σε διπλάσια απόσταση από το κέντρο του αγωγού. Ένταση ηλεκτρικού πεδίου Ε (V/m/V) 25 R-E (μόνος αγωγός) R-E (γραμμή) smoooth R-E (μόνος) smooth R-E (γραμμή) 20 15 10 5 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 r (cm) ΕΙΚΟΝΑ 79 Ένταση ηλεκτρικού πεδίου συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια του αγωγού (διαδρομή R-E). 84 ΕΙΚΟΝΑ 80 Ένταση ηλεκτρικού πεδίου συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια του αγωγού σε διάφορες διαδρομές. ΠΙΝΑΚΑΣ 20 Τιμές έντασης Ηλεκτρικού πεδίου σε απόσταση r 0 και 2r0. α/α ΔΙΑΔΡΟΜΗ ΕΝΤΑΣΗ ΗΛΕΚΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ(V/m)/V ΣΕ ΑΚΤΙΝΑ r0 ΕΝΤΑΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ (V/m)/V ΣΕ ΑΚΤΙΝΑ 2r0 1 R-E 20.90 8.32 2 R-S 22.26 8.44 3 R-T 21.83 8.423 4 R-n 23.52 8.43 Από τα παραπάνω προκύπτει το συμπέρασμα ότι η διαδρομή της μέγιστης εντάσεως του Ηλεκτρικού πεδίου είναι αυτής της κατακόρυφης προς τα πάνω απόστασης από την επιφάνεια του αγωγού (R-n). Αν και οι τιμές του πεδίου στις παραπάνω διαδρομές δεν διαφέρουν αισθητά, υψηλή τιμή πεδίου εμφανίζεται και στη διαδρομή ανάμεσα στις δύο φάσεις R-S. Το αρνητικό δυναμικό της φάσης S (-0.5V) σε συνδυασμό με την μικρότερη 85 δυνατή απόσταση του αγωγού της φάσης R από το έδαφος (γη) οδηγούν στην εμφάνιση του υψηλού αυτού πεδίου. Οι όποιες αιχμές εμφανίζονται στις παραπάνω καμπύλες οφείλονται στο είδος διακριτοποίησης του χώρου (triangular mesh). Αν και οι τιμές της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στους πολύκλωνους αγωγούς είναι περίπου 40% υψηλότερες από τις αντίστοιχες στους λείους, το είδος του mesh που επιλέχθηκε επηρεάζει και αυτή την αναλογία. Παρατηρήθηκε λοιπόν μικρή απόκλιση στους λόγους των τιμών των εντάσεων του ηλεκτρικού πεδίου στις καμπύλες των λείων αγωγών προς τις αντίστοιχες των πολύκλωνων. Για τον τύπο S2 οι λόγοι αυτοί κυμάνθηκαν από 1.2 έως 1.5 ενώ για τον τύπο S4 από 1.2 έως 1.4. Αξίζει, επίσης, να σημειωθεί ότι για να έχουν τα αποτελέσματα όσο το δυνατόν υψηλότερη ακρίβεια θα πρέπει πάντα να υπολογίζεται η κάθε διαδρομή από την μέγιστη καμπύλη του συρματιδίου. Ωστόσο, στην παρούσα ανάλυση, λόγω του ότι το μοντέλο της γραμμής των 150kV σχεδιάστηκε μία φορά, κάποιες διαδρομές για την εύρεση της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου δεν ξεκινούν από το σημείο της μέγιστης καμπύλης του συρματιδίου, όπως φαίνεται στην εικόνα 81(άσπρη γραμμή). ΕΙΚΟΝΑ 81 Comsol- Διαδρομές με αφετηρία τυχαία σημεία της επιφάνειας του συρματιδίου. 86 4.1.2 ΑΓΩΓΟΣ ΦΑΣΗΣ S Ομοίως, ακολουθώντας την ίδια διαδικασία με πριν, παρακάτω παρατίθεται η κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου συναρτήσει της απόστασης (Ε-r) από την επιφάνεια του αγωγού της φάσης S, ο οποίος προσομοιώνεται αρχικά μόνος του, και στη συνέχεια με όλη τη γραμμή των 150kV. Ένταση ηλεκτρικού πεδίου Ε (V/m/V) 25 S-E (μόνος αγωγός) S-E (γραμμή) smooth S_E (μόνος) smooth S-E (γραμμή) 20 15 10 5 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 r (cm) ΕΙΚΟΝΑ 82 Ένταση ηλεκτρικού πεδίου συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια του αγωγού (διαδρομή S-E). Από την εικόνα 82 γίνεται και στην προκειμένη περίπτωση