Wpływ długości przęsła na skutki mechaniczne prądu zwarciowego w oszynowaniu giętkim rozdzielni WN

Seria: ELEK TR Y K A z. 174 N r kol. 1472

M arek SZA D K O W SK I

WPŁYW DŁUGOŚCI PRZĘSŁA NA SKUTKI MECHANICZNE PRĄDU ZWARCIOWEGO W OSZYNOWANIU GIĘTKIM ROZDZIELNI WN

Streszczenie. A rtykuł przedstaw ia wyniki analizy w pływ u długości przęsła na param etry opisujące obciążenia zw arciow e w rozdzielniach w ysokich napięć. Do analizy w ykorzystano opracow any w Instytucie Elektroenergetyki i Sterow ania U kładów Poli­

techniki Śląskiej program kom puterow y W ASP.

INFLUENCE OF SPAN LENGTH ON MECHANICAL EFFECTS OF FAULT CURRENT IN FLEXIBLE BUSING OF HV SUBSTATIONS

Sum m ary. The paper presents results o f analysis o f the effect o f span length on fault load param eters in high voltage sw itching stations. The analysis w as perform ed using W A SP com puter softw are developed at the Institute o f Electrical Engineering and System C ontrol o f the Silesian Technical University.

1. W PR O W A D ZEN IE

Potrzeba uw zględnienia oddziaływ ań elektrodynam icznych przy projektow aniu i m oder­

nizacji oszynow ania giętkiego rozdzielni W N b yła od daw na sygnalizow ania w literaturze [1], Pierw sze prace na ten tem at pojaw iły się w połow ie lat dw udziestych bieżącego stulecia.

Przepływ ow i prądów zw arciow ych przez oszynowanie giętkie tow arzyszą bow iem złożone zjawiska, które m o g ą być opisane w yłącznie za pom ocą skom plikow anych modeli oblicze­

niow ych [1, 2, 4, 6]. A naliza tych m odeli stała się m ożliw a dopiero po zastosow aniu techniki kom puterowej. Jedną z w ielu istniejących obecnie na św iecie m etod (program ów kom pu­

terow ych) służących do szacowania skutków m echanicznych prądu zwarciow ego w oszyno- w aniu giętkim rozdzielni W N je st program W ASP [ 1 ,6 ], opracowany w IESU Politechniki Śląskiej w G liw icach. W łaśnie ten program został w ykorzystany do analizy w pływ u długości przęsła n a param etry opisujące obciążenia zw arciow e w rozdzielniach w ysokich napięć.

46 M. Szadkowski

2. W Y N IK I A N A LIZY

Program kom puterow y W A SP w ykorzystano do analizy w ychyleń przew odów dla typo­

w ych rozw iązań konstrukcyjnych przęseł szynow ych, stosow anych w polskich rozdzielniach WN. W analizie skoncentrow ano się n a obliczaniu i porów naniu następujących wartości, decydujących o obciążeniach zw arciowych:

> m aksym alnej siły naciągu przew odów F

> m inim alnej odległości dmn m iędzy w ychylającym i się w czasie zw arcia przew odam i sąsied­

nich f a z ,

> m aksym alnego w ychylenia konstrukcji w sporczych /t™„.

C elem analizy była ocena w pływ u długości przęsła na wyżej w ym ienione w artości oraz - w w ybranych przypadkach - n a trajektorię ruchu przew odu fazowego w środku przęsła i przebiegi czasow e sił naciągu przew odów i w ychyleń konstrukcji w sporczych. Uwzględniono przy tym następujące czynniki:

> w artość prądu p oczątkow ego I k ,

> długość przęsła,

> tem peraturę otoczenia i zw iązaną z n ią początkow ą siłę naciągu przew odów ,

W analizie uw zględniono jed y n ie przęsła szyn zbiorczych i szyny obejściowej. Pozostałe przęsła w rozdzielniach W N (głów nie odejściow e, przez które prąd zw arciow y płynie zawsze na odcinku znacznie krótszym od ich długości) zostały pom inięte. O cenę w yników analizy prow adzono, opierając się n a trzech kryteriach:

1) oszynow anie dw u sąsiednich faz nie m oże zbliżyć się n a odległość um ożliw iającą przeskok m iędzy fazami,

2) w artość dynam icznej siły naciągu nie m oże przekroczyć w artości dopuszczalnych dla przew odów , osprzętu i izolatorów ,

3) odkształcenie konstrukcji w sporczych nie m oże przekroczyć dopuszczalnych przem ieszczeń.

