Tényi V. Gusztáv - Villamos energetika I. előadásvázlat

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

06.09.21

Villamos energetika 1. eloadás

Villamos energetika 1. - eloadásvázlat (Novothny féle jegyzet alapján)

1.

A VILLAMOS ENERGIA ELOÁLLÍTÁSA

1.1.

A természeti energiahordozók átalakítása villamos energiává

Az egyes energiafajták anyagi megtestesítoi az energiahordozók. A természetben megtalálható energiahordozók az 00. primer energiahordozók • szén, olaj, fóldgáz, • víz, • hasadó anyagok stb A különféle energiafogyasztók az energia olyan formáját igénylik, amely • viszonylag gazdaságosan állítható elo, • a felhasználás helyén állandóan rendelkezésre áll, • nem kíván tárolást és • egyszeruen alakítható át mechanikai munkává, hové, fénnyé stb. Ilyen energia a villamos energia, amely a primer energiahordozók célszeruen átalakított közvetíto formája. VILLAMOSENERGIAÁTVITEL

TERMELÉS

Természeti (primer) energiahordozók

Átalakítás villamos

FELHASZNÁLÁS

Szállítás, elosztás

V illamosenergia- fogyasztók Helyi átalakítás

energiává

Energia helyi hasznosítása

Szén

H

Olaj Hálózatok Gáz

!-----I f-------l Mechanikai Motorok r-----I Világítás Vegyi FHo ény

~.

Elektrolízis Kemencék Eromuvek

I

Víz

Atom

Egyéb

1.1.-1. ábra. A villamosenergia-ellátás

Készítette: Tényi V. Gusztáv

61/11

folyamatának elvi vázlata

VE-ea-BSc

r

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.09.21

I

Az eromuvekben termelt villamos energia szállítása és elosztása a hálózatok feladata, míg a fogyasztói berendezések a villamos energiát a szükségleteiknek megfelelo formába alakítják át és hasznosítj ák. Az eromuveket a villamos energia termeléséhez felhasznált primer energiahordozók fajtájától függoen három nagy csoportba sorolhatjuk: • hoeromuvek, • vízeromuvek, • atomeromuvek.

29%

il

L.-J

12%

atom gáz olaj szén

•

víz

1.1.-2. ábra. A primer energiaforrások megoszlása a villamosenergia-termelésben A hoeromuvek A hoeromuvek tüzeloanyaga lehet: • szén, energetikai barnaszén: futoértéke 6000 ...6500 kl/kg. • olaj (vagy olaj származék) (pakura, goudron), amelyek futo értéke 40000 ...41000 kJlkg • fóldgáz. hoeromuvi földgáz futoértéke kb.35000 kl/kg A hoeromuvekben az energia átalakítás ának alapveto munkafolyamatai az alábbiak: • a tüzeloanyag kémiai energiáj ának átalakítása hoenergiává (a tüzeloanyag elégetése); • a hoenergia átadása a közvetíto közegnek; • a közvetíto közeg hoenergiájának átalakítása mechanikai energiává; • a mechanikai energia átalakítása villamos energiává. A tüzeloanyag elégetésének módja, illetve az alkalmazott közvetíto közeg szerint: • gozeromuveket és • gázturbinás eromuveket • kombinált ciklusú eromuveket különböztetünk meg.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

61/12

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

06.09.21

Villamos energetika 1. eloadás

Kozve .. ti'to közeg:

• vi, Tüzelo anyag

.

V'g" · ~-

"€ly

Mechanikai en ViU"""~

'n"~ Ho

energl~~~:>ozkkazazanan (---JI:-\ gOZ'( Nhl ~oz rbm .~

Vili ,"'"

I\

energia

•

... generátor)

a)

Villamos energia Tüzelo anyag b)

Vegyi

Mechanikai

Tüzelo energl/~f.~nergia. anyag · .~', liazturma ib"

Villamos " energia

~l~l~~.~: \----.

g~

'\

KiPU,fogót Ho gaz energia Ho . Közveti~o köze~: VIZ

Mechanikai

.~~ __ J

1'~:~:o-~?~energla'\ri1lar:lOs""-\ \ kazán J g OZ ,urbirr ~

Villamos

.~ generator

J

energia •.

c)

1.1.-3. ábra. A tüzeloanyagok villamos energiává alakításának elvi folyamatábrája a) gozeromuben, b) gázturbinás eromuben, c) kombinált ciklusú eromuben

A vízeromuvek

Mozg~i energI~,

___

1

Folyó

I

víz

Mech~ikai energIa

Víz \

/

(~

~-+--\turbinaJ+--\

___

1

''----..-----'

'

1.1.-4. ábra. A villamosenergia-termelés

Villa~os energIa

generátor ) ,,

•

,

elvi folyamatábrája vízeromuben

Az atomeromuvek: Közvetíto

VlZ

közeg:

Atom energIa Hasadó anyag

Ho

Ho

Mechanikai

energia

energia

energIa

Atomreaktor

1.1.-5. ábra. A villamosenergia-termelés Készítette: Tényi V. Gusztáv

Villamos energia

61/13

elvi folyamatábrája az atomeromuben VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

06.09.21

Villamos energetika 1. eloadás

Folytonosan megújuló (regeneratív) természeti energiahordozók: • a nap sugárzási energiája, • a szélenergia, • a geotermikus energia, • a tengerek ár-apály energiája. A villamos energiát közvetlenül eloállító magnetohidrodinamikus (MHD) generátorok: • atomelemek és • tüzeloanyag-cellák alkalmazásával. Becslések szerint a vízenergián kívüli regeneratív energiahordozókból termelt, ill. közvetlenül eloállított villamos energia részaránya az ezredforduló körül még az iparilag fejlett országokban sem fogja elérni az összes termelt villamos energia 1%-át.

1.2. A villamosenergia-szolgáltatás

minoségi követelményei

A villamos energia fogyasztói elvárás: • folyamatosan, • a megfelelo minoségben o a feszültség (turés, idobeli állandóság, lüktetésmentesség, felharmonikus-mentesség), o frekvencia, o a háromfázisú feszültségrendszer szimmetrikus volta, • üzembiztosan o kiesési valószínuség kicsi, azaz megbízhatóság nagy álljon a csatlakozási pontban rendelkezésükre. A csatlakozás helyén átvett villamos energia biztonságos és gazdaságos eljuttatása az egyes fogyasztói berendezésekhez a fogyasztó feladata. A fogyasztó és az áramszolgáltató szoros kapcsolatából következik, hogy aminoségi energiaellátás igénye miatt a fogyasztó se "szennyezze" a villamos hálózatot, azaz ne okozzon áram- ill., feszültségfelharmonikusokat (vezérelt egyenirányítók), feszültséglüktetéseket (ívkemencék), feszültségszimmetria- torzulásokat (aszimmetrikus terhelés).

1.3. A kooperációs villamosenergia-rendszerek jellemzoi A kooperációs villamosenergia-rendszer(VER): A távvezetékekkel összekapcsolt eromuvek, valamint az ezekhez csatlakozó különféle elosztó hálózatok és a hálózatokon keresztül ellátott villamosenergiafogyasztók összessége alkotja a kooperációs villamosenergia-rendszert, amelyben az eromuvek egymással szinkron kapcsolatban járnak. A nemzetközi kooperációs energiarendszerek • szomszédos országok (pl.: CENTREL), • országcsoportok (pl.: UCPTE) Napjainkban tehát világszerte általánossá váltak az országos és nemzetközi kooperációs villamosenergia-rendszerek.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

61/14

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.09.21

1.3.1. A kooperáció elonyei •

az eromuvi teljesítménytartalékok csökkennek, • a csúcsterhelés viselésében kisegítik egymást, • a terhelés elosztása gazdaságossá válik. • nagyobb egységteljesítményu generátorok beépítését teszi lehetové: • a fajlagos beruházási költség csökken, • afajlagos üzemköltségük kisebb • a kialakított többszörösen hurkolt hálózatokon csökken a hálózati veszteség.

1.3.2. Teljesítményeiosztás (a teherelosztó feladatai) A váltakozó áramú villamos energia nagy mennyiségben, gazdaságosan nem tárolható, tehát az eromuvekben mindenkor a fogyasztók pillanatnyi igényeinek megfelelo s természetesen a mindenkori veszteségeket is fedezo teljesítményt kell termelni. A napi terhelési görbe: Jellemzo nyári nap

I[PJoor

2000

v

I

I

II

l

Ir..

1

1:

6000 4000

Jellemzo téli nap

Export-import

szaldó

Szénhidrogén eromuvek Széneromuvek

6

12

18 24

6

12

18 24

_

Egyéb Atomeromuvek

1.3.-1. ábra. A magyar VER napi terhelési görbéje A napi terhelésben két terhelési csúcs jelentkezik: • délelotti csúcs, • esti csúcs. A csúcsterhelés (Pes) tehát a meghatározott idotartam (pl. nap, év) alatt igénybe vett legnagyobb villamos teljesítmény. Az év folyamán eloforduló csúcsterhelések közül a legnagyobbat maximális csúcsterhelésnek nevezzük. Az energiarendszer éves terhelésének alakulására jellemzo a napi csúcsterhelések burkológörbéje.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

61/15

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

06.09.21

Villamos energetika 1. eloadás

[P]=MW 7000 6500 6000 5500 5000 4500 4000

. i'. b . mar. " apr. maJ.Jun. " ., JU . '1 . aug. szep.t ok 1. nov. d eco Jan.le

napok

1.3.-2. ábra. A napi csúcsterhelések burkológörbéje a magyar energiarendszerben •

A hoeromuvek [q] = kJ/kWh:

egyik legfontosabb

muszaki-gazdasági

jellemzoje

a fajlagos

1998-ban hofogyasztás

ahol: = kJ a tüzeloanyagból felszabadított homennyiség, amelyet a villamosenergia-termelésre felhasznált tüzeloanyag tömegének ([m] = kg) és fajlagos futo értékének ([H] = kJ/kg) szorzatából számítunk, [Wki] = kWh az eromubol a hálózatba juttatott (kiadott) villamos energia mennyisége. • Az eromu hatásfokát tehát a következo összefüggésseI számíthatjuk ki: 360 1]=-·100 %, q [q] = kJ/kWh a fajlagos hofogyasztás ahol: 3600 kJ/kWh fajlagos hofogyasztás felel meg a 100%-os hatásfoknak. Ebbol a szempontból megkülönböztetjük: • Az alaperomuveket, amelyek az energiarendszer alapterhelését viszik, olyan terhelést, amely egész évben viszonylag egyenletes. • A menetrendtartó eromuveket, az olyan váltakozó terhelésu eromu, amelyik a napi terhelési görbe csúcsidon kívüli, viszonylag kisebb terhelésváltozásainak fedezésére szolgál. • A csúcseromuveket, melyek kihasználása jóval kisebb, rosszabb hatásfokúak, indulása viszonylag gyors, rugalmas, gyorsan igénybeveheto tartalékot jelentenek. Ilyen eromuvek a gázturbinás eromuvek vagy a vízeromuvek közül a tározós eromuvek. [Q]

A villamosenergia-rendszer

jellemzo méroszáma a csúcskihasználási óraszám, amely. wi tes

= --

Pes

,

(1.-3)

max

ahol: [Wt]

[Pes

= MWh a rendszer eromuvei által a vizsgált idoszakban termelt összes villamos energia mennyisége; max] = MW: a rendszer maximális csúcsterhelése a vizsgált idoszakban).

Készítette: Tényi V. Gusztáv

61/16

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

06.09.21

Villamos energetika 1. eloadás

A terhelési csúcsok csökkentésének eszköze lehet: • • •

Az együttmuködo villamosenergia-rendszerek létrehozása, az ipari fogyasztóknak adott vételezési menetrend, a villamos hotároló fogyasztóknak (pl. bojlerek, hotároló völgyidoszakban (pl. éjszaka) történo bekapcsolása.

villamos

kályhák,

stb.)

a

A villamosenergia-rendszer eromuveinek és hálózatainak üzemirányítását és az üzemmenet állandó ellenorzését a teherelosztók végzik. A teherelosztónak ehhez megfelelo információval kell rendelkeznie az energiarendszer eromuveinek, illetve a fontosabb, csomópont jellegu alállomásainak pillanatnyi teljesítményhelyzeférol, a csomópontok feszültségérol, a rendszer frekvenciájáról, az eromuvek és alállomások villamos kapcsolási állapotáról stb. Ezeket az információkat a teherelosztó a különféle távbeszélo-, távméro- és távjelzo-összeköttetéseken keresztül kapja meg. • A körzeti alteherelosztó (vagy közismertebb nevén körzeti diszpécser szolgálat - KDSZ) a foelosztó-hálózat és az elosztóhálózat valamely elhatárolt körzetének, illetve ugyanerre a hálózatra dolgozó kisebb helyi eromuveknek az üzemirányítását végzi. • A foelosztó-hálózat növekedésévei a KDSZ-ek a középfeszültségu elosztóhálózatok közvetlen üzemirányítását átadják az e célból létrehozott üzemirányító központnak (ÜIK). • Az Országos Villamos Teherelosztó (OVT) - amely a magyar villamosenergia-rendszer (VER) központi üzemirányító szerve - irányítása alá tartoznak az országos eromuvek (alaperomuvek), az országos alaphálózat, a nemzetközi kooperációs összeköttetések, valamint a körzeti teherelosztók (KDSZ-ek). • A nemzetközi foteherelosztó az országos teherelosztók közbeiktatásával végzi a nemzetközi kooperáció üzemirányítását és ellenorzését. Nemzetközi teherelosztó

Kooperáló villamosenergiarendszerek

Alaperomuvek

KDSZ-ek

Országos alaphálózat

Kiseromuvek

Üzemirányító központok (ÜIK)

Foelosztóhálózat

Villamosenergia nagyfogyasztók

Középfeszültségu elosztóhálózat

1.3.-3. ábra a VER operatív üzemirányításának rendszere

Készítette: Tényi V. Gusztáv

61/17

VE-ea-BSc

r I

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

06.09.21

Villamos energetika 1. eloadás

I

A teherelosztó feladatai: • • •

üzem-elokészítés, közvetlen üzemirányítás, ellenorzés.