εύκολα αντιληπτό, ότι η παρουσία των υπολοίπων αγωγών αυξάνει αισθητά το ηλεκτρικό πεδίο στην επιφάνεια του 2ου αγωγού (S) . Στη συνέχεια, έχοντας ως βάση αυτή την θεώρηση, και προσομοιώνοντας όλη τη γεωμετρία της γραμμής, εξάγονται οι καμπύλες (Ε-r) (εικόνα 83) στις κατευθύνσεις αντίστοιχα με την πρώτη περίπτωση και ακολουθεί συγκεντρωτικός πίνακας των τιμών του 87 ηλεκτρικού πεδίου πάνω στην εξώτατη επιφάνεια των συρματιδίων του αγωγού της φάσης S, αλλά και σε διπλάσια απόσταση από το κέντρο του αγωγού (πίνακας 21). ΕΙΚΟΝΑ 83 Ένταση ηλεκτρικού πεδίου συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια του αγωγού σε διάφορες διαδρομές. ΠΙΝΑΚΑΣ 21 Τιμές έντασης Ηλεκτρικού πεδίου σε απόσταση r 0 και 2r0. α/α ΔΙΑΔΡΟΜΗ ΕΝΤΑΣΗ ΗΛΕΚΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ(V/m)/V ΣΕ ΑΚΤΙΝΑ r0 ΕΝΤΑΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ (V/m)/V ΣΕ ΑΚΤΙΝΑ 2r0 1 S-E 22.63 9.11 2 S-R 23.12 9.14 3 S-T 21.61 9.05 4 S-n 11.98 9.06 88 Η διαδρομή του μέγιστου πεδίου προκύπτει ότι είναι και πάλι αυτή ανάμεσα στη φάση S και R. Ωστόσο παραπλήσιες τιμές πεδιακής έντασης, προκύπτουν και στην διαδρομή προς τη γη. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η περίπτωση προς την κάθετη κατεύθυνση, η οποία βρίσκεται ιδιαίτερα χαμηλότερα από τις υπόλοιπες, γεγονός που οφείλεται στα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της γραμμής. 4.1.3 ΑΓΩΓΟΣ ΦΑΣΗΣ T Στη συγκεκριμένη περίπτωση, εξετάζεται και πάλι ο αγωγός που βρίσκεται στο υψηλότερο σημείο (φάση Τ) αρχικά μόνος του και στη συνέχεια με όλους τους υπόλοιπους αγωγούς (εικόνα 84). Ένταση ηλεκτρικού πεδίου Ε (V/m/V) 25 T-E (μόνος αγωγός) T-E (γραμμή) smooth T-E (μόνος) smooth T-E (γραμμή) 20 15 10 5 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 r (cm) ΕΙΚΟΝΑ 84 Ένταση ηλεκτρικού πεδίου συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια του αγωγού (διαδρομή Τ-E). 89 Παρατηρείται και στην τελευταία αυτή φάση ανάλογη αύξηση με τις προηγούμενες περιπτώσεις, του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια του αγωγού. Στη συνέχεια, έχοντας ως βάση αυτή την θεώρηση, και προσομοιώνοντας όλη τη γεωμετρία της γραμμής, εξάγονται οι καμπύλες (Ε-r) (εικόνα 85) στις κυριότερες κατευθύνσεις. Η προς τα πάνω μελέτη του πεδίου δεν πραγματοποιείται καθώς δεν υπάρχει άλλος αγωγός- παρά μόνον ο γειωμένος αγωγός προστασίας. Τέλος, ο πίνακας 22 περιέχει τις τιμές του ηλεκτρικού πεδίου πάνω στην εξώτατη επιφάνεια του συρματιδίου του αγωγού της φάσης T αλλά και σε διπλάσια απόσταση από το κέντρο του αγωγού. ΕΙΚΟΝΑ 85 Ένταση ηλεκτρικού πεδίου συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια του αγωγού σε διάφορες διαδρομές. ΠΙΝΑΚΑΣ 22 Τιμές έντασης Ηλεκτρικού πεδίου σε απόσταση r 0 και 2r0. α/α ΔΙΑΔΡΟΜΗ ΕΝΤΑΣΗ ΗΛΕΚΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ(V/m)/V ΣΕ ΑΚΤΙΝΑ r0 ΕΝΤΑΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ (V/m)/V ΣΕ ΑΚΤΙΝΑ 2r0 1 T-E 19.17 7.96 2 T-S 20.16 7.86 3 T-R 19.63 7.94 90 Από το παραπάνω διάγραμμα και τον πίνακα 22, προκύπτει αναμενόμενα, ότι η πιο κοντινή φάση S επηρεάζει περισσότερο το πεδίο στην επιφάνεια του 3 ου αγωγού προς αυτή την κατεύθυνση. Ωστόσο, σε