Zasady wymiarowania izolacyjnych odstępów powietrznych w sieciach elektroenergetycznych

(1)

ZESZY TY N A U K O W E POLITEC H N IK I ŚLĄSKIEJ Seria: E L EK TR Y K A z. 174

2000 N r kol. 1472

Zbigniew G A C EK

ZASADY WYMIAROWANIA IZOLACYJNYCH ODSTĘPÓW POWIETRZNYCH W SIECIACH ELEKTROENERGETYCZNYCH

Streszczenie. W artykule przedstaw iono ogólne w ym agania w zakresie w ytrzym a

łości elektrycznej odstępów pow ietrznych, w ynikające przede w szystkim z zasad w spółczesnej koordynacji izolacji. Zaproponow ano sposób w ym iarow ania wybranych odstępów pow ietrznych w sieciach elektroenergetycznych o zróżnicow anych napięciach znam ionow ych oraz w ykonano kilka przykładów obliczeniowych.

PRINCIPLES OF DIMENSIONING OF AIR INSULATING CLEARANCES IN POWER NETWORKS

Sum m ary. The general requirem ents concerned electric strength o f air insulating clearances, resulting above all from principles o f contem porary insulation co-ordination, are presented in the paper. The dim ensioning m ethod relating to selected air insulating clearances in pow er networks o f different rated voltages is proposed and several calculation exam ples are done.

1. W PR O W A D ZEN IE

W ym iarow anie izolacji elem entów składowych sieci elektroenergetycznych je st procesem nadaw ania układom izolacyjnym określonych cech geom etrycznych, tj. kształtu i charak

teryzujących go w ym iarów - w tym rów nież odstępu m iędzy elektrodam i. Stanowi ono jedno z zadań inżynierskich, będąc istotną częścią projektow ania i konstruow ania każdego obiektu technicznego. C echy geom etryczne, należące do klasy struktur zewnętrznych, m a ją doniosłe znaczenie rów nież dla w iększości układów izolacyjnych. W arunkują one bow iem możliwość popraw nego działania izolacji w określonych w arunkach eksploatacyjnych

Przedm iotem rozw ażań są zasady w ym iarow ania odstępów pow ietrznych w sieciach elektroenergetycznych w ysokiego napięcia z przewodam i gołymi. Zasady te są związane

(2)

8 Z. Gacek

przede w szystkim z w ym aganiam i w ynikającym i ze współczesnej koordynacji izolacji, zaw artym i w norm ach europejskich [7] i [8]. Polskie w ersje tych norm są obecnie opra

cow yw ane w P olskim K om itecie N orm alizacyjnym (NKP nr 80). W obliczeniach uw zględ

niono rów nież w ym agania w ynikające z postanow ień znow elizowanej norm y [10] i przepisów [12]. Zakres rozw ażań nie obejm uje w ym iarow ania izolacyjnych odstępów pow ietrznych w sieciach z przew odam i w osłonach izolacyjnych.

2. O G Ó LN E W Y M A G A N IA W ZA K R ESIE W Y TR ZY M A ŁO ŚC I ELEKTR YC ZNEJ O D ST Ę PÓ W PO W IETR ZN Y C H

Izolacyjne odstępy pow ietrzne w sieciach elektroenergetycznych są zróżnicow ane pod w zględem ich długości, która zależy istotnie od następujących czynników :

• napięcia roboczego sieci, a dokładniej - determ inującego go napięcia znam ionowego (U n), najw yższego napięcia sieci (Us) i najw yższego napięcia urządzenia (U m);

• rodzaju elem entu składow ego sieci, którym m oże być linia napow ietrzna lub stacja elektro

energetyczna (napow ietrzna lub w nętrzowa);

• zn a m io n o w eg o p o zio m u izolacji, czyli zestaw u znorm alizow anych n ap ięć w y trzy m y  w an y ch ( Uw), k tó re ch a ra k te ry z u ją w ytrzy m ało ść e lek try cz n ą izolacji p rzy p rzep ię

ciach [7, 8, 9];

• rodzaju i kształtu elektrod, najczęściej o charakterze "ostrzow ym ", np. przew ód ro b o czy - słup.

B ardzo liczne odstępy pow ietrzne, w ystępujące w każdym w łaściw ie m iejscu linii lub stacji decy d u ją w znacznym stopniu o niezaw odności całej sieci. D latego też popraw ne w y

m iarow anie odstępów pow ietrznych je st w ażnym zadaniem projektanta sieci rozdzielczej i przesyłow ej. O gólne w ym agania w zakresie w ytrzym ałości elektrycznej odstępów pow ietrz

nych w y n ik ają z koordynacji izolacji [2]. U m ożliw ia ona praw idłow y w ybór oraz poprawne uszeregow anie w ytrzym ałości układów izolacyjnych i urządzeń ochronnych przed przepię

ciam i w zależności od:

a) w arunków pracy izolacji w określonych m iejscach sieci (z uw zględnieniem sposobu pracy punktu neutralnego oraz stopnia zagrożenia przez przepięcia1, zanieczyszczenia atm osfery i innych zm iennych oddziaływ ań środow iskow ych),

'Dla celów koordynacji izolacji przepięcia dzieli się na:

- przepięcia dorywcze (powstające najczęściej podczas zwarć doziemnych i ich eliminowania oraz przy nagłych zmianach obciążenia])

- przepięcia udarowe o łagodnym czole, o stromym czole i o bardzo stromym czole (powstające naj

częściej podczas stanów nieustalonych spowodowanych zwarciami, działaniami SPZ, uderzeniami piorunów, procesami łączeniowymi).