A gazdaságos teherelosztás egyik eszköze az eromuvek számára készített napi menetrend. Az üzemeló'készítési feladatokat a teherelosztónak naponta el kell végezni.. Ezenkívül hosszabb távú (heti, havi és éves szintu) üzemelokészítési terveket is ki kell dolgozniuk. A közvetlen üzemirányítási és ellenorzési munka során folyamatosan ellenorizni kell az eromuvek menetrendtartását, a hálózat feszültségét és frekvenciáját, a teljesítmény elosztását, és szükség esetén azonnali beavatkozásokat kell foganatosítani a kívánt paraméterek biztosítása érdekében. A teherelosztó feladatát képezi az üzemi berendezések (kazán, turbina, generátor, transzformátor, távvezeték) karbantartási munkálatainál a berendezések leállításának és újbóli üzembe helyezésének engedélyezése. Üzemzavarok esetén azonnali intézkedésekkel kell a zavar kiterjedését megakadályozni, a fogyasztók energiaellátását a leheto leggyorsabban helyre kell állítani.

1.3.3. A magyar villamosenergia-rendszer jellemzo adatai Szlovákia

Ausztria

_

750kV 400 kV

Szlovénia • •

Horvátorszá2

220 kV Alállomás Eromu 120 kV-os kooperáló eromu

1.3.-4. ábra. A VER országos alaphálózata és eromuvei, kooperációs távvezetékei Az ábrán láthatók a 100MW-nál nagyobb beépített teljesítoképességu eromuvek is, amelyek egy része a korábban alaphálózati szerepet betölto 120kV-os hálózaton keresztül kooperálnak. (1996-ban 7000 km összhosszúságú 120kV-os hálózat üzemelt a VER-ben.)

1.3.4. Nemzetközi kooperációs villamosenergia-rendszerek

Európában

1990-ben Európában három nagy nemzetközi villamosenergia-rendszeregyesülés üzemelt: az VePTE, a közép- és kelet-európai volt KGST országok rendszeregyesülése és a NORDEL. (Nagy-Britannia

Készítette: Tényi V. Gusztáv

61/18

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.09.21

70GW teljesítoképességu kooperációs villamosenergia-rendszeréhez Anglia, Wales és Skócia hálózatai tartoznak, így ez tisztán nemzeti ellátó-rendszernek tekintheto.) A NORDEL a skandináv országok (Svédország, Norvégia, Dánia, Finnország és Izland) villamosenergia-rendszeregyesülése. Az egyik legnagyobb kooperációs villamosenergia-rendszer az UCPTE (Union for the Coordination of Production and Transmission of Electricity) rendszer, amelyet 1951-ben nyolc nyugat-európai ország (Ausztria, Belgium, Franciaország. Hollandia, Luxemburg. Német Szövetségi Köztársaság. Olaszország és Svájc) mértékadó villamosenergia-termelo és -szállító társaságai hoztak létre. A szervezethez 1978-ban csatlakoztak Spanyolország, Portugália, Törökország és Jugoszlávia villamos társaságai is, így 12 nyugat-európai ország nemzeti villamosenergia-rendszere üzemelt párhuzamosan az UCPTE rendszeregyesülés keretében. A villamosenergia-termelés 1996-ban 1709 TWh (1990-ben: 1470 TWh) értéket ért el. Ez, a forrásokat tekintve a következoképp oszlik meg: - vízenergia 16,4%, - atomenergia 38,4%, - hagyományos hoeromu 45,2%. Az UCPTE rendszerrel szinkron kapcsolatban üzemelnek Dánia szárazföldi részei és Albánia. Aszinkron kapcsolatok üzemelnek a NORDEL és Nagy- Britannia hálózataival, tenger alatti nagyfeszültségu egyenáramú kábeleken keresztül, ezenkívül párhuzamosan üzemel a CENTREL országok kooperációs rendszerével (1.3.-5. ábra).

1975

--

1980

1985

1990

1995

Összes forgalom (harmadik országokkal együtt) UCPTE-tagországok közötti forgalom

1.3.-5. ábra. Az UCPTE Az UCPTE (1996) új Alapszabálya foglalkozott a párhuzamos üzem eddigi és jövobeni kiszélesítésével - a CENTREL országok bekapcsolódásáról a kooperációba, valamint a bovítés egyéb lehetoségeirol. Kilátásba helyezték - gibraltári kapcsolatokon keresztül - a párhuzamos üzem felvételét a MarokkóAlgéria-Tunézia alakzattal. A távlati tervek között szerepel az aszinkron kapcsolat megvalósítása (az ÚTI. Balti Gyuru, amellyel Oroszországgal való együttjárás is megvalósulhat), valamint Görögországon és Bulgárián keresztül párhuzamos üzem felvétele Törökországtól Egyiptomig bezárólag. A magyar villamosenergia-rendszernek a KGST-VERE rendszerrel való együttmuködésébol három kedvezotlen öröksége volt: egyoldalúan eros hálózati kapcsolat a volt KGST-országokkal és gyenge kapcsolat az UCPTE irányába; nagy importhányad és egyoldalú importfüggoség a volt Szovjetuniótól;

Készítette: Tényi V. Gusztáv

61/19

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

a villamosenergia-ellátás normáknak.

06.09.21

Villamos energetika 1. eloadás minoségi

jellemzoi

nem

feleltek

meg

a nyugat-európai

A Szovjetunió politikai és gazdasági problémái, a KGST megszunése és a magyar gazdaságnak az Európai Unió felé irányuló tendenciája azt eredményezték, hogy a magyar, szlovák, cseh és lengyel villamosenergia-társaságok között szoros együttmuködés jött létre. Ennek eredményeként a négy villamosenergia-rendszer 1990-91-ben bejelentette az UCPTE-hez való csatlakozási szándékát. Ennek alapján 1995. október 18-án 12 óra 30 perckor a CENTREL-rendszert párhuzamosan kapcsolták az UCPTE-rendszerrel, akkor még próba üzem jelleggel. Ezzel kezdetét vette a próbaüzem második szakasza, amelynek tervezett idotartama hozzávetolegesen egy év volt. 1998-ra sikerült elérni, hogyaCENTREL egyesülés az UCPTE társult tagja legyen.

1.3.5. A villamosenergia-termelés

fo jellemzoi

A világ energiamérlegére jellemzo, hogy állandóan növekszik benne villamos energia részaránya; 1920-ban az összenergia-felhasználásban a villamosenergia részaránya kb. 7% volt, 1970-ben 25%, 1980-ban meghaladta a 30%-ot és valószínusítheto, hogy e tendencia a jövoben is érvényesül. Általában igaz az, hogy a villamosenergia-felhasználás szoros korrelációban van a gazdasági teljesítmény-, a nemzeti össztermék (GDP) alakulásával. (1.3.-6. ábra) %

500

--

Villamosenergia-felhasználás

1»1

GDP

300 100

1960 1970

1980 1990 1998

1.3.-6. ábra. A bruttó hazai termék (GDP) és a bruttó villamosenergia-fogyasztás korrelációja Magyarországon (Az l-es görbe jelzi a villamosenergia-felhasználást, a 2-es a GDP-t.) A villamosenergia-felhasználás növekedését korunkban jelentosen befolyásolják a primer energiahordozó készletek - elsosorban a koolaj - egyre csökkeno mértéke, a villamosenergia-termelés ezzel együtt növekvo költségei, valamint az eloállítás és hasznosítás különbözo módszereinek a környezetre gyakorolt káros hatásai (környezetszennyezés). Az üzemi eromuveket általában a nagyüzemek gyártási technológiájához szükséges gozigények fedezésére is létesítik. Ezt a megoldást nevezik hoszolgáltatással kapcsolt villamosenergiatermelésnek. Magyarország villamosenergia-termelésének látható az 1.3.-7. ábrán.

és -felhasználásának

alakulása - 1925 és 1996 között -

Az ábrán l-es számú görbe mutatja az összes felhasználást (fogyasztás+eromuvi önfogyasztás), a 2-es görbe a bruttó fogyasztást (fogyasztást + veszteség), 3-as görbe a nettó termelést és a 4-es görbe az import szaldót TWh-ban. (1 TWh = 1012Wh = 1 milliárd kWh).

Készítette: Tényi V. Gusztáv

61/20

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

06.09.21

Villamos energetika 1. eloadás

[W]=TWh

40

30

20

I

1990

1950

1925

I

\\

4

\"- .•..•~

1996 I

10

1975

1.3.-7. ábra.

i'"

~

-----1

Országos mérleg: összes felhasználás37 265 GWh ~~gos bruttó fogyasztás 34 514~GWh Vi11amosenergia~rendszer(VER) 36 953 GWh közcélú eromuvek nettó termelése ~ 1 "O~ nnTh

•. ..-1

1·

I

2499 +164 2643

105 36

927

1

i

I

G

I

K=1aod"=~ J 974J

lEl LJ földgaz ellátás es 2032 VIZ~9321-1 Vi11am?s~ner~ia, I

~

Közvllág,ítás~

1~

I

B IMezo- erdogazd.1laIaSZiitl1177(CJ H I Szállashely, vendeg~ 453

556,,~J

Egye~~közöss_SiOff.l1503~ __

E=gy:'..~_~_t_og_y_as_z_as---:J1 065 lYfSZáiíít~s,posta, Ir o _...'J ----- 11683

1.3.-8. ábra: Magyarország villamosenergia-termelés

Készítette: Tényi V. Gusztáv

L~pítoipar

I

és -felhasználás éves folyamatábrája (1996)

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

06.09.21

Villamos energetika 1. eloadás

A nagyfeszültségu fogyasztók gyakorlatilag az ipari fogyasztókat jelentik. Az ipari fogyasztók napi terhelési görbéje kiegyenlített jellegu. A nagyfeszültségu fogyasztókat a villamosenergia-gazdálkodásért felelos országos hatóság (a Magyar Energia Hivatal) kötelezi arra, hogy havonta egy meghatározott napon óránként és ugyanazon a napon az esti csúcsidoszakban negyedóránként mérjék és regisztrálják tényleges terhelésüket, amely adatokat a fenti hatóság részére kell, hogy szolgáltassanak. Ezért ezeket a fogyasztókat mérésköteles fogyasztóknak is szokás nevezni. [P]=MW 12600

2

4

6

8

10 12 14 16

18 20

22

1.3.-9. ábra. Az ipari (mérésköteles) fogyasztók napi terhelési görbéje 1996-ban a termelt villamos energiának csak 22%-át használták fel a mérésköteles fogyasztók.

A kisfeszültségufogyasztók

száma nagy (1996-ben 5.029.934), egy-egy fogyasztó teljesítménye pedig kicsi. Ide tartoznak a háztartási és a mezogazdaságifogyasztók, valamint a közvilágítás. Az 1.3.-8. ábrán "Egyéb fogyasztás"-ként jelölt fogyasztói csoport igen változatos összetételu. Ide tartoznak például a különféle intézmények, hivatalok, a vendéglátó-ipar, a kisipar stb. A kisfeszültségu, nem mérésköteles fogyasztók napi terhelésgörbéje meglehetosen rapszodikus, kiegyenlítetlen jellegu E fogyasztók napi csúcsterhelése az esti csúcsidoszakban jelentkezik, és ennél mindig kisebb a délelotti csúcsterhelés értéke.