μακρινές αποστάσεις από την επιφάνεια του αγωγού παρατηρείται ότι το πεδίο εξασθενεί γρηγορότερα σ’ αυτή τη διαδρομή, απ ‘ ότι προς τα κάτω. 4.1.4 ΑΓΩΓΟΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ SW Αν και στην μέχρι τώρα ανάλυση, ο αγωγός προστασίας ήταν γειωμένος συνέχεια, σ’ αυτό το σημείο προσομοιώθηκε μια ειδική περίπτωση μελέτης του ηλεκτρικού πεδίου γύρω από τον αγωγό προστασίας, τροφοδοτώντας αυτόν με 1V και διατηρώντας τους υπόλοιπους αγωγούς όπως και στην παράγραφο 4.1.1. Στην εικόνα 86 δίνονται οι καμπύλες (Ε-r) που αφορούν τη μελέτη με τον αγωγό προστασίας μόνο του και στη συνέχεια με όλους τους υπόλοιπους αγωγούς των φάσεων. 35 SW_E (μόνος αγωγός) Ένταση ηλεκτρικού πεδίου Ε (V/m/V) SW-E (γραμμή) 30 25 20 15 10 5 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 r (cm) ΕΙΚΟΝΑ 86 Ένταση ηλεκτρικού πεδίου συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια του αγωγού (διαδρομή SW-E) 91 Όπως αναμενόταν, η επίδραση των υπόλοιπων αγωγών είναι και πάλι αισθητή. Ωστόσο, είναι μικρότερη αυτή η αύξηση του ηλεκτρικού πεδίου σε σχέση με τις προηγούμενες 3 περιπτώσεις, καθώς η διάμετρος του αγωγού προστασίας είναι αρκετά μικρότερη σε σχέση με τους αγωγούς φάσεων. Σε μια προσπάθεια να βρεθεί η διαδρομή με τις μέγιστες τιμές του ηλεκτρικού πεδίου και στην ειδική αυτή περίπτωση, επιλέχθηκαν οι διαδρομές ανάμεσα στον αγωγό προστασίας και τη γη, αλλά και προς τον πιο κοντινό αγωγό- αυτόν της φάσης Τ (εικόνα 87). ΕΙΚΟΝΑ 87 Ένταση ηλεκτρικού πεδίου συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια του αγωγού σε διάφορες διαδρομές. ΠΙΝΑΚΑΣ 23 Τιμές έντασης Ηλεκτρικού πεδίου σε απόσταση r 0 και 2r0. α/α ΔΙΑΔΡΟΜΗ ΕΝΤΑΣΗ ΗΛΕΚΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ ΣΕ ΑΚΤΙΝΑ r0 ΕΝΤΑΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ ΣΕ ΑΚΤΙΝΑ 2r0 1 SW-E 31.61 6.20 2 SW-T 31.04 6.17 92 Παρατηρείται ότι οι δύο αυτές διαδρομές εμφανίζουν παραπλήσια πεδία, καθώς και ότι η πιο κοντινή φάση επηρεάζει αισθητά το πεδίο και στην περίπτωση του αγωγού προστασίας. Γι’ αυτό η μέγιστη διαδρομή θα πρέπει να αναζητηθεί κάπου ανάμεσα. Στο σημείο αυτό κρίνεται αναγκαίο να δοθούν και συγκεντρωτικά οι καμπύλες για όλες τις παραπάνω περιπτώσεις για να ελεγχθεί η σε ποια περίπτωση εμφανίζεται μέγιστη ένταση ηλεκτρικού πεδίου (εικόνα 88). 25 Ένταση ηλεκτρικού πεδίου Ε (V/m/V) R-n (γραμμή) S-R (γραμμή) 20 T-S (γραμμή) 15 10 5 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 r (cm) ΕΙΚΟΝΑ 88 Διαδρομές μέγιστης πεδιακής έντασης συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια των αγωγών. Παρατηρείται ότι στην επιφάνεια της μεσαίας φάσης (S) εμφανίζονται υψηλότερες τιμές πεδίου και μάλιστα προς την κατεύθυνση της 1ης φάσης R. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί από την επίδραση των άλλων δύο αρνητικών δυναμικών των φάσεων R και T, που συντελούν στην υπέρθεση και ενίσχυση του συνολικού ηλεκτρικού πεδίου στον δεύτερο. 93 4.2 ΓΡΑΜΜΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 150kV (ΤΥΠΟΣ S2) Στο κεφάλαιο αυτό δίνονται συνοπτικά τα αποτελέσματα της μελέτης της κατανομής του ηλεκτρικού πεδίου στη γραμμή μεταφοράς 150kV απλού κυκλώματος. Η διαδικασία είναι πανομοιότυπη με αυτήν που ακολουθήθηκε στο κεφάλαιο 4.1. 