(3)

Zasady w ym iarowania izolacyjnych odstępów pow ietrznych . 9 b) środków oraz sposobów ograniczania przepięć łączeniow ych i dorywczych, np. poprzez

synchronizację procesów łączeniow ych oraz zastosow anie szeregow ych dław ików kom pensacyjnych lub kondensatorów równoległych,

c) środków ograniczania przepięć piorunow ych, np. za pom ocą urządzeń osłonow ych i ogra

niczników przepięć.

Zasadniczy w pływ n a koordynację izolacji i ochronę sieci elektroenergetycznych przed przepięciam i m a ją obecnie beziskiem ikow e ograniczniki przepięć (z w arystoram i zawie

rającym i tlenki m etali, głów nie ZnO). Realizując zadania koordynacyjne dąży się zazwyczaj do uzyskania ja k najlepszych efektów technicznych, przy ja k najm niejszych nakładach inw estycyjnych i kosztach eksploatacyjnych [4],

U kłady izolacyjne znajdujące się w e w spółpracujących z sobą elem entach składowych sieci nie są i najczęściej nie pow inny być jednakow o wytrzym ałe. Poziom y napięć w ytrzy

m yw anych przez układy izolacyjne podlegają zróżnicow aniu w zależności od m iejsca ich zainstalow ania (zadań funkcjonalnych) oraz zdolności do regeneracji w łasności elektroizo- lacyjnych po zaniku w yładow ania zupełnego. Izolacyjne odstępy pow ietrzne zaliczane są do grupy tzw. izolacji zew nętrznej, która regeneruje się po każdym przeskoku.

W spółczesna koordynacja izolacji polega na w yborze odpow iednich napięć znam iono

w ych i znorm alizow anych, które charakteryzują wytrzym ałość elektryczną izolacji w sieciach, urządzeniach i aparatach elektroenergetycznych [2, 7], M a ona na celu w yznaczenie kolejnych w ielkości, którym i są:

1) napięcia i przepięcia reprezentatywne ( U rp), charakteryzujące (odtw arzające) typowe ob

ciążenia elektryczne (napięciowe) izolacji,

2) koordynacyjne napięcia w ytrzym ywane ( t / w ) w rzeczyw istych w arunkach eksploatacyj

nych,

3) wym agane napięcia w ytrzym ywane ( U ^ ) podczas prób laboratoryjnych,

4) znorm alizow any poziom izolacji, czyli taki znam ionow y poziom izolacji, dla którego znor

m alizow ane napięcia w ytrzym yw ane ( U w) są skojarzone z najw yższym napięciem urzą

dzenia ( U m), ja k w tablicy 1.

Z nam ionow y poziom izolacji tw orzy zestaw następujących znorm alizow anych napięć w ytrzym yw anych, charakteryzujących w ytrzym ałość elektryczną izolacji:

• w sieciach o napięciu znam ionow ym nie przekraczającym 220 kV:

- w ytrzym yw ane napięcie krótkotrw ałe o częstotliw ości sieciowej (50 Hz),

- w ytrzym yw ane napięcie udarow e piorunow e, reprezentow ane przez udar piorunow y o stro

m ym czole (1,2/50 ps);

• w sieciach o napięciu znam ionow ym 400 kV i 750 kV:

- w ytrzym yw ane napięcie udarowe łączeniow e, reprezentow ane przez udar łączeniow y o łagodnym czole (250/2500 ps),

- w ytrzym yw ane napięcie udarow e piorunow e, reprezentow ane przez udar piorunow y o strom ym czole (1,2/50 ps).

(4)

Z n o rm al iz o w an e po zi om y iz o la cj i wg no rm y eu ro p ej sk ie j [7 ]

10 Z Gacek

ao

•8H

%

I

H-t

•a Eed

£

I J

'c d ’ w

.£3 -w

* I

S

O

V), N O

o c o * o O CO O

s o CS r »

r—1

CS c o

c o l O e s N -

T—4 r—

^l r—H (N CN CN

I

N

&

G

O O

c o c o

co os

O o CO O

c o o CN c o

O c o N - » o

' ' r “ ‘

•n o o o 10

•—< c o n- t—-4 r—« f-H o iK o

•o r - o

O ł—*' c o

§

^{o o}_{co O}

S 8 8

^ oo u

H r

o

'8*

§■

G

OCN

O O N -

SO

O

« o

r-

(5)

Zasady wym iarow ania izolacyjnych odstępów pow ietrznych 11

Zarówno znorm alizow any, ja k i znam ionow y poziom izolacji odpow iadają dość dokład

nie znam ionow ym napięciom probierczym izolacji w ysokonapięciow ych urządzeń elektry

cznych, określonym w norm ie [9]. N orm a ta m a być zastąpiona przez p o lsk ą w ersję normy [7], która w prow adzi niew ielkie zm iany w odniesieniu do definicji napięć probierczych oraz ogólnych w skazów ek w ykonyw ania prób.