A kisfeszültségu fogyasztók között a legnagyobb fogyasztást a háztartások villamosenergiafelhasználása képviseli. A háztartási fogyasztók villamosenergia-fogyasztása igen dinamikus an no. A háztartási fogyasztók villamosenergia-felhasználása drasztikus korlátozások nélkül - csak viszonylag kismértékben szabályozható. Az egy lakosra jutó bruttó villamosenergia-fogyasztás tekintetében - az ENSZ statisztikai adatai alapj án - Magyarország az európai "középmezonyben" foglal helyet. 1996-ban hazánkban az egy lakosra jutó bruttó villamosenergia-fogyasztás 3392 kWh volt. Érdekes, hogy a világ országai között ez a mutató Norvégiában a legnagyobb, ott ugyanis meglehetosen sok eromu - elsosorban vízeromu - üzemel, lakosainak száma viszont kevés. Magyarországon a villamosítás 99,3%-ra becsülheto, azaz az összes lakás és üdülo közül csupán 0,7% nincs a közcélú villamos hálózatra kapcsolva.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

61/22

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

06.09.21

Villamos energetika I. eloadás

Villamos energetika 1. - eloadásvázlat (Novothny féle jegyzet alapján)

2. VILLAMOSENERGIA-TERMELO

BERENDEZÉSEK

A villamos energia az ipari országok nemzetgazdaságának valamennyi fogyasztói szektorában már napjainkban is jelentos szerepet játszik. Felhasználásának terjedése és növekedése vitathatatlan elonyeivel magyarázható: • viszonylag gazdaságosan állítható elo; • nagy távolságokra is kevés veszteséggel szállítható; • nem igényel tárolást, (ill. a váltakozó áramú energia nem tárolható; • a kívánt energiafajtává egyszeruen átalakítható; • a felhasználás helyén állandóan rendelkezésre áll; • tiszta, kényelmes és jól automatizálható a felhasználása. A villamos energia eloállítása, szállítása, elosztása és felhasználása a villamosenergia-ellátás folyamatában valósul meg. E folyamatban minden olyan létesítményt, amely villamos energiát fejleszt, ill. a villamos energiát a fejlesztés helyétol a felhasználóhoz (fogyasztóhoz) eljuttat ja villamos munek nevezünk. A villamosmuvek összekapcsolt, irányított együttmuködo rendszere a villamosenergia-rendszer

r----------------------------------, II Víllamosenel-gia-ellátás folyamata I I .. I \Ii1lamosenerglo-termelés

Villamosenergia -s7állítás elosztás'

.. Villomosenerglo-felhasználás

II I I

----,I Erömt'lvek

Atvitelies elosztó hól. és ber.

I

I I

I I

Fogyosztók

I IL ---------------------~ Villamos mt'lvek ! 0.-1. ábra A villamos muvek helye a villamosenergia-ellátás

folyamatában

A fogyasztók igényelte legfontosabb energiafajták. • mechanikai -, • ho-, • fény-, • vegyi- és • atomenergia. A leggyakrabban felhasznált primer energiahordozók, mint bányászott energiahordozók a következok: • szilárd tüzeloanyagok (hulladék, lignit, barnaszén, feketeszén, antracit); • folyékony tüzeloanyagok (ásványolaj); • gáznemu tüzeloanyagok (földgáz); • hasadó anyagok (uránium, tórium). Készítette: Tényi V. Gusztáv

40/23

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

06.09.21

Villamos energetika 1. eloadás

Az alapenergia-források másik kategóriáját az ún. természeti energiaforrások alkotják melyek: • mechanikai energia (vízmozgás, szél); • hoenergia (napsugárzás, melegvíz-források). Azt a villamos muvet, amely valamely primer energiahordozó felhasználásával villamos energiát, vagy villamos energia fejlesztésével egybekötötten hoenergiát fejleszt, eromunek nevezzük.

2.1 Eromuvek A hagyományos eromuvek villamosenergia-fejlesztése Energia "felszabadítás"

Energia

átalakítás

Erögép aik.

vázlatosan a 0.-2. ábrán tanulmányozható. Energia

átalakítás

Vili. generátor

(Energiaátadás közvetíti) közegn ek)

0.-2. ábra A villamosenergia-fejlesztés

általános módja eromuvekben

Néhány fontos meghatározás: • A villamos mu lehet közcélú-, vagy üzemi villamos mu. • A jutoeromu ho- és villamos energia termelésére egyaránt alkalmas gépi berendezésu villamos eromu. • Csúcseromu •

Beépített teljesítoképesség az eromuben a beépített gépegységek(az összekapcsolt turbinát és a generátort értjük) generátorkapcsokra vonatkoztatott teljesítoképessége. A gyakorlatban alkalmazott eromuveket különbözo szempontok (pl. energiaforrás, terhelés jellege) szerint csoportosíthatjuk.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

40/24

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.09.21

2.2 Hoeromuvek fobb üzemi jellemzoi és foberendezései A villamos energia termelése érdekében a hoeromuvekben lejátszódó leglényegesebb folyamatokat két csoportra oszthatjuk: ún. fo technológiai folyamatokra és az azt kiegészíto folyamatokra. Eromuvek felépítése, energiaátalakítások: -Szélkerék Villamos Vízturbina Áramfej leszto berendezés gozturbina Gáznemu Hofejleszto generátor -Égési Goz hocserélo Gázturbina berendezés Hohordozó Gozkazán Reaktor motor kamra Gozturbina, kamra, gozgép, Dugattyús Goz, gáz lánc körfolyamatú) (zártégéstermék Belsoégésu égéstermék mechanikai körfolyamatú) energia közeg (nyitott Gáznemu Mechanikai energia ~villamos gázturbina Magenergia ~ hoenergia ~energia Energiaátalakítási Levego Kémiai Energiaforrás hoenergia~ Erogép energia ~Hoenergia~ mechanikai energia ~villamos energia

Kémiai energia ~hoenergia ~

A fo technológiai folyamatok - amelyek az eromu foberendezéseiben zajlanak - a következok: • a tüzeloanyag kémiai energiájának átalakítása hoenergiává (elégetési folyamat); • a hoenergia átadása a közvetítoközegnek; • a közvetítoközeg hoenergiájának átalakítása mechanikai energiává; • a mechanikai energia átalakítása villamos energiává. A fobb kiegészíto folyamatok - amelyek segédberendezéseket igényelnek - a következok: • a tüzeloanyaggal kapcsolatosak • a hutovízzei kapcsolatosak • a pótvízzel kapcsolatosak Azt az elvi (ho) kapcsolási vázlatot, amely a vízgoz- vagy a gáz-körfolyamatot tartalmazza és magában foglalja mindazon berendezéseket, amelyekben a közvetíto közeg (vízgoz vagy gáz) valamilyen változáson megy keresztül az eromu ho-sémájának nevezzük. A ho-sémában feltüntetik a közvetíto közeg legfontosabb állapotjellemzoit is (nyomás, homérséklet). Készítette: Tényi V. Gusztáv

40/25

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.09.21

Eromuvek csoportosítása:

tengervíz

kis eromu Hoeromu Atomeromu Vízeromu Széleromu eromu eromu Csoportosítási szempontok Gázturbinás Menetrendtartó eromu nagy eromu 50-500 MW Naperomu Középeromu Eromutípus Országos (körzeti) eromu Hoszolgáltatás Ellennyomásos eromu Magenergia Gozturbinás eromu Elvételes eromu Csúcseromu Üzemi eromu villamosenergia-szolgáltatás Kondenzációs Elszigetelt eromu Villamosenergia-szolgáltatás Belsoégésu Együttmuködo motoros (kooperációs) eromu Kapcsolt hoéseromu Alaperomu

Készítette: Tényi V. Gusztáv

40/26

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

06.09.21

Villamos energetika 1. eloadás

2.2.1. Gozturbinás eromuvek A gozeromunek - a fo technológiai folyamatnak megfeleloen - három foberendezése van: - a kazán; - a gozturbina; - és a villamos generátor. A tiszta kondenzációs eromuben a teljes fejlesztett gozmennyiség villamos energia termelésére szolgál A kazán ban termelt gozt a turbinába vezetik, amely a villamos generátort hajtja. VH

göz

TR

TU

1

2

I

TS~ T

4

sU

l.-/' tápvíz I :

'-------I

________

-f§KSZ

hütöv'íz

~ c:::,opadek ~ ~

.....1

I

0.-1. ábra Kondenzációs eromu egyszerusített hokapcsolási vázlata 1 tüzeloanyag; 2 levego; KA kazán; 3 füstgáz; 4 salak és hamu; TU turbina; G generátor; TR transzformátor; SÜ leágazás a segédüzemek részére; KO kondenzátor; KSZ kondenzvíz szivattyú; T táptartály a gáztalanítóval; TSz tápszivattyú; VR villamos hálózat; KE kémény A 2.2.-1. ábra kondenzációs eromuvének hatásfoka alacsony. A hatásfok növelésére számos muszaki megoldás született. Ilyen hatásfoknövelo megoldások eromuben a léghevítés, a megcsapolásos tápvíz-elomelegítés és a közvetíto közeg újrahevítése.

az

Ellennyomású eromuvekben (2.2.-3. ábra) a turbinából távozó goz nem a kondenzátorbajut, hanem a teljes gozmennyiséget a hofogyasztók kapják, amelyek azt részben technológiai-, részbe futési célokra használják fel. A turbina ez esetben is villamos generátort hajt, azonban a termelt villamos energia mennyisége a fogyasztók igényelte gozmennyiségtol függ. Gozelvételes eromurol (2.2.-4. ábra) beszélünk, ha a goznek csak egy hányadát vezetik a hofogyasztókhoz, a többi része a turbinában expandál egészen a kondenzátomyomásig. Az elvételes gépeket tehát elvileg két részre, egy tisztán ellennyomású gépre és egy kondenzációs gépre lehet bontani.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

40/27

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.09.21

A gozturbinás eromuvek energetikai alkalmazása: • a kondenzációs eromuvek, a villamosenergia-rendszer legfontosabb eromuvei, amelyek teljes egészében a közcélú villamosenergia-ellátást szolgálják. • villamosenergia- és hofejlesztésre egyaránt szolgálnak az ellennyomású és az elvételes eromuvek. Ezek az úrr. hoszolgáltató eromuvek, amelyekben a fejlesztett villamos energia mennyiségét nem az együttmuködo villamosenergia-rendszer követelményei, hanem a hofogyasztók igényei (hoszolgáltatási igények) szabják meg. A hoszolgáltató eromu alapveto válfajai: o az ipari hoszolgáltató eromu, amely ipari hofogyasztó berendezéseket lát el; o a jutoeromu, amely futési hoigényt elégít ki (pl. városok, városrészek távfutése). A magyar villamosenergia-rendszer hoeromuveiben a felhasznált összes tüzeloanyag kb. háromnegyedét villamosenergia-termelésre fordítják, míg negyedét távhoszolgáltatásra.

2.2.2. Gázturbinás eromuvek A gázturbinás eromuben a foberendezések közül a kazán elmarad, helyét a repülogép hajtómuhöz hasonló gázturbina tölti be. A gázturbinás eromuvek tüzeloanyaga elsosorban olaj vagy fóldgáz. A közvetíto közeg vízgoz helyett maga az égéstermék, a füstgáz. 2 E

2.2.-5. ábra Egyszeru nyitott rendszeru gázturbinás eromu elvi hokapcsolási vázlata IM indító motor; K kompresszor; E égotér; GT gázturbina; G generátor 1 levegobeszívás; 2 tüzeloanyag; 3 füstgáz a kéménybe; 4 villamos energia Az eromu hatásfokát alapvetoen az határozza meg, hogy: • a gázturbina és a légkompresszor hatásfoka mekkora; • a turbinába beömlo gáz homérséklete milyen magas, • a turbinából kilépo gázok hotartalmát milyen mértékben hasznosítják, azaz milyen a megvalósított körfolyamat. E jellemzoknek megfeleloen a következo hatásfokjavító megoldásokat alkalmazzák: • a szabadba távozó füstgázok hojével muködo hocserélot építenek be, amely a beszívott levegot elomelegíti, és így a tüzet nem huti; Készítette: Tényi V. Gusztáv

40/28

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

• •

Villamos energetika 1. eloadás

06.09.21

többfokozatú kompressziót és expanziót alkalmaznak, amelynek során a kompressziós fokozatok között hutik, az expanziós fokozatok között pedig újrahevítik a hohordozó közeget; kombinált ciklust (gáz-goz körfolyamatot) alkalmaznak, amelyben a gázturbina távozó hojét gozeromuben hasznosítják. (Kombinált ciklusú eromuvek)

A gázturbinás eromu elonyei: • gyors üzemkészség, • a berendezés és a kezelés egyszerusége, • a hutovíz-ellátástól való teljes, vagy részleges függetlenség. Hátrányai: • a gozeromuvekénél rosszabb hatásfok, • szerkezeti okok következményeként kisebb egységteljesítményu turbina. Alkalmazási területek: • • • • •

a nagyobb egységteljesítményu gázturbinás eromuveket csúcseromuként alkalmazzák a villamosenergia-rendszerekben; az együttmuködo villamosenergia-rendszerben gyorsan indítható hideg tartalékként alkalmazzák; sajátos eromuvi alkalmazási területe a földalatti szénelgázosítás termékeivel üzemeltetett gázturbinás eromu; kohóüzemekben a hulladékenergiák (pl. kohógáz) felhasználása; végül a gázturbina távozó hoenergiájának gozeromubeni hasznosítása az úrr. kombinált ciklusú eromuben (2.2.3. fejezet).