4.2.1 ΑΓΩΓΟΣ ΦΑΣΗΣ R Από την εικόνα 89 προκύπτει ότι η παρουσία των υπόλοιπων αγωγών αυξάνει την κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου αλλά και τις μέγιστες τιμές του στην επιφάνεια του υπό μελέτη αγωγού. Στην εικόνα 90 δίνονται συγκεντρωτικά οι καμπύλες κατανομής του ηλεκτρικού πεδίου για τον αγωγό της φάσης R στις κατευθύνσεις προς τη γη και τις άλλες δύο φάσεις. Εφόσον η γραμμή μεταφοράς απλού κυκλώματος έχει οριζόντια διάταξη φάσεων, λόγω συμμετρίας, η κατανομές της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στις διάφορες 25 R-E (μόνος) Ένταση ηλεκτρικού πεδίου Ε (V/m/V) smooth R-E (μόνος) R-E (γραμμή) smooth R-E (γραμμή) 20 15 10 5 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 r (cm) ΕΙΚΟΝΑ 89 Ένταση ηλεκτρικού πεδίου συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια του αγωγού (διαδρομή R-E). 94 κατευθύνσεις σχεδόν συμπίπτουν. Στον πίνακα 24 δίνονται οι τιμές της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου πάνω στην επιφάνεια του αγωγού αλλά και σε διπλάσια απόσταση. ΕΙΚΟΝΑ 90 Ένταση ηλεκτρικού πεδίου συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια του αγωγού σε διάφορες διαδρομές. ΠΙΝΑΚΑΣ 24 Τιμές έντασης Ηλεκτρικού πεδίου σε απόσταση r 0 και 2r0. α/α ΔΙΑΔΡΟΜΗ ΕΝΤΑΣΗ ΗΛΕΚΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ(V/m)/V ΣΕ ΑΚΤΙΝΑ r0 ΕΝΤΑΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ (V/m)/V ΣΕ ΑΚΤΙΝΑ 2r0 1 R-E 23.31 8.45 2 R-S 22.86 8.44 3 R-T 22.55 8.45 95 4.2.2 ΑΓΩΓΟΣ ΦΑΣΗΣ S 25 S-E (μόνος) Ένταση ηλεκτρικού πεδίου Ε (V/m/V) S-E (γραμμή) smooth S-E (μόνος) smooth S-E (γραμμή) 20 15 10 5 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 r (cm) ΕΙΚΟΝΑ 91 Ένταση ηλεκτρικού πεδίου συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια του αγωγού (διαδρομή S-E). Ομοίως με την προηγούμενη περίπτωση, από την εικόνα 91 προέκυψε το συμπέρασμα ότι η παρουσία των υπόλοιπων αγωγών στην γραμμή μεταφοράς επηρεάζει και αυξάνει την κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου του αγωγού της φάσης S. Στην εικόνα 92 φαίνεται η κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου του αγωγού της φάσης S στις διάφορες κατευθύνσεις. Ανάλογα όμοια κατανομή προκύπτει στις διάφορες κατευθύνσεις με την περίπτωση του αγωγού της φάσς R. Παρατηρείται ότι η διαφορά στις μέγιστες τιμές της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στις διάφορες κατευθύνσεις οφείλεται στον σχεδιασμό μέσω του λογισμικού Comsol και την επιλογή του πλέγματος (mesh). Οι μέγιστες τιμές σημειώνονται με έντονο κόκκινο χρώμα στον πίνακα 25. 96 ΕΙΚΟΝΑ 92 Ένταση ηλεκτρικού πεδίου συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια του αγωγού σε διάφορες διαδρομές. ΠΙΝΑΚΑΣ 25 Τιμές έντασης Ηλεκτρικού πεδίου σε απόσταση r0 και 2r0. α/α ΔΙΑΔΡΟΜΗ S-E ΕΝΤΑΣΗ ΗΛΕΚΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ(V/m)/V ΣΕ ΑΚΤΙΝΑ r0 21.52 ΕΝΤΑΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ (V/m)/V ΣΕ ΑΚΤΙΝΑ 2r0 7.79 1 2 S-R 22.34 7.81 97 4.2.3 ΑΓΩΓΟΣ ΦΑΣΗΣ T Με ανάλογη λογική, τα αποτελέσματα της μελέτης του αγωγού της φάσης T φαίνονται στην εικόνα 93. 