Procedura koordynacji izolacji, opisana szczegółowo w norm ach [7] i [8] oraz artykule [5], nie je st dalej rozpatryw ana. W sieciach o napięciu znam ionow ym do 400 kV stosuje się pow szechnie m etodę determ inistyczną (przyczynowo-skutkow ą) koordynacji izolacji. W sie

ciach o bardzo w ysokich napięciach znam ionow ych podejm uje się zaledwie próby w prow a

dzenia m etody statystycznej uproszczonej. W norm ach [7], [8] i [9] istnieją dw a wyraźnie zróżnicow ane zakresy napięciowe: zakres 1 (1 kV < U m < 245kV ) i zakres II ( C/m > 245 kV ).

W ynika to stąd, że w sieciach średnich i w ysokich napięć decydującą rolę w procesie w y

m iarow ania i dobom izolacji odgryw ają przepięcia piom now e. Długości izolacyjnych odstę

pów pow ietrznych w sieciach najw yższych napięć są uwarunkow ane ich w ytrzym ałością elektryczną przy udarach łączeniow ych, m niejszą o ok. 15% niż przy udarach piorunow ych i porów nyw alną z w ytrzym ałością przy napięciu przem iennym .

Zarów no odstępy izolacyjne doziem ne, ja k i odstępy m iędzyfazow e m uszą charakte

ryzow ać się w ystarczającą w ytrzym ałością elektryczną przy napięciu roboczym (przem ien

nym ) i rozm aitych przepięciach. U proszczony w arunek ogólny, będący podstaw ą w ym iaro

wania odstępów pow ietrznych w sieciach elektroenergetycznych, m ożna sform ułować nastę

pująco: średnie przem ienne napięcie przeskoku U p i 50-procentowe udarow e napięcie p rze

skoku Up50 (piorunow e i/lub łączeniowe) izolacyjnego odstępu pow ietrznego nie może być m niejsze o d um ow nego napięcia obliczeniowego UMU, l 2 i 4) w zadanych warunkach pracy lub badania, przy czym w skaźnik "j" oznacza rodzaj napięcia - zgodnie z poniższym zesta

wieniem:

robocze p r o b i e r c z e

rodzaj napięcia przem ienne udarowe udarowe

50 Hz piorunow e łączeniowe

j 1 2 3 4

W dalszych rozw ażaniach św iadom ie różnicuje się form alny zapis w ielkości U p (napięcie przem ienne) i U pS0 (napięcie udarowe).

N apięcie obliczeniow e traktuje się albo jako doziem ne napięcie robocze sieci lub urządzenia (o w artości skutecznej w kV )2

2Dla izolacji międzyfazowej jest to międzyprzewodowe napięcie robocze U m.

(6)

12 Z Gacek

albo ja k o średnie lub je d n o z 50-procentow ych napięć przeskoku (o w artości szczytowej w kV):

^ o M O '2 . 3 , 4 ) = k p o p r ^ w ( y . 2 , 3 , 4 ) > ( 1 ^ )

gdzie:

Um - najw iększe napięcie urządzenia (m iędzyprzew odow e, w artość skuteczna w kV), k 2 = 14- V3 - w spółczynnik zw arcia doziem nego, uw zględniający sposób pracy punktu

neutralnego sieci (odpow iednio dla idealnie uziem ionego i odizolow anego punktu neutralnego),

C/w( 2,3.4)" je d n o ze znam ionow ych napięć w ytrzym yw anych z tabl. 1 (wartości skute

czne lub szczytow e w kV),

k popr = 1,1 (1,2) - w spółczynnik popraw kow y.

W spółczynnik k uw zględnia szacunkow o szerokość przedziału m iędzy średnim (50- procentow ym ) napięciem przeskoku a um ow nym statystycznym napięciem w ytrzym yw anym , które nie m oże być m niejsze od znorm alizow anego napięcia w ytrzym yw anego. O znacza to, że napięcia obliczeniow e U oblu=13 4) pow inny być w iększe o ok. 10% od znorm alizowanych napięć w ytrzym yw anych, którym i - dla izolacji regenerującej się - są statystyczne (10- procentow e) napięcia w ytrzym yw ane U wi0 W ynika to z następujących relacji:

• dla napięcia probierczego przem iennego

U = U ”'° « 1 ,0 7 U wi0, (2a)

1 - U c ,

• dla napięć probierczych udarow ych (piorunow ego i łączeniow ego)

^,50 = , « ( 1 .0 8 - 8 -1 ,1 2 )1 /^ , (2b)

w których cw « 0,05; 0,06; 0,08 - w spółczynnik zm ienności (stosunek odchylenia standardo

w ego do średniego lub 50-procentow ego napięcia przeskoku) odpow iednio dla przem iennego oraz udarow ego piorunow ego i łączeniow ego napięcia przeskoku w um iarkow anych i długich odstępach p ow ietrznych [4].

W iększe w artości w spółczynnika k popr (nie przekraczające jed n ak poziom u 1,2) m ożna przyjm ow ać dla krótkich odstępów pow ietrznych (do kilkudziesięciu m ilim etrów ) oraz wtedy, gdy napięcie przeskoku charakteryzuje się znacznym rozrzutem .