Kapcsolt energiatermelés Kapcsolt energiatermeléssel (Azaz a villamos energia és a hoenergia egyideju értékesítéséveI.) nagyon jó hatásfokot lehet elérni az energiaátalakításban, ezért világszerte tapasztalt fejlesztési iránya villamos energia közös technológiával való termelése a hovel.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

40/29

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.09.21

2.2.3. Kombinált ciklusú eromu A gázturbinából távozó füstgáz homérséklete és hoenergia tartalma alkalmas gozfejlesztésre így az eddig szabadba távozó, vagy csak részben használt füstgáz energiáját egy gozciklusban jól lehet hasznosítani. A kombinált ciklusú gázturbinás eromuvek elonyei: • takarékos primerenergia felhasználás; • hatásos energia-kihasználás; • mérsékelt károsanyag (füstgáz) kibocsátás. 3

Gözh

asznosítGs

2.2.-8. ábra Kombinált ciklusú eromu hokapcsolási vázlata G generátor; LSZ légszuro; HT hangtompító; K kompresszor; E égotér GT gázturbina; HK hohasznosító kazán; NT nedvesgoz-tartály; TSZ tápvízszivattyú TT tápvíztartály; KE kémény; EM elomelegíto; EG elgozölögteto; TH túlhevíto; Ilevegobeszívás; 2 tüzeloanyag; 3 füstgáz a szabadba; 4 villamos energia

Készítette: Tényi V. Gusztáv

40/30

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.09.21

Hazai kombinált ciklusú eromuvek • •

Dunamenti hoeromu(1870 MW) Kelenföldi gázturbinás eromu

Forróvizkazánok

Gozkazánok

15-15 MW

137 MW

6-6MW

Ellennyomású gozturbínák .magyar" futéíturbínák 6bar

15 bar

2.2.-11. ábra Gázturbinás kapcsolt energiatermelés forró vizes távfutéshez Kelenföldön •

Borsod Chem

2.2.4. Diesel- és benzinmotoros eromuvek Ezen eromuvekben a goz-, ill. a gázturbina helyett a generátor hajtó gépeként diesel-motort, vagy egészen kis teljesítmények esetén - benzinmotort alkalmaznak. Nem gazdaságos, azaz alkalmazáskor a gépegységek egyértelmu elonyei a mértékadók: gyors indíthatóság; egyszeru kezelés és szabályozás; csekély vízszükséglet; rugalmas üzemmenet. Alkalmazási területek: •

•

szükség-áramfejleszto berendezésként olyan villamosenergia-fogyasztóknál, amelyeknél váratlan áramkimaradás esetén azonnali helyettesíto áramszolgáltatást kell biztosítani (pl. vasútbiztonsági berendezések, híradástechnikai berendezések, kohóüzemek levego- és gázellátása, stb.); olyan területek villamos energia szolgáltatójaként, ahová még nem lehetett a közcélú villamosenergia-szolgáltatást kiépíteni (pl. tanyák, távol eso építkezések és olajvidékek).

Készítette: Tényi V. Gusztáv

40/31

VE-ea-BSc

ág

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.09.21

2.3 Vízeromuvek fobb üzemi jellemzoi és foberendezései A vízeromuvekben a víz helyzeti, ill. mozgási energiáját hasznosítják oly módon, hogy az esésmagasságnak és a vízmennyiségnek megfelelo típusú vízturbinákkal hajtják a villamos generátort. A vízeromuvek összefoglaló osztályozását a 0.-1. táblázat mutatja. 0.-1. táblázat Vízeromuvek osztályozása 10000 1000-10000 kW kW 50 m-nél 15-50 nagyobb mnagyobb 100-1000 kW 0-100 kW 0-15és m Kis esés Osztályozási szempont öntözés, hajózás, vízellátás, stb. Törpe eromu Megnevezés Megjegyzés Vízfolyás - Villamosenergia-fejlesztés -Természetes Többféle tározó hasznosítási cél tározó Szivattyús Tengervíz

A folyóvízi eromuvek kis-, vagy legfeljebb közepes esésuek, és épülhetnek: külön kialakított mederbe (ún. üzemvíz-csatornás eromu); vagy a folyómederbe.

2.3.1. Üzemvízcsatornás eromu

2.3.-1. ábra Üzemvízcsatornás eromu elvi elrendezése 1 vízlépcso; 2 vízkivételi mu; 3 felvízcsatorna; 4 erotelep; 5 alvízcsatorna

Készítette: Tényi V. Gusztáv

40/32

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

06.09.21

Villamos energetika 1. eloadás

2.3.2. Folyómederbe épített eromu A folyómederbe épített eromu magában a folyómederben foglal helyet. A beépítés helyén a vízszállításhoz, azaz az eromu muködéséhez szükséges esést duzzasztómu létesítésével érik el, minek következtében az áramlási sebesség csökken, és a vízmélység megno. Ez a megoldás csak akkor lehetséges, ha az árvíz és hordalékviszonyok, valamint a jégzajlás olyan kedvezoek, hogy a mederszukítés megengedheto. A folyó hajózhatóságát az ún. hajózózsilip beépítésével továbbra is biztosítják. A mederben egymás mellett van az erotelep, a duzzasztómu és a hajózsilip (2.3.-2. ábra).

---

.------

------

2

3

2.3.-2.ábra Mederbe épített folyami eromu elvi elrendezése 1 erotelep; 2 duzzasztógát; 3 zsilip; 4 jégterelo

2.3.3. Tározós eromuvek Tározós eromuvek elsosorban hegyvidéken építhetok vagy természetes tavak kihasználásával, vagy pedig a vízfolyás völgyzárógátas elrekesztéséveI.

2.3.-3. ábra Tározós eromu elvi elrendezése 1 duzzasztógát; 2 tározómedence; 3 nyomóvízcsatoma; 4 kiegyenlítomu; 5 nyomócso; 6 eromu; 7 alvíz A kiegyenlítomu (vízzár) olyan kiegyenlíto tartályból vagy medencébol áll, amely befogadja az utánáramló vizet, és tárolja is az esetben, ha a turbinákat valamilyen oknál fogva az eromuben lezárják. A kiegyenlítomu révén tudják megakadályozni, hogy a nyomócsoben a nyomás megengedhetetlen értékre növekedjék. Ugyanez az elrendezés alkalmazható abban az esetben is, ha a tározómedencét természetes tó képezi. A víz szintjét mesterséges felduzzasztássallehet emelni. Készítette: Tényi V. Gusztáv

40/33

VE-ea-BSc

----------------------------

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

---.-----------------------

06.09.21

2.3.4. Szivattyús tározós eromuvek Szivattyús tározómuvek leggyakoribb elrendezését, a felsomedencés kivitelt a 2.3.-4. ábra mutatja. A vízeromuveknél a tározás mértéke szerint beszélhetünk napi, heti, évszakos és éves tározási lehetoségrol. Legjellemzobb a heti tározás és a nappali-éjszakai üzemmód.

I

1

2.3.-4. ábra Felsomedencés szivattyús tározómu elvi elrendezési vázlata 1 felso medence; 2 alsó medence, vagy folyó; 3 szivattyú; 4 vízturbina; 5 szinkrongép; 6 közös nyomóvezeték Alkalmazási területek: folyami vízeromuvek: akisesésu vízeromu villamosenergia-termelése ingadozó, esetleg szakaszos, a közepes esésu kisebb ingadozású, folytonos. Mindkét fajta eromuvet kooperációs alaperomuként alkalmazzák; tározós eromuvek: a tározómedencébol a vizet nem kell a hozzáfolyás ütemében felhasználni, így az eromu teljesítménye a villamosenergia-fogyasztás ingadozásainak megfeleloen szabályozható. Az ilyen eromuvek tehát igen alkalmasak az energiarendszer csúcsterheléseinek fedezésére (csúcseromuvek) szivattyús tározós eromuvek: ezen eromuveknek energiarendszerbeni alkalmazásával biztosítani lehet a ho- és az atomeromuvek egyenletes terhelését, gazdaságos üzemét. Ugyanis. kisterhelésu idoszakokban (pl. éjszaka) gépei vizet szivattyúznak a tározóba, a csúcsidoben lebocsátva a vizet gépegységeikkel energiát szolgáltatnak (csúcseromu). Hazai alkalmazások A Tiszalöki vízlépcsok villamosenergia-termelési, vízgazdálkodási és hajózhatósági célokat szolgálnak. A két eromu átlagos éves villamosenergia-termelése 160 millió kWh. Üzemvízcsatornás vízeromuvünk a Rába vizét hasznosító Ikervári-, vagy a mindössze 0,5 MW-os Gibárti Vízeromu, amely 1903-ban létesült a Hernád folyó éles kanyaránál, Gibárt községnél. A vízenergiát két, vízszintes tengelyu Francis-turbina hasznosí~a. A 12 kV-os GANZgenerátorok egyenként 250 kW teljesítménYUek. Évi villamosenergia-termelése 2,8 millió kWh. (Hazánkban van még néhány kis-teljesítoképességu vízeromu.)

Készítette: Tényi V. Gusztáv

40/34

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

Villamos energetika I. eloadás

06.09.21

2.4 Atomeromuvek 2.4.1. Atomeromuvek felépítés, muködése Az atomeromu és a hagyományos hoeromu között az a lényeges különbség, hogya hotermelés a kazán helyett az 00. reaktorban megy végbe. A reaktorban keletkezett hot közvetítoközeg (hutoközeg) juttatja el a hocserélobe. Ez a folyamat az 00. primer (nagy radioaktivitású) körben játszódik le. A hocseréloben keletkezett gozt a turbinára vezetik. A turbinából a goz a kondenzátorba jut, ahonnan a csapadék a hoeromuveknél megismert módon kerül vissza a hocserélobe (szekunder kör) Egy ilyen rendszeru atomeromu hokapcsolási rajzát a 2.4-1. ábra mutatja. Göz TU R

I I I I

~.

esz

,1--Pr:--j: -Av--+=+_J ~

VIZ

:

TSZ I

~

1+=+1 ~ L-

KO

I

~ KSZ

KSZ

E

2.4.-1.ábra Atomeromu hosémája (nyomottvizes) R atomreaktor; esz cirkulációs szivattyú; H hocserélo; TU gozturbina; G generátor; KO kondenzátor; KSZ kondenzvíz-szivattyú; E elomelegíto; TSZ tápszivattyú Egy atomeromu fobb részei tehát: a hofej1eszto reaktor a hoátadási rendszer, az erogépcsoport, valamint az ezekhez szervesen hozzátartozó segédberendezések (szabályozó-berendezések, üzemanyag-elokészítés és kezelés stb.). A hoerogép lehet goz- vagy gázturbina. A gyakorlatban egységes eromuvi reaktortípus nem alakult ki, így a különbözo atomeromu-típusokat az alkalmazott reaktortípusok határozzák meg,

2.4.2. A reaktor fo szerkezeti elemei: • • • • • •

az üzemanyag elhelyezésére szolgáló aktív zóna (reaktormag) ; az aktív zónát körülvevo neutronlassító közeg, azaz a moderátor (termikus reaktoroknál); az aktív zónából, a reaktorból kilépni igyekvo neutronok visszaverésére szolgáló reflektor; a maghasadás során keletkezett hot elvezeto hutoközeg; a szabályozó és méroberendezések; sugárvédelmi berendezések.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

40/35

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.09.21

Heterogén rendszeru a reaktor, ha az üzemanyag és a moderátor elkülönített közeg. Homogén rendszeru reaktoroknál az üzemanyag és a moderátor homogén keveréket alkot. A kétféle rendszer elvi felépítésére példát a 2.4.-2. ábra mutat. 3

5 2

7

3

5

6 4

b)

2.4.-2. ábra Atomreaktorok elvi felépítése a) heterogén reaktor: 1 beton; 2 reflektor; 3 szabályozórudak; 4 moderátor; 5 üzemanyag; 6 hutoközeg-beömlés; 7 hutoközeg-kiömlés; b) homogén reaktor: 1beton; 2 reflektor; 3 szabályozórúd ;( szükség szerint beépítve); 4 üzemanyag- és hutoközeg-beömlés; 5 üzemanyag- és hutoközeg kiömlés Nagy teljesítményu atomeromuvekben elterjedten alkalmazzák termikus neutronokkal végzett maghasadásnál nagy elony a jó neutronokkal - a természetben eloforduló elemek közül - egyedül izotópja, az U235 hasítható.) Ezért a termikus reaktorok üzemanyaga dúsított urán.

a termikus reaktorokat. (A szabályozhatóság. Termikus az urán 235-ös tömegszámú természetes, vagy U235 -ben

A termikus reaktorok közül két típus, a "gázgrafitos" és a vizes ma már kipróbált, teljesen megbízható, kereskedelmi típusnak tekintheto.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

40/36

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.09.21

2.4.3. Atomeromutípusok 2.4.3.1.

Gáz-grafit reaktoros (GGR) eromuvek

A gáz-grafit reaktoros megoldás lényege, hogy a reaktor grafittal moderált és széndioxid gázzal hutött. Üzemanyaga természetes urán.