A nalizę prow adzono dla typow ych rozw iązań konstrukcyjnych przęseł szynow ych stoso­

w anych w krajow ych rozdzielniach 110 kV.

D opuszczalny odstęp dJop m iędzy przew odam i m ożna określić determ inistycznie. Dla m aksym alnego napięcia roboczego 123 kV odstęp ten w ynosi ok. 30 cm. P roblem em otw ar­

tym przy w ym iarow aniu odstępów je st ew entualne uw zględnienie przepięć łączeniow ych, a naw et atm osferycznych. A utor przyjął, że praw dopodobieństw o w ystąpienia takich przepięć w m om encie m aksym alnego zbliżenia przew odów różnych faz je st pom ijalnie małe.

M inim alna odległość m iędzy przew odam i tw orzącym i oszynow anie d„m w czasie ich ruchu pow inna spełniać zależność

H

W

(1)

W ytrzym ałość przew odów stosowanych w polskich rozdzielniach 110 kV określa obli­

czeniowa siła zryw ająca (np. 158 kN dla przew odów A FL8-525). Siła niszcząca dla izolato­

rów stacyjnych określona je st na poziom ie 100+140 kN w zależności od typu izolatora.

Przy projektow aniu typow ych konstrukcji w sporczych pod szyny zbiorcze przyjm uje się, że dopuszczalna siła naciągu F IIJop je st 1,3-^-1,5-krotnie w iększa od m aksym alnej statycznej siły naciągu, ja k a m oże w ystąpić w projektow anym przęśle. W polskich rozdzielniach 110 kV m aksym alna statyczna siła naciągu jednej fazy wynosi najczęściej 10 kN (w przypadku pojedynczych przew odów ) lub 15 kN (w przypadku wiązki dw uprzew odowej). Znając te siły oraz zastępcze w spółczynniki sprężystości analizowanych konstrukcji w sporczych [3] m ożna w yznaczyć dopuszczalne w ychylenie konstrukcji w płaszczyźnie poziomej

/ « - % ■ . (2)

przy czym kryterium dopuszczalnego w ychylenia konstrukcji wsporczej stanowi nierówność

fkw max < A - . (3)

g d z i e / h ^ - m aksym alne w ychylenie konstrukcji wsporczej w trakcie m chu przewodów.

2.1. D ługość przęsła

D ługość przęsła w ynika w przypadku szyn zbiorczych z szerokości pola oraz liczby pól w przęśle. W rozdzielniach napow ietrznych 110 kV szerokość po la w ynosi w większości przypadków 9 m. Przy liczbie pól przypadającej na jedno przęsło 3 do 4 daje to długość przęsła 27+36 m. P rzęsła o większej długości w ystępują jedynie w w yjątkow ych przypad­

kach. P rzęsła krótsze w ystępują natom iast w rozdzielniach uproszczonych (np. przęsła o długości 8 i 16 m , w g pracy [5]).

D ługości przęseł przyjm ow ane w obliczeniach w ychyleń przew odów są z reguły o ok.

3 ...4 m m niejsze od podanych powyżej. W ynika to stąd, że przew ody są zaw ieszone odcią­

gowo na łańcuchach izolatorów w układzie V, które praktycznie nie b io rą udziału w mchu.

Długość przęsła przyjm ow ana do obliczeń je st wobec tego rów na odległości 1 pom iędzy punktam i zam ocow ania przew odów do izolatorów.

2.2. W yniki analizy

W tablicy 1 oraz na rysunkach 4+7 przedstaw iono w yniki obliczeń dla przęseł o różnych długościach, z przew odam i pojedynczym i A FL-8 525. O bliczenia w ykonano dla zwarć dwu­

fazowych, zakładając trzy poziom y prądu początkowego 18,5, 25 i 40 kA (dla zwarcia trój­

fazowego). N a podstaw ie zależności

48 M. Szadkowski

w obliczeniach przyjęto w artości prądu początkow ego I k l, w ynoszące odpow iednio 16, 21,7 i 34,6 kA.