U w zględniając pow yższe w ym agania, w arunek ogólny dotyczący w ym iarow ania izola

cyjnych odstępów pow ietrznych m ożna zapisać form alnie następująco:

(7)

Zasady w ym iarow ania izolacyjnych odstępów pow ietrznych 13

• dla doziem nego napięcia roboczego

(3 a)

• dla napięcia probierczego przem iennego

Up “ ^o b l ( j = 1 ) ~ ^p o p r ^ w ( j = 2 ) ’

• dla napięcia probierczego udarowego piorunow ego

^ p S O — ^ a b l { j = 2 ) ~ ^ p o p r ^ w ( j = l ) >

• dla napięcia probierczego udarow ego łączeniowego

^ p S O “ ^ o b t ( j =4 ) ^ p o p r ^ w ( j = 4 ) *

(3b)

(3d) (3c)

N apięcia obliczeniow e t / oWO-,2 3 4) w yznacza się bezpośrednio na podstaw ie kolejnych znorm alizow anych napięć w ytrzym yw anych U w(jm2 34), zestaw ionych w tabl. 1. Należy uw zględnić ograniczenia w zbiorach pow yższych napięć, wynikające z przynależności sieci do jednego z dw óch zakresów napięciow ych (I lub II).

3. W Y M IA R O W A N IE O D STĘPÓ W POW IETRZN Y CH W SIECIACH Z PR ZEW O D A M I GO ŁYM I

Przed przystąpieniem do w ym iarow ania izolacyjnych odstępów pow ietrznych w sieciach elektroenergetycznych należy:

- w ytypow ać rozw ażany elem ent składow y sieci (w stacji lub linii napow ietrznej), - podać napięcie robocze sieci (np. poprzez zadeklarowanie napięcia U J ,

- określić znorm alizow any poziom izolacji, czyli skojarzyć znam ionow y poziom izolacji z napięciem U J ,

- w ybrać układy zastępcze elektrod, jako m odele obliczeniow e dla rzeczyw istych układów izolacyjnych.

Pow yższe układy zastępcze elektrod służą do obliczania w ytrzym ałości elektrycznej od

stępów pow ietrznych w niesym etrycznych układach elektrod, której m iaram i są:

- średnie przem ienne napięcie przeskoku Up,

- 50-procentow e udarow e napięcie przeskoku Up50 (piorunowe lub łączeniowe, o zadanej biegunowości).

N apięcia przeskoku U i U pS0 m ożna wyznaczyć posługując się w ynikam i badań ekspe

rym entalnych odstępów pow ietrznych m iędzy rozm aitym i zastępczym i elektrodam i oraz po

wstałym i na tej podstaw ie w zoram i em pirycznym i. D la m ałych i um iarkow anych długości odstępów (do ok. 2500+3000 m m ) w zory te m ają najczęściej następującą ogólną postać:

(8)

14 Z. Gacek

U p — A jü + Bj 0 = 2 ),

U p 5 0 = A j a + B J

0 = 3),

^(4b)

(4a)

gdzie:

a - długość izolacyjnego odstępu pow ietrznego (w mm);

A j , B j - stałe obliczeniow e dla przedziałam i linearyzow anych em pirycznych krzywych w ytrzym ałościow ych (odpow iednio w kV /m m i kV).

W tablicy 2 zestaw iono rozm aite w zory em piryczne, służące do obliczania średnich i 50- procentow ych napięć przeskoku w pow ietrzu dla różnych obliczeniow ych układów zastęp

czych elektrod oraz m ałych i um iarkow anych długości odstępów izolacyjnych. Posługując się w zoram i em pirycznym i należy zw racać uw agę na warunki ograniczające zakres ich stoso

w alności. S ą one zw iązane przede w szystkim ze stopniem nierów nom iem ości pola elektry

cznego m iędzy elektrodam i, zależącego m.in. od długości odstępów m iędzyelektrodow ych.

Średnie i 50-procentow e napięcia przeskoku, w yrażone w zależności od długości odstępu elektrod zastępczych p ręt-p ły ta , przedstaw ione są przykładow o w postaci zbiorczych w ykre

sów na rys. 1.

Rys. 1. Zależności napięcia przeskoku w pow ietrzu (średnie w artości szczytow e) od długości odstępu elektrod p rę t-p ły ta uziem iona w edług w zorów em pirycznych 21...26 z tabl. 2 Fig. 1. R elationships betw een the flashover voltage in air (m ean peak values) and the gap

spacing o f the electrode system ro d -g ro u n d ed plate according to em pirical formulae 21 ...26 from the T able 2

N ajm niejszą dopuszczalną długość izolacyjnego odstępu pow ietrznego w sieciach roz

dzielczych (SN ) m ożna oszacow ać rów nież z ogólnego wzoru:

_ - napięcie przemienne 50 Hz 1500 -

napięcie udarowe

/ /

1000 -

500 -

.23

a

o _mm

0 500 1000 1500 2000

(5)

¿ 0 - 2 , 3 )

(9)

Z asady w ym iarow ania izolacyjnych odstępów pow ietrznych . 15

gdzie:

p =

^

> 1 - w spółczynnik nierów nom iem ości pola elektrycznego w obszarze mię- ,r dzyelektrodow ym (rys. 2),

- najw iększe natężenie pola elektrycznego w przestrzeni m iędzyelektrodow ej, E ir = U / a - średnie natężenie pola elektrycznego przy napięciu U m iędzy elektrodam i, E JUm j 3)- dopuszczalne natężenie po la elektrycznego przy napięciu przem iennym ( j = 2 )

i udarow ym piorunow ym (_/' = 3).