2.4.3.2.

Forraló vizes (BWR) reaktorok

Ennél a típusnál a moderátort és a hutoközeget egyaránt könnyuvíz szolgáltatja és a hutéskor a nyomás alatt levo hutovízbol goz (ill. hevített goz) lesz. A reaktorban fejlodo gozt közvetlenü1lehet a turbinába bevezetni, ami jobb termikus hatásfokot, egyszerubb szerkezetet eredményez (a primer és a szekunder kör egyesítése révén a hocserélo elhagyható ) és olcsóbb létesítést tesz lehetové.

2.4.3.3.

Nyomás alatti vÍZzelhutött (PWR) reaktorok

Ennél a típusnál a moderátor és a hutoközeg egyaránt könnyuvíz. A reaktorban termelt homennyiséget a hutoközeg víz formáj ában veszi fel (azért nyomott vizes, mert akkora nyomás alatt kell tartani, hogy a kb. 500°C-os víz ne forrjon), majd a hocserélon keresztül egy másik vízkörben (szekunder körben) gozt termel, amelyet gozturbinában hasznosítanak.

A legfontosabb elonyök: • • • •

a hutoközeg és a moderátor ugyanaz az anyag (brómos víz); a víz beszerzése és kezelése olcsó; a vízzel hutött reaktor negatív hofoktényezoju lehet, ami azt jelenti, hogy - nukleáris szabályozás nélkül is - maga a hutoközeg nem engedi meg a reaktor megszaladását; a nyomás alatti víz miatt a reaktorméret, és ezáltal a fajlagos beruházási költség is kicsi.

Hátrányos tulajdonságai: • • • • A

muködéséhez dúsított üzemanyag szükséges (ui. a futoelemek eloállítási költsége annál kisebb, minél kisebb arányú dúsítást kell alkalmazni); termikus hatásfoka a többi reaktortípushoz képest valamivel kisebb (nagy, 400-500 MW egységeik azonban már versenyképesek); a gozfejlesztéshez külön hocserélore van szükség; a viszonylag alacsony gozjellemzok miatt a szokványostói eltéro turbinák szükségesek. Paksi Atomeromu elso, 1760 MW-os kiépítése 4 db WER-440 típusú reaktorrallétesült.

2.4.3.4.

Nehézvizes (HWR) reaktorok

További termikus reaktorok a nehézvíz-moderátoros

(HWR) reaktorok.

Az eddig tárgyalt termikus reaktorok közös jellemzoje, hogy kevesebb hasadó anyagot termelnek (U238-ból Pu239_et), mint amennyitfogyasztanak (U235_öt). 2.4.3.5.

Szaporító (tenyészto) reaktorok

Ezen reaktorok elsosorban abban különböznek a termikus reaktoroktól, hogy több hasadó anyagot termelnek, mint amennyit fogyasztanak. Két fo csoportjuk van: a gyorsneutronos szaporítók (FBRgyorsreaktorok) és a termikus szaporítók. Az elobbiek U238~PU239ciklussal, az utóbbiak Th232~U233 ciklussal muködnek

Készítette: Tényi V. Gusztáv

40/37

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.09.21

2.5 Egyéb eromuvek A természetben a tüzeloanyagokon, a víz energiáján és az atommag-átalakulások energiáján kívül más energiahordozók is találhatók. Ezek az ún. természeti energiahordozók. Ide tartoznak a következok: • a Nap sugárzási energiája; • a szélenergia; • a geotermikus energia (vagyis a hoforrások gozének, ill meleg vizének az energiája); • a tengerek árapály-energiája; • a tengeráramlások energiája. Ezeknek az energiahordozóknak közös jellemzoje a kis energiasuruség, a helyhez kötöttség és az esetlegesség (pl. idojárási tényezok).

2.5.1. Naperomuvek A napsugárzás teljesítoképességét kb. 40·1013 TW-ra becsülik. Ebbol átlagosan 1,8'109 MW éri a Földet. A napenergia hasznosítása világszerte állandóan növekszik, éspedig helyiségek futésére és meleg víz eloállítására. A kutatások mai szintjén a napsugárzás átalakítása villamos energiává - történjék az közvetlenül félvezetos fényelemekkel, vagy közvetve, hokörfolyamattal - ma még lényegesen költségesebb a gyakorlatban eddig bevált eloállítási módszereknél. Ha a napsugárzás átalakítása villamos energiává a jelenlegi módszerekkel versenyképes lesz, beillesztése a többi energiaforrások közé már nem jelent majd problémát, mivel a napenergia rendelkezésre állása szinte korlátlan, csak a felhasználható energia termelési költsége a dönto, az átalakítás hatásfoka nem.

2.5.2. Széleromuvek A Föld évi szélenergia-készletét 9.1015 kWh-ra becsülik, amelynek legfeljebb 0,3%-a hasznosítható gazdaságosan. A szélsebesség lényegesen befolyásolja a szélenergia kihasználhatóságát, s emellett fontos körülmény az egyenetlen rendelkezésre állás. A szélenergia fo elonye a villamosenergiaipar szempontjából az, hogy közvetlenül mechanikai és ebbol villamos energiává alakítható át. Azonban a szélkerék optimális hatásfoka 60%, ami éves átlagban 6-15% körüli, a légtömegek teljesítménysurusége pedig kicsi (kb. 0,2 kW/m2, 7 mis közepes szélsebesség esetén), ezért igen nagy berendezéseket kellene építeni ahhoz, hogy elfogadható teljesítményeket lehessen elérni.

2.5.3. Geotermikus-eromuvek A Föld természetes melegforrásai adják az alapot a geotermikus energia kinyerésének és hasznosításának. A földkéregben fúrásokat végeznek, amelyeken át 200-2000 m mélységbol túlhevített gozt, goz-forróvíz keveréket, vagy forró vizet hoznak fel (100-300°C). Minimálisan 1 MW-os telep létesítése gazdaságos. Komplex hasznosításra is lehetoség nyílik, hiszen a meleg víz hoje pl. a mezogazdaságban hasznosítható, a vízben levo vegyi anyagok kinyerhetok.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

40/38

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.09.21

2.5.4. Árapály-eromüvek Az árapály-eromuvek a tenger árapály-jelenségébol származó nagy szintkülönbségét használják fel. Az ún. egymedencés, kettos muködésu eromuben dagály idején a turbinákon keresztül feltöltik a tárolómedencét tengervízzei, apály idején pedig a vizet ugyancsak a turbinákon keresztül visszabocsátják a tengerbe. Jellemzoje, hogy az eromu szolgáltatta teljesítmény periodikus a szintkülönbség változás ának a függvényében.

2.5.5. Tengeráramlás-eromüvek Közismert, hogy az óceánokban óriási víztömegek mozognak folyamatosan egy irányban. Ezen áramlások talán legismertebbje a Golf-áramlás. Egy tengerfenékhez rögzített vízturbinát helyeznek mélyen az áramlás fosodrába, és az általa meghajtott generátor villamos energiát termel.

2.6 Eromuvek térbeli kialakítása Az ebben a pontban összefoglalóan az eromuvek telepítésének és elrendezésének fobb általános szempontjait tárgyaljuk, valamint kissé részletesebben az egyik legfontosabb speciális feladatot, az üzemi foépület elrendezését, térbeli kialakítását. Egy eromunek a következo fobb követelményeket kell kielégítenie: • funkció; • gazdaságosság; o az energiahordozók- és az égéstermékek szállításával, elhelyezésévei, o a nagy mennyiségu hutovíz beszerzésével, ill. a hutés üzemévei, és o a termelt energia felhasználásával, ill. szállításával o a bovíthetoség szükségessége és lehetoségei. • biztonság; • szakmai-jogi és társadalmi szempontok (beleértve a környezetvédelmet is); • esztétikai megjelenés.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

40/39

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.09.21

A Kiskörei Tisza II. Vízeromuben 4 db, 107 limin fordulatszámú csoturbinával közvetlenül kapcsolt 7 MV A-es generátor került beépítésre és üzemel. A Tiszalöki Vízeromu gépházának keresztmetszetét a 2.6.-4. ábra mutatja.

2.6.-4. ábra A Tiszalöki Vízeromu gépházának keresztmetszete 1 elocsatorna; 2 gereb; 3 gerebtisztító berendezés; 4 elzáró zsilipek; 5 zsilipmozgató félportáldaru; 6 szívócso; 7 betétgerendák; 8 gépházi daru; 9 generátor; 10 turbinaforgórész az állítható szárnylapátokkal A közepes esésu folyami eromuvekjellegzetes turbinatípusa a Francis-turbina. A turbinagenerátor tengelyelrendezése függoleges. A gépház építészeti kialakítása nem tér el akisesésu eromuétol. Tározós eromuvekben, kisebb eséseknél Francis-turbinákat, nagyobb eséseknél szabadsugárturbinákat (Pelton-kerék) alkalmaznak vízszintes elrendezésben. A szivattyús tározós eromuvekben legalkalmasabb a Francis-, vagy a Pelton-turbina. Mindkét típus készítheto vízszintes és függoleges tengelyeirendezéssei, így az eromuvekben mindkét elrendezés használatos.

2.6.4. Atomeromuvek Az eromu-Iétesítéseken belül az atomeromuvek létesítése képezi a legtöbb tudományág ismeretének egyideju, összehangolt alkalmazását jelento, azaz legösszetettebb feladatot. Egy atomeromu létesítésekor, a tervezés idoszakában a hagyományos eromuvek telepítési szempontjain kívül - az eromu speciális jellegébol következo további szempontokat is figyelembe kell venni, éspedig: • a telephely közelében lehetoleg nagyobb település ne legyen; • kevés legyen a szélmentes napok száma (kedvezo meteorológiai viszonyok igénye); • a telephely árvízveszély-mentes területen helyezkedjék el, ill. ha folyóvíz mellé telepítik, akkor a rendezett terep szintje úgy állapítandó meg, hogy még átmenetileg se öntse el az ár se a telephelyet, se a hozzávezeto utat.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

40/40

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

3. A VILLAMOSENERGIA-ÁTVITEL

06.09.28

JELLEMZOI

3.1. A villamos energia útja a fogyasztóig A villamos energia a termelo eromuvektol a különféle fogyasztókhoz a hálózatokon viheto át. A hálózatok feladata tehát a villamos energia szállítása és elosztása. A villamos energia használatára világszerte szinte kizárólagosan a háromfázisú, háromvezetékes, váltakozófeszültségu rendszerek terjedtek el. E rendszerek névleges frekvenciája általában 50 Hz (Európa), de pl. Amerikában a névleges frekvencia 60 Hz. Más áram-nemet csak különleges esetekben használnak, így pl. egyenáramot a közúti és távolsági villamos vasúti vontatásban vagy a nagyipari kémiai elektrolízishez. Nagyfeszültségu egyenáramú átvitelt alkalmaznak - annak muszaki-, gazdasági elonyei miatt - a villamos energia igen nagy távolságra szállítása esetén. A villamos energiát továbbító távvezetékek elhelyezésétol fliggoen megkü1önböztetünk • szabadvezetékes hálózatokat és • kábelhálózatokat. A hálózatok szerves részét képezik az alállomások, amelyek általában a hálózatok megfelelo terhelésu csomópontjaiban helyezkednek el, és az áram útjának kijelölésére vagy a különbözo feszültségu hálózatok összekapcsolására szolgálnak. Az elobbieket kapcsolóállomásoknak nevezzük, míg az utóbbiak a transiformátorállomások. A hálózatokfeszültségszintjétol fliggoen megkü1önböztetünk: • kisfeszültségu (l kV alatti), és • nagyfeszültségu (l kV és annál nagyobb) hálózatot. A szabványos feszültségszintek hazánkban: kisfeszültség a 0,4 kV (ill. 230 V fázisfeszültség); nagyfeszültség a 3 kV, 6 kV, 10 kV, 20 kV, 35 kV, 120 kV, 220 kV, 400 kV, 750 kV, - amely értékek alatt mindig a háromfázisú váltakozófeszültségu rendszer vonali feszültsége értendo. A 3...35 kV-os hálózatokat a gyakorlati szóhasználatban középfeszültségu hálózatoknak szokás neveznI. A kisfeszültségu hálózatok rendeltetése mindenkor a villamos energia közvetlen elosztása a fogyasztók között, ezért ezeket a hálózatokat összefoglalóan kisfeszültségu elosztóhálózatoknak nevezzük. . Egyébként a hálózatok rendeltetés szerintifelosztása az alábbi: Elosztóhálózat. Rendeltetése a villamos energia nagyfeszültségen való elosztása az alállomások gyujtosíneitol a fogyasztói transzformátorokig. Ezek feszültségszintje hazánkban 10 kV és 20 kV (közcélú, áramszolgáltatói elosztóhálózatok) valamint 3 kV és 6 kV (ipartelepek belso elosztóhálózatai), ezért szokás e hálózatokat középfeszültségu elosztó hálózatnak is nevezni. Foelosztóhálózat. Rendeltetése a villamos energia elosztása az alaphálózati csomópontokból az elosztóhálózatok táppontjaihoz, amelyek általában a fogyasztói körzetek súlypontjában helyezkednek el. Országos alaphálózat. Feladata az eromuvek és a csomóponti nagy transzformátorállomások összekapcsolása, a villamos energia nagy mennyiségu szállítása, Az országos alaphálózat vezetékei alakítják ki tulajdonképpen a kooperációs villamosenergia-rendszert. A magyar alaphálózat távvezetékeinek nagyobb hányada ma már 400 kV-os.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

143/41

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.09.28

Nemzetközi, kooperációs hálózat. A különbözo országok alaphálózatait köti össze, biztosítva ezzel a nemzetközi kooperációs villamos energia rendszerek kialakulását, a nemzetközi villamosenergia-szállítását. A szokásos feszültségszintek itt 220,400 és 750 kV.