25 T-E (μόνος) Ένταση ηλεκτρικού πεδίου Ε (V/m/V) T-E (γραμμή) smooth T-E (μόνος) smooth T-E (γραμμή) 20 15 10 5 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 r (cm) ΕΙΚΟΝΑ 93 Ένταση ηλεκτρικού πεδίου συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια του αγωγού (διαδρομή Τ-E). Ομοίως με την προηγούμενη περίπτωση, από την εικόνα 93 προέκυψε το συμπέρασμα ότι η παρουσία των υπόλοιπων αγωγών στην γραμμή μεταφοράς επηρεάζει και αυξάνει την κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου του αγωγού της φάσης Τ. Στην εικόνα 94 φαίνεται η κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου του αγωγού της φάσης Τ στις διάφορες κατευθύνσεις. Ανάλογα όμοια κατανομή προκύπτει στις διάφορες κατευθύνσεις με την περίπτωση των αγωγών των φάσεων R και S. Παρατηρείται ότι η διαφορά στις μέγιστες τιμές της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στις διάφορες κατευθύνσεις οφείλεται στον σχεδιασμό μέσω του λογισμικού Comsol και την επιλογή του πλέγματος (mesh). Οι μέγιστες τιμές σημειώνονται με έντονο κόκκινο χρώμα στον πίνακα 26. 98 ΕΙΚΟΝΑ 94 Ένταση ηλεκτρικού πεδίου συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια του αγωγού σε διάφορες διαδρομές. ΠΙΝΑΚΑΣ 26 Τιμές έντασης Ηλεκτρικού πεδίου σε απόσταση r0 και 2r0. α/α ΔΙΑΔΡΟΜΗ T-E ΕΝΤΑΣΗ ΗΛΕΚΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ(V/m)/V ΣΕ ΑΚΤΙΝΑ r0 20.99 ΕΝΤΑΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ (V/m)/V ΣΕ ΑΚΤΙΝΑ 2r0 7.80 1 2 T-R 22.27 7.80 Στο σημείο αυτό κρίνεται αναγκαίο να δοθούν και συγκεντρωτικά οι καμπύλες για όλες τις παραπάνω περιπτώσεις για να ελεγχθεί η σε ποια περίπτωση εμφανίζεται μέγιστη τιμή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου. Από την εικόνα 95 προκύπτουν και πάλι παραπλήσιες μέγιστες τιμές της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια των αγωγών των τριών φάσεων, με υψηλότερη αυτή του αγωγού της κεντρικής φάσης R με κατεύθυνση προς τη γη. Οι αγωγοί των άλλων δύο φάσεων επομένως ενισχύουν το ηλεκτρικό πεδίο στη επιφάνεια του αγωγού της κεντρικής φάσης R. 99 25 R-E (γραμμή) Ένταση ηλεκτρικού πεδίου Ε (V/m/V) S-R (γραμμή) T-R (γραμμή) 20 15 10 5 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 r (cm) ΕΙΚΟΝΑ 95 Διαδρομές μέγιστης πεδιακής έντασης συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια των αγωγών. 100 4.3 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΠΕΔΙΟ ΣΤΗΝ ΟΝΟΜΑΣΤΙΚΗ ΤΑΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ (150kV) Στην περίπτωση οδευόντων κυμάτων υπέρτασης λόγω κεραυνικών πληγμάτων σε εναέριες γραμμές μεταφοράς είναι σημαντική η γνώση της τάσης έναυσης της εκκένωσης κορώνα γιατί καθορίζει εν πολλοίς την απόσβεση και παραμόρφωση των κυμάτων αυτών. Γι’ αυτό το λόγο, καθίσταται αναγκαία η εύρεση των διαδρομών των μέγιστων τιμών του ηλεκτρικού πεδίου γύρω από κάθε αγωγό στην κανονική τάση λειτουργίας των 150kV. ΠΙΝΑΚΑΣ 27 Αναγωγή μέγιστων τιμών πεδιακής έντασης στην ονομαστική τάση λειτουργίας (150kV). ΔΙΑΔΡΟΜΗ ΜΕΓΙΣΤΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΠΕΔΙΟ ΣΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΤΟΥ ΑΓΩΓΟΥ ΓΙΑ 150 kV Comsol (kV/cm) Θεωρητικές τιμές Σφάλμα (%) (peak) (rms) Γ.