Rys. 2. W spółczynnik nierów nom iem ości pola elektrycznego dla kilku układów elektrod: 1- w alce ekscentryczne, 2 - w ale c-p ły ta uziem iona, 3 - w alce koncentryczne, 4 - kule ekscentryczne, 5 - kule ekscentryczne (jedna z kul uziem iona), 6 - k u la -p ły ta uzie

miona, 7 - kule koncentryczne (wg [1])

Fig. 2. N on-uniform ity electric field factor for several electrode systems: 1 - eccentric cylin

ders, 2 - cy linder-grounded plate, 3 - concentric cylinders, 4 - eccentric spheres, 5 - eccentric spheres (one sphere grounded), 6 - sphere-grounded plate, 7 - concentric spheres (acc. to [1])

Ze w zględu na bardzo szacunkow y charakter danych dotyczących elem entów składo

wych, w zór (5) m oże być przydatny jedynie w e wstępnej fazie w ym iarow ania odstępów izolacyjnych o niew ielkich długościach (do ok. 1000 mm). W pow yższym w zorze nie uw zglę

dnia się w ytrzym ałości elektrycznej odstępów izolacyjnych przy udarach łączeniowych (y = 4 ), poniew aż dotyczy on sieci o napięciu znam ionow ym niższym niż 220 kV.

(10)

16 Z. Gacek

£

HI

z e *

&

| S

O -

+«d fN sr£, U;

II

IIO.

ID

VI cd VI

uy u-II

i

L

^{i k}

cd

V I

PŚ | *

V I

Pś I »

(11)

cd . ta bl ic y 2

Zasady wym iarow ania izolacyjnych odstępów pow ietrznych . 17

(12)

cd . ta bl ic y 2

18 Z. Gacek

(13)

N apięcie przeskoku dla dużych i bardzo dużych izolacyjnych odstępów powietrznych, o długości co najm niej 2 m, m ożna wyznaczyć posługując się w zasadzie tylko w zoram i em

pirycznym i (tabl. 3). Najbardziej znany je st w zór Galleta-Leroya:

Up 3400^{g ,} ⁽⁶⁾

1^{+ -} a w którym :

a - długość odstępu pow ietrznego (w m);

k t = 14-1,5 - w spółczynnik przerw y iskrowej, tj. stosunek w ytrzym ałości krytycznej (m i

nim alnej) rozw ażanego odstępu pow ietrznego do w ytrzym ałości iskiem ika p rę t- płyta uziem iona [6].

W iększość w zorów zestaw ionych w tabl. 3 służy do obliczania tzw. krytycznych, czyli m inim alnych 50-procentow ych napięć przeskoku ( U ^ ). Jest to szczególnie istotne w przy

padku napięć udarow ych łączeniowych. Istnieją rów nież w zory em piryczne o postaci anality

cznej zbliżonej do w zorów (4). Średnie i 50-procentowe napięcia przeskoku dla długich od

stępów pow ietrznych, w yrażone w zależności od długości odstępu elektrod p rę t-p ły ta uzie

m iona, przedstaw ione są w postaci zbiorczych wykresów na rys. 3.

Rys. 3. Zależności napięcia przeskoku w pow ietrzu (średnie w artości szczytow e) od długości odstępu elektrod p rę t-p ły ta uziem iona w edług w zorów em pirycznych 1... 10 z tabl. 3 Fig. 3. Relationships betw een the flashover voltage in the air (m ean peak values) and the gap

spacing o f the electrode system rod-g ro u n d ed plate according to em pirical formulae 1 ...10 from the Table 3

(14)

20 Z Gacek

Tablica 3 N iektóre w zory em piryczne do obliczania napięć przeskoku w pow ietrzu dla długich i bardzo

długich odstępów pow ietrznych (w g [4] i [6]) Rodzaj

napięcia

Średnia wartość szczytowa napięcia przeskoku

Warunki ograniczające

Uwagi Nr

wzoru

- kV - - -

Przemienne 50 Hz

U+ p50 u kr50 U k ' 3400 ' j + 8 -) 2m < a < 20m

W oparciu o wzór Gaf- leta-Leroya wartości współczynnika k’; po

dane poniżej

1

Udarowe piorunowe

u ; 50 = U tr50 = (150ki + 380)a->

2m <,&<, 20m Wg Parisa i in.; warto

ści k, podane poniżej 2

Hp50 = Uta50 = E^so ' 3

u ; 50 = 530a + 20,4 0,4m < a < 10m

Układ pręt-płyta uziemiona

4

Upjo = 600a + 400 2m < a < 8m 5

u ; 50 = 550a + 67,8 0,4m <1 a < 8m Układ pręt-pręt uziemiony

6

u ; 50 = 540a + 387 3m < a < 8m 7

Udarowe łączeniowe

Tj-*- _ k 3400 u p50 >Jkr50 Ki , s

1+ !