N a rys. 1 przedstaw iono trajektorie przew odu fazowego w środku przęsła dla przęseł o różnych długościach przy prądzie I k2 = 21,7 kA. W ynika stąd, że ruch przew odów je st bardzo zróżnicow any, w zależności od długości przęsła. W przęsłach bardzo krótkich (np. 8 m) prze­

w ód w ykonuje drgania o bardzo dużej częstotliw ości i m inim alnym w ychyleniu. W przęsłach dłuższych (16, 27 i 36 m ) przew ód obraca się w okół osi w yznaczonej przez punkty jego zam ocowania. W przypadku przęseł długich (np. 45 m ) przew ód porusza się ruchem w aha­

dłow ym o m ałej częstotliw ości i dużych prom ieniach wychylenia. Z różnicow ane (pod w zglę­

dem częstotliw ości oraz w artości am plitud) są rów nież przebiegi czasow e sił naciągu i w ychy­

lenia konstrukcji w sporczych, pokazane na rysunkach 2 i 3.

N a rys. 4. pokazano w pływ długości przęsła na stosunek sił Fim u/ F sl przy trzech pozio­

m ach prądu zw arciow ego. W ynika stąd, że - z w yjątkiem przęseł bardzo krótkich (do 8 m) - długość p rzęsła nie m a znaczącego w pływ u na w zrost sił dynam icznych F snax w stosunku do początkow ych sił naciągu F„. W przypadku prądów 16 i 21,7 kA , w zrost ten w ynosił średnio od 3 do 5, natom iast w przypadku prądu 34,6 kA ok. 9. Siły dynam iczne w ystępujące w ca­

łym zakresie analizow anych długości przęseł nie były niebezpieczne dla przew odów , izola­

torów i osprzętu. M aksym alne w ychylenie (ugięcie) konstrukcji w sporczych zw iązane jest z siłam i naciągu przenoszonym i na te konstrukcje w czasie w ychyleń przew odów oraz własnościam i m echanicznym i konstrukcji w sporczych. D la typow ych konstrukcji w sporczych pod szyny zbiorcze m ożna przyjąć, że ich dopuszczalne w ychylenie w ynosi 3,8 cm [1], Z ta­

blicy 1 oraz rys. 5 w ynika, że przy prądach l " 2 nie w iększych n iż 21,7 kA w ychylenia uw zględnianych w analizie typow ych konstrukcji w sporczych nie są niebezpieczne dla całego zakresu analizow anych długości przęseł. W przypadku prądu / " 2 = 34,6 kA niebezpieczeń­

stwo nadm iernego obciążenia konstrukcji w sporczych w ystępuje dla przęseł o długości pow y­

żej 27 m. W przeciw ieństw ie do m aksym alnej siły naciągu F ^ zbliżenie przew odów dmm jest ściśle zw iązane z d łu g o ścią przęsła, a w łaściw ie z początkow ą siłą naciągu F st oraz z po­

ziom em prądu początkow ego i " (rys. 6). W przypadku prądu l['2 nie w iększego niż 21,7 kA, dla przęseł o długości do 36 m , zbliżenia przew odów nie są niebezpieczne. N atom iast w przypadku p rądu I k2 = 34,6 kA niebezpieczeństw o nadm iernych zbliżeń przewodów poja­

w ia się ju ż dla przęseł o długości 30 m.

Tablica 1 W yniki obliczeń

D ane w ejściow e do obliczeń

7 m 8 16 27 30 36 40 45

/ m 4 12 23 26 32 36 40,4

F„ kN 1,3 1,1 3,15 3,0 3,0 3,0 3,0

W yniki obliczeń przy prądzie 18,5 kA ( I kl = 1 6 kA)

Fjmax N 2167 12140 11978 13313 12582 6254 6061

^min m 2,17 1,58 1,55 1,14 0,77 0,4 0,21

fkwmi\ cm 0,26 0,83 1,45 1,59 1,63 0,98 0,95

W yniki obliczeń przy prądzie 25 kA ( I k = 21,7 kA)

F,max N 1860 10564 15472 15631 19815 23707 11642

^min m 2,15 1,47 1,03 0,93 0,3 0,99 0

fkwmzx cm 0,28 0,75 1,87 1,83 2,24 3,1 1,65

W yniki obliczeń przy prądzie 40 kA ( I kl = 34,6 kA)