3.2. Hálózati alakzatok A hálózat az egyes táppontokat és a fogyasztói pontokat különféle, villamosan összefüggo alakzatokban köti össze. Az alakzatok alapvetoen abban különböznek egymástól, hogy a villamos energia a tápponttól a fogyasztóhoz üzemszeruen hogyan, hány úton juthat el. A hálózatok rendeltetése általában szigorúan megszabja az alkalmazható hálózati alakzatot. A következok a tipikus hálózati alakzatok: Sugaras hálózat. Egyik végétol táplált, esetleg többszörösen elágazó, nyitott vezetékrendszer, amelynek minden fogyasztójához az áram csak egy irányból, egy úton juthat el. A vastag vonallal rajzolt vezetékrészt fovezetéknek (vagy gerincvezetéknek) nevezzük, míg a többi szakasz az ún, szárnyvezetékek (vagy leágazó vezetékek).

Táppont

Megszakító Oszlopkapcsoló - Fogyasztó

3.2.-1. ábra. Sugaras vezeték kialakítása

Készítette: Tényi V. Gusztáv

143/42

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.09.28

A villamosenergia-szolgáltatás tartós kimaradásának elkerülésére a sugaras vezetékek nyomvonalát úgy alakítják ki, hogy az azonos táppontból induló két vezeték-, vagy a különbözo táppontból kiinduló két vezeték fovezetékei egy pontban találkozzanak. A találkozási pontba megszakítót építenek be. Ez a megszakító normál üzemállapotban mindig nyitott, üzemzavar esetében zárása lehetoséget teremt a hibás vezetékszakasz másik vezetéken keresztüli ellátásra. Az ilyen hálózatokat gyurus- (2.2.-2a. ábra), illetoleg íves hálózatnak nevezzük (2.2.-2b. ábra).

,

n Táppont 1,

Il

I.

Táppont II.

r::-.Megszakító Megszakító nyitva

a)

b) 3.2.-2. ábra. Íves, gyurus hálózat képe

Körvezeték. Olyan vezeték, amely a táppontból kiindulva az összes fogyasztó érintése után visszatér a táppontba, a fogyasztók a gyujtosínre csatlakoznak (2.2.-3. ábra).

Fogyasztó Fogyasztó

Fogyasztó

3.2.-3. ábra. Körvezeték A körvezeték tehát több fogyasztói gyujtosÍnt összeköto, üzemszeruen mindig zárt vezetékalakzat. Az egyes fogyasztói gyujtosíneket összeköto vezetékszakaszokról itt további leágazások nincsenek. A körvezeték hátránya a nagyobb beruházási költség, és hogy a tápponti üzemzavar az összes fogyasztót érinti.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

143/43

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.09.28

Párhuzamos (trönk) vezeték. Két vagy több párhuzamos vezetékbol álló rendszer, amelyet általában nagy teljesítményigényu, rövid távolságú energiaellátás esetén alkalmaznak. (2.2.-4. ábra).

Fogyasztók Táppont

Fogyasztók Táppont 1.

Fogyasztók

Jf----------'

------~[J

Táppont II.

3.2.-4. ábra. Párhuzamos vezetékek; a) egyoldalú-; b) kétoldalú táplálással Hurkolt hálózat. Alapveto jellemzoje, hogy különbözo táppontok és fogyasztói helyek között egyidejuleg több, különbözo irányú összeköttetés üzemel. A hurkolt hálózathoz csatlakozó minden fogyasztó több oldalról és különféle úton táplálható, így a hurkolt hálózat a legnagyobb üzembiztonságú. Ezen felül komoly elony, hogy többféle energiaút (kapcsolási állapot) valósítható meg, amivel elérheto az egyes fogyasztók optimális energiaellátása (legkedvezobb üzemi paraméterek, legkisebb veszteség és kis feszültségesés). A hurkolt hálózatok változó üzemállapota miatt komoly feladatot jelent az üzemvitel valamint a megfeleloen szelektív védelmek kiválasztása és beállítása. A hurkolt hálózat elvi vázlatát mutatja a 2.2.-5. ábra. Az ábrán körök jelzik a fogyasztói csomópontokat, nyilak a betáplálás helyeit. A magyar energiarendszerben tipikusan hurkolt hálózat a nagyfeszültségu, országos alaphálózat. NEMZETKÖZI KOOPERACI6s

HÁLÓZAT

750 kV

ERÓMü

ERÖMÖ

3.2.-5. ábra. Hurkolt hálózat elvi vázlata

Készítette: Tényi V. Gusztáv

143/44

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.09.28

2.3. A hálózatok csillagpontkezelésének módszerei A hálózatok csillagpontkezelésén az adott hálózat csillagpontjai és a föld közötti kapcsolat - vagyis a hálózati csillagpontok földelésének - módjait értjük. A csillagpont földelésének módja jelentosen befolyásolja a hálózat üzemének számos paraméterét, így például az egyfázisú földérintéses hibák esetében a fellépo hibaáram nagyságát, az üzemi frekvenciájú feszültségemelkedéseket és a tranziens túlfeszültségeket; az érintésvédelmi megoldásokat, a hálózaton alkalmazott készülékek szigetelési igényeit, a relévédelem kialakítását, a távközlési berendezések zavarását és veszélyeztetését, a szimultán hibák keletkezésének lehetoségét és így tovább. Egy hálózat csillagpontföldelési módjának megválasztásakor számos tényezot kell egyidejuleg mérlegelni, míg végül általában muszaki-gazdaságossági kompromisszumok alapján lehet csak eldönteni az alkalmazandó módszert .. A csillagpontkezelés szempontjából alapveto en a hálózatok két nagy csoportját különböztetjük meg: • a földeletlen csillagpontú és • a földelt csillagpontú hálózatokat. Földeletlen csillagpontú (szigetelt) hálózat minden olyan hálózat, amelynek egyetlen pontja sincs a földdel üzemszeruen (szándékoltan) összekötve. A földeletlen csillagpontú hálózat csillagpontkezelését a 2.3.-1. ábra szemlélteti.

II

2.3.-1. ábra. Földeletlen (szigetelt) csillagpontú hálózat (C a hálózatok egyfázisú földkapacitása) Az ábrából látható, hogya szigetelt csillagpontú hálózatok csillagpont ja és a föld között szakadás van, vagyis a csillagpont és a föld közötti ún. földeloimpedancia (Zr) értéke végtelen nagy.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

143/45

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.09.28

Földelt csillagpontú hálózat minden olyan hálózat, amelynek legalább egy csillagpont ja a földdel közvetlenül vagy közvetve össze van kötve. A közvetlenül földelt csillagpontú hálózat legalább egy transzformátorának csillagpont ja jól vezeto, fémes összeköttetésben áll a földdel (2.3.-2a. ábra). Ez esetben tehát a csillagpont és a föld közötti f6ldelo impedancia (ZI) értéke gyakorlatilag nulla. /'

f

f I

z=o

Ha)

/

~

or:

H

2.3.-2. ábra. Földelt csillagpontú hálózat: a) közvetlenül földelt; b) közvetett földelés ellenálláson keresztül ("hosszúföldelés"); c) közvetett földelés reaktancián keresztül (kompenzálás) A hazai gyakorlatban közvetlenül földelt csillagponttal üzemelnek a 120 kV-os és az annál nagyobb feszültségu hálózatok és a 400 V/230 V -os (0,4 kV -os) kisfeszültségu elosztóhálózatok. (Megjegyezzük, hogy a kisfeszültségu elosztóhálózatokat elsosorban a hatékony érintésvédelem megvalósíthatósága érdekében üzemeltetik közvetlenül földelt csillagponttal.) A közvetve földelt csillagpontú hálózatok legalább egy csillagpont ja ellenállás on vagy reaktancián (fojtótekercsen) keresztül csatlakozik a földhöz. Az ellenálláson keresztül földelt csillagpontú hálózatok esetében (2.3.-2b. ábra) tehát a f6ldeloimpedancia véges értéku ohmos ellenállás (ZI= RI)' a reaktancián keresztül fö Idelt csillagpontú hálózatok esetében (2.3.-2c. ábra) pedig egy gyakorlatilag tisztán reaktív fojtótekercs (ZI = jXf). Ez utóbbi két csillagpont-kezelési módszerrel az egyfázisú földzárlati áramok értéke - a közvetlenül földelt csillagpontú hálózatokéhoz képest - hatásosan csökkentheto, ugyanakkor a csillagpont potenciálja is kelloen rögzített. A csillagpont reaktancián keresztül való földelésével a földzárlatok íve kioltható, mivel a hibahelyen folyó kapacitív földzárlati áramot a földeloreaktancia induktív árama kompenzálja. Ezért ezt a módszert kompenzálásnak, ill. a reaktancián (fojtótekercsen) keresztül földelt csillagpontú hálózatokat kompenzált hálózatoknak is nevezi le A hazai gyakorlatban ellenálláson keresztül földelik a 10 kV-os középfeszültségu kábelhálózatok csillagp ontj ait, míg a 20 kV-os (35 kV-os) középfeszültségu szabadvezetékes elosztó-hálózataink tipikusan kompenzált hálózatok.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

143/46

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.09.28

A hálózatok csillagpontkezelési módja nagymértékben befolyásolja az ún. belso túlfeszültségek nagyságát. A belso túlfeszültségek a feszültség alatt álló hálózatok egyes készülékeiben, berendezéseiben lejátszódó folyamatok révén keletkeznek. Eredetük szerint ezek lehetnek: kapcsolási túlfeszültségek, üzemi frekvenciájú túlfeszültségek és rezonanciás túlfeszültségek. Ebbol a szempontból nem a csillagpontföldelések közvetlen vagy közvetett módja a dönto, hanem e földelések hatásossága. Hatásosan földelt a hálózat, ha a hálózaton bárhol bekövetkezo egyfázisú földérintéses hiba alkalmával az ép fázisok feszültsége a földhöz képest nem nagyobb, mint a hálózat névleges vonali feszültségének 80%-a. Ez a követelmény olyan hálózatoknál áll fenn, ahol: O::;Xo

<

3

és

Xl

O::;~

<

1,

(2.-1)

Xl

ahol: Xo a zérus sorrendu reaktancia; Xl a pozitív sorrendu reaktancia és Ro a zérus sorrendu ellenállás - valamennyi érték a hiba helyérol értelmezett mérésponti érték. A hálózat csillagpontföldelése akkor lesz a leghatásosabb, ha valamennyi transzformátorának csillagpontját közvetlenül földelik. Mereven földelt hálózatról beszélünk, ha: < 1 . (2.-2) Xl Ebben az esetben az egyfázisú rövidzárlati áram nagyobb lesz, mint a háromfázisú. Ez több szempontból hátrányos (például erosen megno a távközlési berendezések hibaáram okozta zavartatása), ezért ilyen esetben "lazítani" szokás a csillagpontföldeléseket például oly módon, hogy nem földelik az összes transzformátor csillagpontját, vagy néhány transzformátor csillagpontját reaktancián keresztül földelik.