Μ. 150 kV διπλού κυκλώματος Comsol R R-n 23.52 - - 28.80 20.36 S S-R 23.12 - - 28.31 20.02 T T-S 20.16 - - 24.69 17.46 Γ.Μ. 150 kV απλού κυκλώματος ΤΥΠΟΣ Γ.Μ 150kV ΑΓΩΓΟΣ ΜΕΓΙΣΤΟ ΜΟΝΑΔΙΑΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΠΕΔΙΟ ΣΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΤΟΥ ΑΓΩΓΟΥ(V/m/V) R R-E 23.31 23.29 0.12 28.55 20.19 S S-R 22.34 22.18 0.71 27.36 19.35 T T-R 22.27 22.18 0.40 27.28 19.29 Συγκρίνοντας τις τιμές του ηλεκτρικού πεδίου της τελευταίας στήλης του πίνακα 27 με την τιμή του ελάχιστου πεδίου ιονισμού Ε0=26kV/cm σε κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, παρατηρείται ότι για κανονική λειτουργία ξεπερνιέται το ελάχιστο πεδίο ιονισμού στις φάσεις R και S της γραμμής μεταφοράς διπλού κυκλώματος και σε όλες τις φάσεις της γραμμής μεταφοράς απλού κυκλώματος. Οι τιμές αυτές σημειώνονται με έντονο κόκκινο χρώμα. Για τη Γ.Μ. 150kV απλού κυκλώματος χρησιμοποιήθηκαν οι σχέσεις του κεφαλαίου 2.3, οι οποίες ισχύουν για λείους αγωγούς της κεντρικής αλλά και των δύο εξωτερικών φάσεων. Ωστόσο, επειδή οι τιμές της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στους 101 πολύκλωνους αγωγούς είναι περίπου 40% υψηλότερες από τις αντίστοιχες στους λείους αγωγούς, τα αποτελέσματα πολλαπλασιάστηκαν με 1.4. Οι θεωρητικές αυτές τιμές, όπως φαίνεται στον πίνακα 27, βρίσκονται σε καλή συσχέτιση με τα αποτελέσματα που προέκυψαν από το λογισμικό (σφάλμα μικρότερο του 1%). Ενδιαφέρον είναι ότι η υψηλότερη τιμή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου παρατηρήθηκε μέσα σε απόκλιση περίπου 1% στις δύο γραμμές μεταφοράς. Τέλος, αξίζει να σημειωθεί ότι η παρούσα μελέτη έγινε για καθαρούς αγωγούς αγνοώντας τους παράγοντες που συντελούν στην αύξηση των τιμών του ηλεκτρικού πεδίου, οι οποίοι αναλύθηκαν στο δεύτερο κεφάλαιο και αφορούν τις καιρικές συνθήκες την ρύπανση και την υποβάθμιση των αγωγών («γήρανση»). 102 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη της κατανομής του ηλεκτρικού πεδίου γύρω από την επιφάνεια των αγωγών δύο τυπικών Γραμμών Μεταφοράς 150kV (τύπος S4 διπλού κυκλώματος και τύπος S2 απλού κυκλώματος) του Ελληνικού Συστήματος Μεταφοράς Ηλεκτρικής ενέργειας μέσω του λογισμικού Comsol Multiphysics. Οι μέγιστες τιμές του ηλεκτρικού πεδίου στην εξώτατη επιφάνεια των αγωγών συσχετίζονται με την έναυση και τις απώλειες ισχύος της εκκένωσης κορώνα στις γραμμές μεταφοράς και εξαρτώνται από τη γεωμετρία της γραμμής. Με βάση τη διερεύνηση της κατανομής του ηλεκτρικού πεδίου, προέκυψαν τα εξής: Οι μέγιστες τιμές ηλεκτρικού πεδίου και για τις δύο γραμμές μεταφοράς υψηλής τάσης απλού και διπλού κυκλώματος εμφανίζονται στις διαδρομές μεταξύ των φάσεων. Εξαιρώντας τον αγωγό προστασίας, στην περίπτωση της γραμμής μεταφοράς διπλού κυκλώματος η μέγιστη τιμή ηλεκτρικού πεδίου εμφανίζεται στην επιφάνεια του αγωγού της φάσης που βρίσκεται πιο κοντά στο έδαφος. Στην περίπτωση της γραμμής μεταφοράς απλού κυκλώματος, η μέγιστη τιμή ηλεκτρικού πεδίου εμφανίζεται στον αγωγό της κεντρικής φάσης. Οι μέγιστες αυτές τιμές ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια των αγωγών στις δύο γραμμές μεταφοράς εμφανίζουν πρακτικά ίσες τιμές, με απόκλιση μικρότερη του 1%. Για την ονομαστική τάση λειτουργίας της γραμμής οι αγωγοί των δύο φάσεων της γραμμής μεταφοράς διπλού κυκλώματος που βρίσκονται πιο κοντά στο έδαφος εμφανίζουν στην επιφάνειά τους τιμές ηλεκτρικού πεδίου μεγαλύτερες από το ελάχιστο απαιτούμενο ηλεκτρικό πεδίο για τον ιονισμό του αέρα σε κανονικές ατμοσφαιρικές συνθήκες, κάτι που συμβαίνει και στην περίπτωση του απλού κυκλώματος και για τις τρεις φάσεις. 