FŁ jitua N 9490 9154 20105 22537 25114 32302 27598

^min m 2,05 1,4 0,55 0,25 0 0 0

,/twmax cm 0,7 1,71 3,45 3,68 4,06 4,15 3,91

Pozostałe dane wejściow e: przew ody A FL-8 525; a = 2,2 m, S = 4,4 105 N/m,

m2kw= 185 kg, /, = 11 m, =lp2 = 3,3 m, <p = 180°, R /X = 0,07, y =0°, Tk = 0,2 s, gdzie: a - odległość m iędzy fazami, S - w spółczynnik sprężystości konstrukcji wsporczych,

m2kw - m asa zastępcza konstrukcji wsporczych, lp - długość poprzeczki konstrukcji w sporczych, /„, i lp2 - odległości m iędzy punktam i zaczepienia skrajnych faz a końcam i poprzeczki, cp - kąt przesunięcia m iędzy prądam i fazowym i, y - kąt zwarcia

2.3. U proszczone szacow anie skutków m echanicznych prądu zw arciow ego

W yniki analizy przedstaw ione na rys. 4+ 6 prow okują do próby opisania przedstaw ionych tam charakterystyk zależnościam i m atem atycznym i. W tym celu rzeczyw iste w ykresy propo­

nuje się zastąpić liniam i trendów. Po przekształceniach otrzym uje się np. następujące równa­

nie um ożliw iające bardzo proste szacow anie m inim alnej odległości m iędzy przewodami w czasie ich ruchu dla typow ego oszynow ania (AFL-8 525) polskich rozdzielni 110 kV:

d mtt = -( 0 ,0 0 1 7 " + 0 ,0 3 6 )7 + 2,61 dla 8 m < 7 < 4 5 m. (4)

50 M. Szadkowski

y[m] 0,5

i--- 1--- 1---T -2 -1,5 -1 -0,!

O

L = 8 m

-0,5

-1

-1,5 J L = 1 6 m

r°-5 1 1,W

i = 27 m L = 36 m

Z, = 40 m Z = 45 m

Rys. 1. T rajektorie ruchu środka przew odu dla różnych długości przęsła w w yniku przepływ u prądu zw arciow ego I k2 = 21,7 kA w czasie Tk = 0,2 s

Fig. 1. M ovem ent trajectories o f a conductor centre for different spans due to passage o f the short-circuit current l'k'2 = 21,7 kA during Tk = 0,2 s

W tablicy 2 porów nano w yniki obliczeń d ^ uzyskanych za pom ocą program u W ASP i zależności (4). Jak w ynika z porównania, dla typow ych sytuacji konstrukcyjnych polskich rozdzielni 110 kV zależność (4) m oże być z pow odzeniem stosow ana do szybkiego szaco­

wania dmD,

2 5 ,0 0 -r

~ 1 5 ,0 0 - -

u- 5 , 0 0 - -

i ^{— r} =F

-5 .0 0 4 0 ,5 9 0 ,9 9 1 ,3 9 1,79 2 ,1 9 T [s]

2 5 ,0 0 T

t£ 1 5 ,0 0 --

£

£ 5 ,0 0 - -

-5 ,0 0 4 0 ,7 9 1,59

T [s]

L = 8 m Z, = 16 m

2 5 ,0 0 -y

1 5 ,0 0 - -

Si

5 ,0 0

A /

-5 .0 0 4 0 ,3 9 0 ,7 9 1 ,1 9 1,59 1,99

T [s]

Z, = 27 m

2 5 ,0 0 T

„ 1 5 ,0 0 - -

I.

“■ 5 ,0 0

-U LA

-5 ,0 0 4 0 ,7 9 1 ,5 9 2 ,3 9 3,19 T [s]

L = 45 m

Rys. 2. Przebiegi czasow e sil naciągu przewodów w przęsłach o różnej długości w w yniku przepływ u prądu zw arciow ego Zk2 = 21,7 kA w czasie Tk = 0,2 s

Fig. 2. T im e variations o f conductor tension forces in different spans due to passage o f the short-circuit current I k2 - 21,7 kA during Tk= 0,2 s

52 M. Szadkowski

E

0

1

3 .5 T

2 .5 - -

1.5 - -

0,5

-0,5

L = 8 m

0 ,7 9 1,59

T [s]

L = 16 m

L = 27 m L = 45 m

R ys.3. Przebiegi czasow e w ychylenia konstrukcji w sporczych w przęsłach o różnej długości w w yniku przepływ u prądu zw arciow ego I k2 = 21,7 kA w czasie Tk = 0,2 s