Xo

2.4. Hálózati impedanciák A villamos hálózatok, távvezetékek impedanciáinak, induktivitásainak számítása során, a korábban a villamosságtanban tanult fogalmak általánosított alakjaira van szükség. Sokszor pedig az eddig tanult definíciókat más, az adott vizsgálati mód szempontjából célszerubbekkel kell kiegészíteni. A most következokben ilyen fogalmak bevezetésére kerül sor. A továbbiakban sokszor használjuk a szuperpozíció elvét. Ha egy hálózatot véges rendu differenciálegyenlet ír le, amelyben az együtthatók konstansok és a rendszer lineárisnak tekintheto, akkor a szuperpozíció elve alkalmazható. Ez azt jelenti, hogy a hálózaton egyidejuleg muködo generátorok hatására bárhol a hálózaton mérheto áram vagy a hálózat bármely két pontja között mérheto feszültség úgy is meghatározható, hogy az egyes generátorok által külön-külön keltett áramokat vagy feszültségeket összegezzük. Egy-egy generátor hatásának figyelembevételekor a többi generátort dezaktívizálni kell, vagyis a feszültséggenerátorokat rövidzárral, az áramgenerátorokat szakadással kell helyettesíteni.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

143/47

VE-ea-BSc

I BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

06.09.28

Villamos energetika 1. eloadás

2.4.1. Távvezetékek ön- és kölcsönös impedanciái Vizsgáljuk a 2.4.-1. ábrán látható n számú párhuzamos vezetobol álló rendszert. A vezetok mágneses kölcsönhatásban állnak, így önimpedanciájukon kívül kölcsönös impedanciájuk is Bármelyik vezeto önimpedanciája meghatározható úgy, hogy az illeto vezetoben áram pozitív irányában okozott feszültségesés Ua értékét osztjuk az illeto vezeto 10 miközben a többi áramkört megszakítottuk:

egymással van. (pl. a) az áramávaJ, :.'"

(2.-3)

2.4.-1. ábra. n számú párhuzamos vezetobol alkotott rendszer Két vezeték közötti kölcsönös impedancia értékét megkapjuk, ha az egyik vezetoben (pl. b) folyó áram ~. hatására a másik vezetoben (pl. a) keletkezo feszültségesés

U~(b)

értékét elosztjuk a

feszültséget indukáló árammal Ib' miközben a többi vezeto áramkörét meg szakítjuk, azaz áramuk nulla: U-Cb)

Zab

=

y-b

(2.-4)

_n

Egyirányú áramok a vezeto feszültségesését növelik, ellentétes irányú áramok csökkentik. Vizsgáljuk meg az elobb általánosított fogalmakat a gyakorlatban legtöbbször eloforduló háromfázisú szimmetrikus impedanciarendszer esetében, ha az áifolyó áramok is szimmetrikusak, azaz a táplálás és a terhelés is szimmetrikus. A rendszer szimmetriája miatt Z oa = Z bb = Z cc = Za és (2.-9) Zab = Z be = Z oc = Z ba = Z cb = Z ca = Z k (2.-10) Az áramok szimmetriájából adódik, hogy: 10

+ Ib + Ic =

O.

(2.-11)

A (2.-7) egyenletrendszer az impedanciákra elmondottakat figyelembe véve:

Készítette: Tényi V. Gusztáv

143/48

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

Ua =ZoIa+Zk(Ih ----

Felhasználva (2.-11)-et következoképp írható:

azaz

-

--

- +Ic), -

Uh = ZoIh+Zk(Ia

+Ic),

Uc =Zolc+2kUa

+lh),

az

áramok Ua =(Zo --

-

06.09.28

szimmetrikus

(2.-12)

voltát

a (2.-12)

egyenletrendszer

a

-Zk)Ia, -

Ub = (Za -Zk)Ih,

(2.-13)

Vc = (Za -2k)lc,

A (2.-13) egyenletekben (20 - 2 k) önimpedancia jellegu mennyiség szerepel, azaz látszólag a három fázis nem gyakorol egymásra hatást, hiszen mindegyik egyenletben csak a saját áram szerepel az adott fázis feszültségének létrehozásában. Az egymásra hatás abban nyilvánul meg, hogy az így adódó formálisan önimpedanciajellegu mennyiség (Zo - Zk) eltér az eredeti tényleges önimpedanciától. A szimmetrikus háromfázisú rendszer így három azonos viselkedésu egyfázisú rendszerre bontható, és egyfázisú helyettesíto vázlat készítheto.

2.4.2. Mérésponti és átviteli impedanciák

2.4.3. Hálózatok egyfázisú helyettesíto vázlata Tápláljon egy egyfázisú feszültségforrás két vezetékkel egy fogyasztót (2A.-5a. ábra). Az oda- és visszavezetést biztosító vezetéket egy-egy koncentrált impedanciával vehetjük figyelembe, a fogyasztó impedanciája Z F

•

A villamosenergetika feladata a fogyasztók minoségi energiaellátása. Ehhez elore számolni kell a vezetékek fogyasztói pontjain a feszültséget, ill. a megfelelo beavatkozás érdekében ismerni kell a vezetékek zárlata esetén a zárlati áramot. Ezen számítások esetére a 2.4.-5a. ábrával egyenértéku a 2.4.-5b. ábra. Ez utóbbiban az egyik vezeto impedanciája az oda- és visszavezetés önimpedanciájának összege, a másik vezeto (visszavezetés) impedanciamentes.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

143/49

VE-ea-BSc

~

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

--1'

A 1 Ü

,

TZ B2Z ZF A zF Ü. Z

•

T·, 4: 4:.

CC

,

D

J,

b)

I

Z A

ITT

06.09.28

Villamos energetika 1. eloadás

1

c)

ZF

!!E D IT.

C

...ü

B

2.4.-5. ábra. Kétvezetékes, egyfázisú rendszer; a) valódi impedanciák elhelyezkedése; b) helyettesíto impedanciák Ha felrajzoljuk a kétféle helyettesíto kapcsoláshoz tartozó potenciáldiagramot (2.4.-6. ábra), láthatjuk, hogy mind a két végponton, mind pedig bármely közbülso helyen a vezetékek között a feszültségkülönbségek nagyságát helyesen kapjuk meg. A 2.4.-6b. ábra nem ad helyes adatot az A és C, valamint a B és D vagy az A és D, ill. B és C pontok közötti feszültség értékére. A fo feladat a fogyasztói feszültség meghatározása, és azt a 2.4.-5b. ábra helyettesíto vázlata helyesen adja, így elfogadjuk mint leképzést azzal a feltétellel, hogy nem mindenben egyenértéku az eredetivel. o

~

A~~

ri

u~ B

a)

:)

D

c

b)

~~3 ~~

if~

c

B

:)

D e)

2.4.-6. ábra. Kétvezetékes, egyfázisú rendszer feszültsége a vezetékhossz mentén; a) valódi feszültségeloszlás; b) a helyettesíto kapcsolás feszültségeloszlása c) háromfázisú szimmetrikus rendszer egyik fázisa Készítette: Tényi V. Gusztáv

143/50

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.09.28

Ha szimmetrikus háromfázisú táplálásról van szó, és az áramok és a feszültségek is szimmetrikusak (normál állandósult üzem), akkor a (2.-13) egyenletek alapján egyfázisú helyettesíto sémát alkalmazhatunk (2A.-5c. ábra). A helyettesíto vázlatban a fázisfeszültség az áram, és a fázisimpedancia szerepel. Minden energiaátviteli elemnek - generátor, transzformátor, távvezeték - van saját helyettesíto vázlata (lásd a 3. fejezetet). Az adott helyettesíto vázlat azonban nagymértékben függ a vizsgálat, számítás céljától és elvárt pontosságától. Így ugyanaz a hálózati elem más és más probléma megoldásánál más és más helyettesíto vázlattal szerepelhet. Az egyfázisú helyettesíto vázlat olyan hálózat, amelyben csak önimpedanciák szerepelnek, és amely a leképzett hálózattal azonos állandósult üzemi viszonyok között a végpontokra nézve az eredeti hálózattal azonos áram-, feszültség- és teljesítmény-eredményt szolgáltat. A helyettesíto vázlat az eredetibol az alábbi módon készítheto el. Eloször az eredetivel azonos számú kivezetéssei helyettesíto hálózat rajzolandó, akivezetések számának megfelelo mennyiségu és kötésu ismeretlen értéku önimpedanciával. A második lépés - az önimpedanciák értékeinek meghatározása - kétféle módon is lehetséges. a) Megmérjük két-két kivezetésenként az üresjárási mérésponti impedanciát az eredeti hálózaton (a mérés alatt a többi kivezetést megszakítjuk), majd a helyettesíto vázlatba szintén 2-2 kivezetésenként rendre berajzoljuk a mérésponti impedanciákat Az eredeti hálózat és a helyettesíto vázlat megfelelo mérésponti impedanciáit egyenlové téve, az egyenletekbol meghatározzuk a helyettesíto vázlat impedanciáinak értékét. b) Az eredeti és a helyettesíto vázlatban minden pont között meg kell határozni a rövidzárási átviteli impedanciát, és ezt a megfelelo pontok között egyeztetni kell, az így nyert egyenletekbol a helyettesíto vázlat impedanciái meghatározhatók.

2.4.4. Közös feszültségalapra redukálás A villamosenergia-átvitel jellemzo sajátossága, hogy - a kisebb veszteségekre való törekvés igényének megfeleloen - a termelotol a fogyasztóig több különbözo feszültségszinten jut el az energia a fogyasztóhoz. A különbözo feszültségszinteket létrehozó transzformátorok a hálózatot több galvanikus an független részhálózatra bontják. Számítási szempontból viszont azonos feszültségszintu, galvanikus an összefüggo egyszeru helyettesítési vázlatra van szükségünk.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

143/51

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.10.05

4. TÁVVEZETÉKAZ ENERGIARENDSZERBEN A villamos energia eloállítása a felhasználás helyétol általában távol történik. E feladatok megoldására építették a távvezetékeket, vagy röviden vezetékeket, amelyek az eromuvek, transzformátorállomások és a fogyasztók között létesítenek összeköttetést. A távvezeték kiviteli szempontból kétféle lehet: • szabadvezeték vagy • kábel. A szabadvezeték olyan csupasz vezeték, amely a földtol elszigetelten a véletlen érintés megszabta magasságban, tartószerkezeten van elhelyezve. Egyes esetekben burkolt, kisfeszültségen szigetelt is lehet. A szabadvezetékek tartószerkezetei többnyire rácsos acél vagy betonoszlopok, amelyek állékonyságát külön alapozás biztosítja. Az oszlopokra szerelt álló vagy függo szigetelok tarják, feszítik a sodrony szerkezetu fázisvezetoket úgy, hogy a legnagyobb belógás állapotában is megfelelo távolságra vannak a talajszinttol (4.1.-1. ábra). A váltakozó áramú szabadvezetékek háromfázisúak, a közvetlen villámcsapás megelozésére egyes fontosabb vezetékek fólé védovezetot is szerelnek. A kábel olyan földbe fektetésre alkalmas szigetelt mechanikai és vegyi sérülés ellen védoburkolattal van ellátva.

vezeték,

amely nedvességbehatolás,

4.1. Szabadvezetékek villamos jellemzoi A szabadvezetékeket az idojárás és az üzem egyideju hatásaként igen sokféle összetett igénybevétel éri (szél, homérséklet-változás, köd, zúzmara, stb.). A szabadvezeték mechanikai méretezése természetesen hatással van a távvezeték villamos jellemzoire; például ha nagy az oszlopköz, akkor nagy a vezeto belógása. Ilyenkor a vezeto szálakat távolabb kell egymástól elhelyezni, hogy azok a szél hatására ne lengjenek össze és így elkerülhessük a zárlatot; ezesetben no a vezeték induktív és kapacitív reaktanciája. A vezeték föld feletti magassága szintén befolyásolja a villamos jellemzoket. A szabadvezeték 3.1.-2. ábrán látható egyfázisú helyettesíto vázlata a következo villamos elemekbol áll: a) soros elemek: a vezetékrendszer induktív reaktanciája (XL); a vezeto sodrony ellenállása (R); b) párhuzamos (sönt) elemek: ezen egyszerusített helyettesíto vázlatban a vezetékrendszer földkapacitásából számolt kapacitív reaktancia (Xc); a szigetelok levezetési és szivárgási áramából valamint a fázisvezeto sodronyok felületén fellépo sugárzás ból, az ún. koronaveszteségbol számolt ellenállás (Rsz)

Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/52

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

06.10.05

Villamos energetika 1. eloadás

"'villámvédo

vezeto

oszlop

3.1.- 1. ábra. Szabadvezeték vázlatos ábrázolása

2R

sz

2R

-j2Xc

sz

-j2Xc

3.1.-2. ábra. Szabadvezeték hosszegységének egyfázisú helyettesíto vázlata

4.1.1. A szabadvezeték soros ellenállása Távvezetékek nagyobb keresztmetszetu vezetoinek váltakozó árammal mért ellenállása általában nagyobb, mint az egyenárammal mérheto ellenállása. Ennek oka az áramkiszorítás Caszkín hatás) jelensége. Az elozoekben tárgyalt jelenségek hatását számottevo en csökkenti, sot színesfémbol készült vezetoknél gyakorlatilag meg is szünteti az a körülmény, hogy szabadvezetékek számára - egészen kis keresztmetszetek kivételével - csakis sodronyszerkezetu vezetoket használnak.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/53

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

06.1 0.05

Villamos energetika I. eloadás

A sodrásnak azonban igen hátrányos két következménye is van: • az egyik az, hogy a csavarvonalban haladó elemi szálak hosszabbak, mint a sodrony tényleges hossza. Általában elmondható, hogy az egyenárammal mért ellenállás 2 ...3%-kal nagyobb a hosszból számítottnál. • a másik az, hogy a sodrás következtében megno a vezeték önindukciója, mivel egyik sodrott réteg egy hosszúra nyújtott szolenoid, amely belsejében mágneses mezot gerjeszt. Mivel a leggyakrabban használt sodronyok többréteguek, a sodrás okozta induktivitás növekedés a színesfémbol készült sodronyoknál a gyakorlatban elhanyagolható. A sodrás induktivitás - növelo hatása acélbelu alumíniumvezetok esetén is elhanyagolható, ha az alumínium burkolat legalább két rétegu.