2m < a < 20m Wg Galleta i Leroya 8

u+ _ U _ k 1350-a « 3

P50 — krfO - K, j 31+ 2UI 2m < a < 25m Wg Harbeca

i Manemenlisa 9 u ; 50 = U kr50 = (5 5 a+ 1 45 0 )k i *> 13m < a < 27m Wg Piginiego i in. 10

Rodzaj odstępu powietrznego

Współczynnik przerwy iskrowej przy

napięciu Minimalne udarowe piorunowe

napięcie przeskoku EkrS0 przemiennym 50 Hz

k

udarowym ki

- - - kV/m

Przewód- słup

fazy skrajne 1,4 1,25

550 + 640

okno słupa 1,3 1,2

Przewód-ziemia 1,3 1,1

Przewód-obiekt

uziemiony 1,45 1,35

Przewód roboczy-

przewód roboczy - 1,5

Przewód odgromowy-

przewód odgromowy - 1,6

Pręt-płyta uziemiona 1,2 1 480 ^ 530

’> Wartość szczytowa średniego (50-procentowego) napięcia przeskoku jest równa - z założenia - minimalnemu (krytycznemu) napięciu przeskoku

(15)

4. PR ZY K ŁA D Y O BLICZEN IO W E

Przykład 1. N ależy oszacować m inim alne długości odstępów pow ietrznych w rozdziel

niach w nętrzow ych o górnych napięciach znam ionow ych 6 kV i 110 kV.

W pierwszej kolejności wykorzystano w zór (5) i przyjęto zastępczy układ elektrod w alec- płyta uziem iona, a w artość w spółczynnika nierów nom iem ości pola ß = 3,5 dla a / r = 10 (z krzywej 2 na rys. 2). D otyczy to napięcia przem iennego i - w znacznym uproszczeniu - napięcia udarow ego piorunow ego. N a podstaw ie danych zawartych w [1] i [3] oszacowano, że E dlJm2) * 1.41 k V /m m (w artość skuteczna) i E i(j, 3) « 2 ,6 kV /m m (wartość szczytowa), jeśli w spółczynnik udaru dla "ostrzopodobnego" układu elektrod k u = 1,3.

D la zbiorów w artości znorm alizowanych napięć w ytrzym yw anych skojarzonych z U m - 7,2 kV i U m = 123 kV (tabl. 1) oraz w spółczynnika popraw kow ego k = 1,1 obli

cza się kolejne napięcia obliczeniow e U MU, 2 3 4), uzyskując ze w zoru (5) następujące m ini

m alne długości odstępów powietrznych:

min dla znorm alizowanego napięcia w ytrzym yw anego (w m m ) krótkotrwałego o częstotli

wości sieciowej

udarowego piorunow ego

rozdzielnia 6 kV 54 59 + 89

rozdzielnia 110 kV 505 + 625 667 +814

N ajm niejsze dopuszczalne długości odstępów izolacyjnych w pow ietrzu, występujące w sieciach rozdzielczych prądu przem iennego, są podane w przepisach [12] i wskazówkach [11], Z nieform alnego punktu w idzenia są to odstępy o m ałych i um iarkowanych długościach.

N ajm niejsze dopuszczalne długości odstępów izolacyjnych w pow ietrzu m iędzy elementami toru prądow ego a uziem ionym i konstrukcjam i w rozdzielnicach w nętrzow ych o napięciach znam ionow ych 6 kV i 110 kV w ynoszą odpowiednio: a minl = 90 m m i a mm2 =

= 9 0 0 + 1100 m m (zależnie od przyjętej wartości znorm alizowanego napięcia wytrzym yw a

nego udarow ego piorunow ego). N ajw iększe oszacowane długości odstępów pow ietrznych są więc m niejsze od obecnie dopuszczalnych:

- tylko o ok. 1% w przypadku rozdzielni 6 kV, - aż o ok. 20% w przypadku rozdzielni 110 kV.

Znaczne zróżnicow anie długości odstępów pow ietrznych w rozdzielni 110 kV, wyni

kających z rezultatów obliczeń i w ym agań przepisów , m oże być spow odow ane zbyt opty

m istycznym szacow aniem w artości param etrów w e w zorze (5). O znacza to zaniżenie wartości w spółczynnika (3 i/lub zaw yżenie wartości dopuszczalnego natężenia pola elektrycznego przy napięciach probierczych (dość arbitralnie przyjęto wartość w spółczynnika udaru k u). M oże to być rów nież efektem przyjęcia niezbyt odpow iedniego układu zastępczego elektrod. Świadczą

(16)

22 Z. Gacek

o tym w yniki obliczeń długości odstępów pow ietrznych w rozdzielni 110 kV , w ykonane na podstaw ie danych dla układu zastępczego elektrod p rę t-p ły ta uziem iona (tabl. 3 i rys. 1).

