Sterowanie rozkładem pola
1. Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia było zapoznanie się z rozwią zaniami zaniami konstrukcyjnymi urzą dze dzeń elektrycznych wysokiego napięcia zmierzają cych cych do właściwego sterowania rozk ładem pola elektrycznego.
2. Przebieg ćwiczenia: 2.1 Sposoby sterowania polem elektrycznym:
W pierwszej cz ęści ćwiczenia zapoznaliśmy się z urzą dzeniami dzeniami wystę pują cymi cymi w laboratorium WN oraz ze sposobami rozwią zywania zywania problemu sterowania polem elektrycznym takich urzą dze dzeń jak transformatory, przek ładniki, izolatory WN czy ochronniki przeciwprzepi ęciowe. Czynniki wp ływają ce ce na rozk ład pola elektrycznego: • • • • • •
typ urzą dzenia dzenia kształt elektrod odstę py mi ędzyelektrodowe rodzaj uk ładu izolacyjnego krytyczne wartości natężenia pola elektrycznego zakres temperatur pracy i warunki odprowadzenia ciep ła
Wpływ kształtu elektrod:
Elementem kształtu elektrod, który wp ływa na rozk ład pola elektrycznego jest krzywizna elektrody. Dlatego d ąży się do tego, aby o ile to mo żliwe unikać w miejscach wystę powania wysokiego napięcia ostrych krawędzi. Ogólnie można przyjąć, że wzrost krzywizny powoduje wzrost natężenia pola elektrycznego. Przyk łady: • bieguny wyłą czników, czników, • osprzęt linii i stacji wysokich napi ęć (iskierniki, przewody, konstrukcje itp.) • wewnętrzne części aparatów elektrycznych Stopniowanie uk ładów izolacyjnych w kierunku promieniowym: W tym celu stosuje si ę konstrukcje uk ładu izolacyjnego uwarstwionego szeregowo o polu niejednostajnym z takim doborem przenikalno ści elektrycznych materia łów izolacyjnych poszczególnych warstw, aby uzyskać zmniejszenie niejednostajności pola elektrycznego i w rezultacie zmniejszenie grubo ści uk ładu uwarstwionego w stosunku do uk ładu jednorodnego.
Przyk ład: uk ład walcowy współosiowy uwarstwiony, złożony z dwu warstw materiałów wartościach przenikalności elektrycznych ε 1 i ε 2.
o
r r
E1m E2m E2mi
Stosunek grubości uk ładu dwuwarstwowego i jednowarstwowego zależy od przenikalności dielektrycznych warstw izolacyjnych. Istniej ą zatem możliwości wpływu na konstrukcje uk ładu przez dobór materia łów o odpowiednich właściwościach. Stopniowanie izolacji i w łaściwy dobór przenikalności elektrycznej obu warstw prowadzi do zmniejszenia grubości całkowitej izolacji dwuwarstwowej w porównaniu z grubością uk ładu ści natężenia pola jednorodnego przy zachowaniu tych samych maksymalnych warto elektrycznego w obu przypadkach.
2.2 Oszacowanie maksymalnej warto ści narażeń roboczych dla przyk ładowych odcinków kabli: • • •
2
HAKny 3x70 mm 8,7/15kV 2 YHAKXS 1x120 mm 12/20kV 2 NAYYBY 3x240mm 3,6/6kV
Wartość natężenia pola: U
E X
=
x ⋅ ln
R
R
r x
r
Wartość średnia: ε
U
E śr
=
a
•
E śr
U =
8,7
=
21 − 9,5
0,756 [
kV mm
] 2
dla kabla YHAKXS 1x120 mm 12/20kV i R=27 mm, r=12,3 mm mamy: U
=
=
a
•
E śr
=
a
•
E śr
2
dla kabla HAKny 3x70 mm 8,7/15kV i R=21 mm, r=9,5 mm mamy:
12
=
27 − 12,3
0,816 [
kV mm
] 2
dla kabla NAYYBY 3x240mm 3,6/6kV i R = 28 mm r = 17,6 mm mamy: U
=
=
a
3,6 28 − 17,6
=
0,346 [
kV mm
]
3. Analiza własności konstrukcji kabli: •
2
Kabel HAKny 3x70 mm 8,7/15kV:
Żyła: aluminiowa okr ąg ła Ekran na żyle: papier pół przewodzą cy Izolacja : papierowa Ekran na izolacji : papier metalizowany perforowany lub pó ł przewodzą cy Ośrodek kabla: izolowane, ekranowane żyły skr ęcone razem z wype łnieniem szczelin mi ędzy żyłami w postaci wk ładek z papieru lub juty i owini ęte taśmą bawełnianą przetykaną drucikami miedzianymi. Ośrodek kabla jest dok ładnie przesycony syciwem nieściekają cym Powłoka: ołowiana Osłona ochronna: polwinitowa Zastosowanie: do przesyłu energii elektrycznej
Objaśnienie symboliki literowej kabla : HAKny – kabel (HAK) elektro-energetyczny o polu elektrycznym promieniowym z żyłami aluminiowymi, o izolacji papierowej przesyconej syciwem nieściekają cym (n) i powłoce ołowianej z osłoną ochronną polwinitową (y) •
2
Kabel YHAKXS 1x120 mm 12/20kV
Żyła: aluminiowa okr ą gła Izolacja: z polietylenu usieciowanego Wypełnienie: z polwinitu Powłoka: polwinitowa Zastosowanie: do przesyłu energii elektrycznej Objaśnienie symboliki literowej kabla :YHAKXS - kabel (HAK) elektroenergetyczny o polu elektrycznym promieniowym z żyłami aluminiowymi, o izolacji z polietylenu usieciowanego (XS) i powłoce polwinitowej (Y). •
2
Kabel NAYYBY 3x240 mm 3,6/6kV
Kabel z żyłami aluminiowymi o powłoce z materia łu o zwiększonej odporności na rozprzestrzenianie się ognia i izolacji z polwinitu. Produkcja Irlandzka.
4. Zaprojektować izolacje kabla jednożyłowego SN 18/30 o przekroju żyły s=240 2 mm . Przyjęliśmy, że izolacja będzie izolacją jedno-warstwową wykonaną z polietylenu usieciowanego. Obliczony z przekroju promie ń żyły wynosi r 1=8,7 mm. Dane przyjęte do obliczeń: k dd k dk Edk Edd k m
1,5 0,9 60 90 1,65
kV/mm kV/mm -
Promień zewnętrzny kabla obliczony ze wzgl ędu na warunki Robocze - r 2=8,9 mm Udarowe - r 2=10,29 mm Promień dopasowany ze względu na najmniejsze nat ężenie pola E w izolacji (dla r 2/r 1=2,72) wynosi: r2DOP=23,8 mm. Zatem grubość izolacji wynosi: g = r2 - r1= 15 mm
ӨN Ө zw
90 C 250 C
R 90 j C tgδ
α
0,162 Ω/km 94 A/mm2 0,22 µF/km 0,0002 0,4 W/mK
Dla powyższych parametrów uzyskano nast ępują ce dodatkowe obliczenia: Straty w żyle aluminiowej przy maksymalnej temperaturze pracy d ługotrwałej: dPr1=10,88 [W/m]. Ciepło wydzielone na skutek strat dielektrycznych w jednowarstwowej izolacji kabla jest równe stratom: dPd=0,0041 [ W/m] WIZ=0,4 [Km/W] Obliczony opór cieplny izolacji o d ługości jednostkowej: Spadek temperatury w izolacji: dӨiz = 4,337 K.