103 Η κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου γύρω από τον αγωγό μιας φάσης μιας γραμμής μεταφοράς υψηλής τάσης επηρεάζεται από την παρουσία των υπολοίπων αγωγών φάσης. Επομένως, για τη μελέτη του ηλεκτρικού πεδίου στις γραμμές μεταφοράς είναι απαραίτητο να λαμβάνεται υπόψη η συνολική γεωμετρία της γραμμής. Εφόσον η γεωμετρία μιας γραμμής μεταφοράς καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου γύρω από τους αγωγούς φάσης, είναι αναγκαία η επί μέρους μελέτη των διάφορων γεωμετριών των γραμμών μεταφοράς. Ακόμη, προτείνεται η σύγκριση μεταξύ των αποτελεσμάτων της παρούσας εργασίας, όπου έγινε προσομοίωση σε δύο διαστάσεις (2D) με αυτών της προσομοίωσης σε τρεις διαστάσεις (3D) λαμβάνοντας υπόψη και σε αυτήν την περίπτωση την επίδραση του βέλους ανάρτησης. 104 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ Η προδιαγραφή TR2 των πολύκλωνων αγωγών ACSR περιλαμβάνει το πλήθος των συρματιδίων του πυρήνα (7 συρματίδια χαλκού) και το πλήθος γύρω από αυτόν (26 συρματίδια αλουμινίου) δεδομένης της συνολικής εξωτερικής διαμέτρου του αγωγού, η οποία είναι δ=18.31 mm. Εφόσον η μελέτη της κατανομής του ηλεκτρικού πεδίου γύρω από τον αγωγό έγινε σε δύο διαστάσεις στο λογισμικό Comsol, απαραίτητη ήταν η εύρεση της ακτίνας των κύκλων που προσομοιώνουν τα συρματίδια καθώς και οι συντεταγμένες των κέντρων τους. Πιο συγκεκριμένα, δεδομένης της εξωτερικής διαμέτρου των 18.31mm το πρόβλημα ανάγεται στον υπολογισμό της ακτίνας του κάθε συρματιδίου που εφάπτονται εσωτερικά στον κύκλο, με 16 κύκλους στην εξωτερική στοίβα ,10 στην αμέσως επόμενη και 6 στην τρίτη στοίβα. 1)Υπολογισμός ακτίνας Όπως είναι γνωστό από τη θεωρία της Απολλώνιας Επικάλυψης για την τοποθέτηση συγκεκριμένου πλήθους εφαπτόμενων κύκλων μεταξύ τους μέσα σε έναν μεγαλύτερο, τα κέντρα των κύκλων βρίσκονται στις κορυφές ενός κανονικού πολυγώνου. Αν φ είναι η κεντρική του κανονικού ν- γώνου, τότε αυτή δίνεται υπολογίζεται ως εξής: ή (1) Στο τρίγωνο (ΟΚ1Κ2) της εικόνας 96 ισχύει: Από το νόμο Ημιτόνων στο ίδιο τρίγωνο ισχύει: 105 Επομένως αν θεωρηθεί ότι η εξωτερική στοίβα περιλαμβάνει 16 κύκλους (ν=16), δεδομένης της ακτίνας του μεγάλου κύκλου R= ΕΙΚΟΝΑ 96 Υπολογισμός ακτίνας ρ εφαπτόμενου κύκλου εσωτερικά ενός μεγαλύτερου ακτίνας R. 106 η ακτίνα των κύκλων της πρώτης στοίβας προέκυψε από τη σχέση (2) ότι ρ1=1,49449mm Για την επόμενη στοίβα των 10 κύκλων, γίνεται ακριβώς η παραπάνω ανάλυση όπου η νέα ακτίνα R1ενός νοητού κύκλου στον οποίο εφάπτονται εσωτερικά οι 10 κύκλοι της επόμενης στοίβας υπολογίζεται ως εξής: Επομένως η ακτίνα των 10 κύκλων της δεύτερης στοίβας : Ομοίως για τα εξωτερικά 6-συρματιδία χαλκού του πυρήνα, τα κέντρα των οποίων βρίσκονται σε κανονικό εξάγωνο, ισχύει η παραπάνω ανάλυση. ΕΙΚΟΝΑ 97 7 σωματίδια πυρήνα του αγωγού. 