W obliczeniach posługiw ano się rów nież w zoram i z tabl. 2 (o kolejnych num erach porząd

kow ych 22 i 23) oraz w zoram i (3b) i (3c). Z obliczeń tych w ynika, że m inim alne długości odstępów pow ietrznych w rozdzielni wnętrzowej o napięciu znam ionow ym 110 kV wynoszą:

d la znorm alizow anego napięcia w ytrzym yw anego

krótkotrw ałego o częstotliw ości sieciowej udarowego piorunow ego

595 h-745 m m 910 + 1130 m m

O bliczone pow tórnie długości odstępów pow ietrznych są w ięc w zasadzie zgodne z najm niejszym i dopuszczalnym i odstępam i w pow ietrzu w rozdzielni o najw yższym napięciu urządzenia 123 kV.

W stacyjnych urządzeniach rozdzielczych przyjm uje się na ogół takie sam e długości odstępów izolacyjnych pow ietrznych doziem nych i m iędzyfazow ych, w ynikających przede w szystkim z w ym agań w zakresie w ytrzym ałości udarowej piorunow ej. M inim alne odległości m iędzy elem entam i należącym i do różnych obw odów są uzależnione od tego, czy dopuszcza się lub w yklucza pracę ludzi przy urządzeniach jednego obw odu, gdy sąsiedni obw ód je st pod napięciem . W celu zapew nienia bezpiecznej obsługi i eksploatacji rozdzielni stosuje się jed n ak zazw yczaj ogrodzenia ochronne.

Przykład 2. D la linii napow ietrznej o napięciu znam ionow ym 400 kV i znorm alizow a

nych napięciach w ytrzym yw anych 17w0=3) = 1300 kV (napięcie udarow e piorunow e) oraz U v{j, 4) = 1050 kV i U'w(jm4) = 1575 kV (napięcia udarow e łączeniowe, odpow iednio dla izo

lacji doziem nej i m iędzyfazow ej) należy obliczyć najm niejsze długości odstępów pow ietrz

nych przew ód - słup i przew ód - przew ód roboczy).

D ługości izolacyjnych odstępów pow ietrznych przew ód - słup m ożna obliczyć ze w zorów (3c) i (3d). W yrażają one w arunki, aby 50-procentowe napięcie przeskoku przy udarach piorunow ych i łączeniow ych (tabl. 3, w zory o num erach porządkow ych 2 i 8) były nie m niejsze od odpow iadających im napięć obliczeniow ych U MUmi) i U M(j=A). W artości w spół

czynnika przerw y iskrowej w e w zorach P arisa i G alleta-Leroya dla odstępu przew ód-słup m ieszczą się w przedziale k t = 1,2 1,25 (odpowiednio dla okna słupa i faz skrajnych). Obli

czenia w ykonuje się przy założeniu upraszczającym , że rozpatryw ane części obw odu nie zm ieniają sw ojego położenia, tzn. nie w ychylają się pod w pływ em w iatru lub zw arciow ych sił elektrom agnetycznych. Z obliczeń w ynika, że długości m inim alnego odstępu pow ietrznego przew ód - słup w ynoszą:

(17)

dla znorm alizow anego napięcia wytrzym yw anego

flmi» W udarowego piorunowego udarow ego łączeniowego

fazy skrajne 2,4 3,0

okno słupa 2,5 3,2

M inim alny odstęp pow ietrzny przew ód roboczy-ship pow inien m ieć w ięc długość co najmniej 3 m w fazach skrajnych i 3,2 m w oknie słupa.

D ługość odstępu przew ód - przewód m ożna obliczyć ze w zoru (6) dla w spółczynnika przerw y iskrow ej k l = 1 ,5 , a następnie z w arunku: U*iQ > Uobl{j, 4) = 1,1 U w(J=4), przy czym t / „ 0=4) je st znorm alizow anym napięciem w ytrzym yw anym udarow ym łączeniowym dla izolacji m iędzyfazow ej (tabl. 1)..W ynika stąd, że m inim alna długość odstępu powietrznego przew ód-przew ód pow inna wynosić co najmniej 4,1 m, czyli zaledwie o ok. 30% więcej niż w oknie słupa linii.

O długościach izolacyjnych odstępów pow ietrznych - zw łaszcza w lim ach wysokich i najw yższych napięć - decydują rów nież długość i sposób zaw ieszenia łańcuchów izolatorów.

D ługość tych łańcuchów m oże być uw arunkow ana ich w ym aganą w ytrzym ałością pow ierzch

niow ą (zabrudzeniow ą), a sposób ich zaw ieszenia decyduje z kolei o w ychyleniach pod w pływ em w iatru. K onieczność uw zględnienia tych czynników pow oduje, że długości rzeczy

w istych odstępów pow ietrznych są w iększe niż w ynikałoby to z obliczeń w ykonanych według zastosow anych w zorów em pirycznych. Ze w zględu n a przybliżony charakter takich obliczeń, ostatecznym spraw dzianem rezultatów w ym iarow ania izolacji pow ietrznej są w yniki prób i badań eksperym entalnych.

5. PO D SU M O W A N IE

• O gólne w ym agania w zakresie w ytrzym ałości elektrycznej odstępów pow ietrznych w się- ciach elektroenergetycznych w ynikają z postanow ień aktualnych norm europejskich dotyczą

cych koordynacji izolacji. Istotne je st w yraźne zróżnicow anie w ym agań w zależności od przy

należności sieci do tzw. I lub II grupy napięciowej (U m < 245 kV i U m > 245 k V ) .