Fig. 3. T im e variations o f support construction displacem ents in different spans due to pas­

sage o f the short-circuit current I kl = 21,7 kA during Tk = 0,2 s

P orów nanie w yników obliczeń

Tablica 2

L [m]

W A SP Zależność (4)

dmm w [m j dla I k 4™ w [m] dla I k

16 kA 21,7 kA 34,6 kA 16 kA 21,7 kA 34,6 kA

8 2,17 2,15 2,05 2,17 2,13 2,05

16 1,58 1,47 1,40 1,75 1,67 1,49

27 1,55 1,03 0,55 1,18 1,04 0,71

30 1,14 0,93 0,25 1,02 0,86 0,50

36 0,77 0,30 0,00 0,71 0,52 0,08

40 0,40 0,99 0,00 0,50 0,29 0,00

45 0,21 0,00 0,00 0,24 0,00 0,00

Rys 4. W pływ długości przęsła na m aksym alną siłę naciągu F snax Fig. 4. Influence o f a span length on a m axim um tension force F slmx

Rys. 5. W pływ długości przęsła n a m aksym alne w ychylenie konstrukcji w sporczych Fig. 5. Influence o f a span length on a m axim um displacem ent o f support constructions

Rys.6. W pływ długości przęsła n a m inim alną odległość m iędzy przewodam i Fig. 6. Influence o f a span length on a m inim um clearance betw een conductors

54 M. Szadkowski

LITER A TU R A

1. S zadkow ski M.: M etoda obliczania skutków m echanicznych prądu zw arciow ego w oszy- now aniu giętkim rozdzielni WN. Praca doktorska. G liw ice 1989.

2. B artodziej G., S zadkow ski M.: Projektow anie oszynow ania podatnego w rozdzielniach W N z uw zględnieniem dynam icznego działania prądów zw arciow ych. „B iuletyn Elektro- projektu” 1987, n r 2.

3. G ołąbek J., K opia A ., Szadkow ski M .: M etoda obliczania efektów m echanicznych działa­

nia prądu zw arciow ego oraz w spółczynników sprężystości konstrukcji w sporczych w roz­

dzielniach W N. P race N aukow e Instytutu Energoelektryki Pol. W rocław skiej, nr 68. Konf.

23. W PW , W rocław 1986.

4. Lilien J.L.: C ontraintes et consequences electrom ecaniques liees au pasage d'une intensité de courant dans les struktures en cables. These de doctorat. U niversité de Liege collection des publications n r 87, 1983.

5. T ablice m ontażow ych zw isów i naciągów dla rozdzielni 110, 220, 400 kV w g opracowań typizacyjnych. O pracow anie E nergoprojekt K raków nr 70-214.

6. Szadkow ski M.: W A SP program do szacow ania skutków m echanicznych prądu zw arcio­

w ego w oszynow aniu giętkim rozdzielni W N. M at. III Konf. N auk.-Techn.:"Zastosow anie K om puterów w E lektrotechnice - Z K w E ’98", Poznań/K iekrz 1998, ss. 205-208.

Recenzent: Prof, dr hab. inż. G erhard Bartodziej

W płynęło do R edakcji dnia 15 kw ietnia 2000 r.

Abstract

The paper presents results o f analysis o f the effect o f span length on fault load param eters in high voltage substations. The analysis w as perform ed using W A SP com puter software developed at the Institute o f P ow er System s and Control at the Silesian Technical University.

The analysis w as focused on the calculation and com parison o f the follow ing parameters, w hich affect the fault loads: conductor-tensioning force, m inim um distance betw een adjacent phase conductors displaced during fault, m axim um deviation o f support structures. The aim o f the analysis w as to evaluate the influence o f span length on those param eters. The following factors w ere taken into account: initial current l't ' , span length, am bient tem perature and initial conductor tensioning force, spacing betw een phases and fault duration time.

The evaluation o f analysis results was based on three criteria:

• adjacent phase buses cannot com e together close enough to create spark-over,

• the tensioning force cannot exceed perm issible values for the conductors, fittings and insu­

lators,

• deviation o f support structures cannot exceed perm issible distortion values.

The analysis w as m ade for spans, conductors, fittings and insulators used in HV substa­

tions in Poland. R esults are presented in the form o f tables, diagram s and m athem atical re­

lations.