107 2)Υπολογισμός των συντεταγμένων των κέντρων των κύκλων Έστω Ο (Χ0,Υ0) το κέντρο του κύκλου ακτίναςR, στον οποίο εφάπτονται εσωτερικά ν κύκλοι ακτίνας ρ. Τότε τα κέντρα ΚI , με i=0,1,2………,ν-1 είναι κορυφές κανονικού ν- γώνου και βρίσκονται σε κύκλο ακτίνας R-ρ. Οι συντεταγμένες των Ki αποτελούν λύση της μιγαδικής εξίσωσης Άρα οι συντεταγμένες των κέντρων των κύκλων , ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ 1η στοίβα :ΓΙΑ Χ0=4.05m, Y0=13.65m, ν=16, R=9.155mm, ρ=1,49449mm Ομοίως υπολογίζονται οι συντεταγμένες των κέντρων των κύκλων και για τη 2 η και 3η στοίβα. Στην εικόνα 98 απεικονίζεται η διαδικασία υπολογισμού των κέντρων Κ0, Κ1,Κ2 κ.τ.λ. ΕΙΚΟΝΑ 98 Υπολογισμός του κέντρου κύκλου ακτίνας ρ εφαπτόμενου εσωτερικά ενός μεγαλύτερου ακτίνας R. 108 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] http://www.admie.gr. [2] Π. Ντοκόπουλος, «Εισαγωγή στην Ενεργειακή Τεχνολογία ΙΙ», Θεσσαλονίκη, 2005. [3] Κ. Εξαδάκτυλος, «Μελέτη σφαλμάτων σε γραμμές μεταφοράς», Διπλωματική εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών. [4] Z. G. Datsios, P. N. Mikropoulos, and T. E. Tsovilis, “Estimation of the minimum shielding failure flashover current for first and subsequent lightning strokes to overhead transmission lines,” Electr. Power Syst. Res., doi:10.1016/j.epsr.2014.03.008, in press. [5] Τεχνική περιγραφή πύργων γραμμών μεταφοράς 150 kV, 400kV, Δημόσια Επιχείρηση Ηλεκτρισμού, Δεκέμβριος 1997. [6] T3DS.com/463699. [7] http://www.eeae.gr/gr/docs/president/_xamilosixna.pdf. [8] EPRI. 2007. Epri Transmission Line Reference Book 115-345kV compact line design, Third Edition. Electric Power Research Institute. Palo Alto, California. [9] Peek F W Dielectric Phenomena in HV Engineering (New York: McGraw- Hill) 1929. [10] C. Roero “Assessment of methods to reduce tonal emission from high voltage transmission lines during and after precipitation” Phd Eth Thesis. Zurich 2008. [11] Chartier V. L and R. D. Stearns. 1981. “Formulas for Predicting Audible Noise From Overhead High Voltage AC and DC Lines.” IEEE PAS-100. pp. 121-129. January. [12] IEEE Committee Report. 1973. “Comparison of Radio Noise Prediction Methods with CIGRE/IEEE Survey Results.” IEEE PAS-92. pp. 1029-1042. May/June. [13] EPRI. 2005. EPRI AC Transmission Line Reference Book – 200 kV and Above, Third Edition. Electric Power Research Institute. Palo Alto, California. [14] Chartier, V. L., D. E. Blair, R. D. Stearns, and D. J. Lamb. 1994. “Effect of Bundle Orientation on Transmission Line Audible and Radio Noise.” IEEE PWDR-9. pp. 15381544. July. 109 [15] Robertson, L. M. and J. K. Dillard. 1961. “Leadville High-Altitude EHV Test Project Report on 4 Years of Testing.” AIEE PAS-80. pp. 715-725. December. [16] Paris, L. and M. Sforzini. 1968. “RI Problems in HV Line Design.” IEEE PAS-87. Pp. 940946. April. [17] Reitz, J. and F. Milford. 1967. Foundations of Electromagnetic Theory. Reading, MA: Addison-Wesley Publishing Co. [18] EPRI. 2006. EPRI Extra High Voltage Ac Transmission Engineering , Τhird edition. Electric Power Research Institute. Palo Alto, California. 110
© Copyright 2024 Paperzz