• P odstaw ą w ym iarow ania odstępów pow ietrznych w sieciach elektroenergetycznych w yso

kiego napięcia je s t uproszczony w arunek ogólny, aby średnie przem ienne napięcie przeskoku oraz 50-procentow e udarow e napięcie przeskoku (piorunow e i/lub łączeniow e) nie było m niejsze od w łaściw ego napięcia obliczeniowego.

• Średnie przem ienne napięcia przeskoku i 50-procentow e udarow e napięcia przeskoku dla izolacyjnych odstępów pow ietrznych m ożna obliczyć za p om ocą odpow iednio wybranych w zorów em pirycznych (dla zastępczych układów elektrod). N apięcia obliczeniow e w yznacza

(18)

24 Z. Gacek

się ze zbioru znorm alizow anych napięć w ytrzym yw anych, które identyfikują znam ionow y poziom izolacji

• R ezultaty przykładów obliczeniow ych w skazują, że kryterium dostatecznej wytrzym ałości elektrycznej je s t w praw dzie w arunkiem koniecznym , ale nie jedynym i w ystarczającym do w ym iarow ania odstępów pow ietrznych w sieciach elektroenergetycznych. Istotne są również inne uw arunkow ania, m .in. bezpieczeństw o ludzi, m aszyn i pojazdów przem ieszczających się pod liniam i napow ietrznym i, a ponadto długość i sposób zaw ieszenia łańcuchów izolatorów.

O statecznym spraw dzianem popraw ności w ym iarow ania izolacji s ą w yniki badań.

LITER A TU R A

1. A fanasjew W .W .: S praw ocznik po elektriczeskim apparatam w ysokogo napriażenija.

E nergoatom izdat, Leningrad 1987.

2. Flisow ski Z., K osztaluk R.: W spółczesne m etody koordynacji izolacji. „Przegląd Elektro

techniczny” 1998, n r 2, ss. 36-40.

3. G acek Z.: P rzykłady obliczeniow e z techniki w ysokich napięć. Skrypt U czelniany Pol.

Śląskiej n r 1831, G liw ice 1994.

4. G acek Z.: W ysokonapięciow a technika izolacyjna. Wyd. Pol.. Śląskiej, G liw ice 1996.

5. K osztaluk R., Flisow ski Z.: K oordynacja izolacji polskich sieci w ysokich napięć. „Prze

gląd E lektrotechniczny” 1998 n r 2, ss.41-45.

6. K osztaluk R. i in.: T echnika badań w ysokonapięciow ych, t.I. W NT, W arszaw a 1985.

7. EN 600 71-1:1995 (IEC 71-1:1993, Seventh edition). Insulation co-ordination. Part 1:

D efinitions, principles and rules (w opracow aniu przez N K P nr 80).

8. EN 600 71-2:1997 (IEC 71-2:1996, Third edition). Insulation co-ordination. Part 2:

A pplication G uide (w opracow aniu przez N K P n r 80).

9. PN -81/E-05001 U rządzenia elektroenergetyczne w ysokiego napięcia. Znam ionow e napię

cia probiercze izolacji.

10.O chrona sieci elektroenergetycznych od przepięć; wskazów ki w ykonaw cze. Cz. I: Sieci o napięciu znam ionow ym od 1 do 110 kV. Polskie Tow. Przesyłu i Rozdziału Energii Elektrycznej, P oznań 1998.

11.Przepisy eksploatacji urządzeń elektroenergetycznych. Inst. Energetyki,. W yd. W EM A, cz.

I - W arszaw a 1989, cz. II - W arszaw a 1991.

Recenzent: Prof, dr hab. inż. Jerzy Skubis

W płynęło do R edakcji dnia 15 m aja 2000 r.

(19)

Z asady w ym iarow ania izolacyjnych odstępów pow ietrznych . 25

A bstract

Principles relating to dim ensioning o f air insulating clearances in high voltage power stations and overhead lines equipped w ith bare conductors are the subject area o f the paper.

Such principles are first o f all connected with requirem ents resulting from a contem porary co

ordination insulation, presented in European standards. D im ensioning o f air insulating clea

rances in overhead pow er lines w ith covered conductors, as a different problem , is not considered.

G eneral requirem ents regarding electric strength o f air clearances at the w orking voltage and various overvoltages are presented. The m ost im portant quantities appled in contem porary co-ordination insulation are presented: representative voltages and overvoltages, co-ordinatio- nal w ithstand voltages, required w ithstand voltages, and standard insulation level.

The sim plified general condition, as a base o f dim ensioning o f air clearances in high voltage pow er netw orks, is proposed. This condition associates the m ean alternative flashover voltage and 50-percent surge flashover voltages w ith the so called com putational voltages w hich correspond to standard w ithstand ones.

The m ethod useful to calculation o f the m ean alternative flashover voltage and 50-percent surge flashover voltages for air insulating clearances in M V, HV and VHV pow er netw orks is proposed. Tw o calculation exam ples regarding estim ation o f air-gap m inim al distances are presented. These exam ples concern the following air insulating distances: in 6 kV and 110 kV inside sw itching stations, in the support o f 400 kV overhead pow er line (conductor-support and co nductor-conductor distance).