4.1.2. A szabadvezeték párhuzamos ellenállása A szabadvezetékek szigetelése nem tökéletes, ezért a fo áramirányt (az energiaterjedés irányát) söntölo veszteségek keletkeznek. 4.1.2.1. Levezetés a szigeteloknél, szivárgási áram Levezetésen azt a jelenséget értjük, hogya feszültség alatt álló vezetobol a szigetelésen, ill. a szigetelok felületén keresztül a földelt tartószerkezet felé nagyon kis értéku áram folyik. A jó minoségu korszeru szigetelok esetében a szigetelon keresztül folyó szivárgási áram a fe1ületén haladó levezetési áramhoz képest elhanyagolható. A levezetést foleg a szigetelok felületére lerakódó nedvesség és szennyezodések (por; korom stb.) befolyásolják. A lerakódás mértékét aszigetelo kialakításával (alakjával) és felületének minoségévellehet kedvezotlenebbé tenni. rögzíto M rugó

fém sapka

szigetelo ernyo

bunkós szem

3.1.-3. ábra. Egysapkás nagyfeszültségu függoszigetelo A porcelán szigetelok felületét fényes mázzal vonják be, és szükség esetén víztaszító anyaggal kenik be az összefüggo vezeto réteg kialakulásának megakadályozására. A légköri viszonyok is erosen befolyásolják a levezetést, mert • száraz levegoben a levezetés független aszigetelo tisztaságától, • nedves idoben, ködben és szitáló esoben a levezetés erosen megnövekszik, mert a szennyezodéseket csak nedvesítik, és kisebb-nagyobb utat nyitnak a feszültség alatt álló vezetékrol a föld felé.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/54

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar • •

Villamos energetika 1. eloadás

06.10.05

A suru köd Csendes eso

• Rövid ideig tartó, széllel együtt fellépo felhoszakadásszeru eso • Száraz, tiszta hó, zúzmara és jégjó szigetelok .. Tapasztalati érték kevés áll rendelkezésre, ha szükséges a levezetési (szivárgási) ellenállás értékét 120 kV -os szabadvezeték esetén Rsz = 50 MQkmlfázis értékkel szoktuk figyelembe venni. A veszteség így kb. 300 W/km. 4.1.2.2. A sugárzás jelensége sz~badvezetéken (korona jelenség) A szabadvezeték vezetoit teljes hosszukban a levego szigeteli el egymástól. ló idoben a levego gyakorlatilag tökéletesen szigetel. Kedvezotlen idojárás esetén azonban a vezetok felületén koronasugárzás keletkezik. Ez a jelenség igen fontos, mert a nagyfeszültségu vezetékek szerkezetének a vezeto átmérojének meghatározása szempontjából dönto fontosságú lehet. A koronajelenség nemcsak a veszteségek gazdasági kihatásai miatt kerülendok, hanem a vele együtt járó igen eroteljes nagyfrekvenciás zaj a rádiót és a televíziót, sot a nagyfeszültségu vezetéken muködo vivofrekvenciás berendezéseket is zavarja. A sugárzási veszteség csökkentése a vezetok átmérojének és kölcsönös távolságának növelésével érheto el. A vezetok kölcsönös távolsága a feszültségtol, a belógástói, továbbá a gazdaságos vezetéképítés szempontjaitói függ. A gyakorlatban kialakultak bizonyos vezetotávolságok, amelyektol nem szokás számottevoen eltérni. Gyakorlatilag kétféle megoldással sikerült a sugárzás miatt szükséges igen nagy keresztmetszetet elkerülni. Üreges, ún. csovezetovel, vagy köteges vezetovel.

4.1.3. A szabadvezeték induktív reaktanciája

4.1.3.3. Egyfázisú vezeték soros (induktív) reaktanciája

4.1.3.5. Háromfázisú vezeték soros (induktív) reaktanciája Hosszabb vezetékeken a különbségeket fázisforgatással egyenlítik ki. (Ez úgy történik, hogy a vezetékeket a nyomvonalhossz mentén többször megcserélik úgy, hogy mindegyik fázis mindegyik helyzetet ugyanakkora hosszon foglalja el.). Ciklikus fáziscserével a végpontokra nézve szimmetrizált

Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/55

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

a

06.10.05

Villamos energetika 1. eloadás

_____

_

b c

b c

___ a

_ 1/3

1/3

1/3

a)

a

a

b

b

c 1/6

1/3

1/3

______ 1/6

c

b)

3.1. -12. ábra. a) Ciklikusan cserélt vezeték kétszeres fázisforgatással

b) Ciklikusan cserélt vezeték háromszoros fázisforgatással, a végpontok fázissorrendje azonos

4.1.4. A szabadvezetékek kapacitív reaktanciája

4.1.4.2. A háromfázisú vezeték kapacitív (pozitív és negatív sorrendu párhuzamos reaktanciája)

Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/56

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

"_.2.

Villamos energetika I. eloadás

06.10.05

Szabadvezetékek szerkezeti elemei

4.2.1. Szabadvezetéki vezetoanyagok A szabadvezetéki vezetoanyagokkal szemben támasztott követelmények összetettek. Elsodleges a mechanikai biztonság, azaz a leszakadás- és a különbözo vezetéklengések, rezgések elkerülése. A gazdaságos létesítésre nemcsak a vezetékanyag ára, hanem a szerelvények és a szerelésnek a vezetékanyag minoségétol függo költsége, valamint az oszlopok szerkezete és méretei is hatnak. Az olcsó üzemeltetést az üzemben levo vezetékben keletkezo veszteségek, valamint a karbantartás és a felújítás költségei határozzák meg. A sodrony túlnyomórészt egynemu anyagú és azonos átméroju elemi szálakból készül. A sodronyszerkezet elonye, hogy biztonságosabb: • mert a vékony elemi szálak homogén minosége jobban biztosítható, mint a vastagoké; • és egy-két elemi szál meghibásodása, szakadása esetén a sodrony nem válik használhatatlanná. 3.1.-1. táblázat Sodronyszerkezetet alkotó huzalanyagok fizikai jellemzoi 70000 200000 alumínium acélhuzal Fizikai jellemzok 2,700 0,033 0,003600 0,001 7,800 0,220 23* 10-6 AlMgSiE jelu AV4 ötvözött jelu(n) 11* huzal O-300C intervallumban) együtthatója [r 20] = Qmm2(1Im

Készítette: Tényi V. Gusztáv

23* 1O-6 0,004030 60000 Al99,5E(k) 0,0283 2,703

127/57

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

umínium

Villamos energetika 1. eloadás

06.10.05

Al 99,5 E(k)

Ötvözött alumínium

Al Mg Si E

Acélalumínium (ACSR)

Acél A burkolt szabadvezeték (BSZV)

3.1.-1. ábra Burkolt szabadvezeték sodrony felépítése Az üzemzavari statisztikai adatok alapján a meghibásodások jelentos részét a szél, a hó, a jég, a só és egyéb szenny lerakódások teszik ki, illetve a madarak és egyéb állatok, valamint a vezetékek körüli növényzet, a fák és ágaik okozzák. Szigetelt szabadvezeték 3.1.-7. táblázat Szigetelt szabadvezeték szerkezete és megengedett legnagyobb terheloárama mmLegnagyobb megengedett száma max. 110 310 220 455 2178 140 53 340 37 761 187 65 260 19 410 70 140 88 270 70 205 5110 3szerelve 320 170 38-védocsobemm. 25,2 22,8 16,2 12,2 14,3 18,6 31,6 6,2 28,4 22,6 16,8 20,5 14,6 8,1 11,1 13,0 7,1 18,4 terheloárama, 10,8 20,5 28,4 8,9 7,7 7,2 25,6 9,8 Az átméroje, szerelve A ér külso tartósodronyra huzalainak A névleges 2

,,-~!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

K.észÍtette: Tényi V. Gusztáv

127/58

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.10.05

abadvezeték optikai szállal (üvegszál) A villamosenergia-átvitel és az információ-átvitel feladatai egyformán nagy távolságok áthidalását igénylik, így az optikai jelátvitelmelyet már fizikailag nem befolyásol a villamosenergia-átvitelszámára kézenfekvo a nagyfeszültségu távvezetékek felhasználása.

4.2.2. Szilárdsági számítások A szabadvezeték a tartóoszlopra szigetelok közbeiktatásával felfüggesztett sodrony. A vezetok súlyuk hatására a két felfüggesztési pont között belógnak láncgörbe, más néven kötél görbe szerint. A belógás nagysága függ a vezetore ható erohatásoktói és az oszlopok távolságától, valamint attól az erotol, amellyel a vezetot kifeszítjük. A szabadvezeték statikailag annál biztonságosabb, minél kisebb a vezetéket feszíto ero, mert annál kisebb a veszélye annak, hogy a vezeték külso túlero hatására elszakad. De, ha kisebb erovel feszítjük a vezetéket, nagyobb lesz abelógása. A vezeték mechanikai méretezésének az a feladata, hogya vezetéket szabályosan terhelo összes erok tekintetbevételével megállapíthassuk a biztonsági szempontból legmegfelelobb igénybevételt, , 'jd ennek ismeretében a belógás értékét. 4.2.2.1.

A vezetok teherbíró képessége

i\,% 3.1.-2. ábra Huzal és sodrony szakítási diagramja Az alumínium sodronyok szakítódiagramján még egy pontnak van fontos szerepe, amelyik a tartós folyás jelenségével van összefüggésben. Minden alumínium sodrony, hosszú ideig állandóan ható igénybevétel hatására a szakítószilárdságnál ((JE) kisebb feszültségértéknél elszakad. A tartós szilárdság (ot) egy olyan állandóan ható igénybevétel, me ly hatására a vezeto egy év multán szakad el.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/59

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.1 0.05

A tartós szilárdság rendkívüli viszonyokra meghatározza azt a legnagyobb igénybevételt, amely kivételesen a vezetot még terhelheti. Tájékoztató értéke Oí= 0,7 ... 0,75CYB. A 3.1.-3. ábra egyelofeszített sodrony szakítási görbéjét ábrázolja a szükséges feszültségértékekkel. UN/2 , m

UB

ISzakítószilárdsá

egy perc múlva szakít

Tartós egy

szilárdság

év múlva

szakít

Arányossági határ sohasem szakít Megengedett

igénybevétel

A, %

3.1.-3. ábra Elofeszített sodrony szakítási görbéje 4.2.2.2. A vezetokre ható erok A vezeto saját tömegével számolt súly ero Pótteher A pótteher a szabadvezetékre rakódó zúzrnara, tapadó hó és ónos eso sú1yhatását helyettesíto, számításaink egyszerusítésére megállapított súly. Szélteher A szélteher idoszakosan fellépo, változó nagyságú terhelés, amelyet a számításokban egyenletesen megoszlónak és vízszintes irányban ható nak kell tekinteni. Nagyságát a szél sebessége, a felület nagysága és alakja, valamint a szélnek felülethez viszonyított iránya határozza meg. Dinamikus hatások A távvezetékeket idoszakosan dinamikus hatások is igénybe veszik. Az erosebb szél mindig löketes, s ez változó nagyságú és periódusú oldalkilengésre készteti az oszlopköz vezetoit. Nyomvonal irányú szélben hullámos terepen, völgyteknokben vízszintes tengelyu légörvények keletkezhetnek, amelyek függoleges irányú erohatásukkal hosszúhullámú ostorozó lengésbe hozhatják a vezetoket (3.1.-5. ábra). A lengések a vezetok húzófeszültségének ingadozását idézik elo. A lökések energiáját a vezetok rugalmas nyúlása és súrlódása emészti fel.

.K..észítette:Tényi V. Gusztáv

127/60

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.10.05

3.1.-5. ábra Vezetékek függoleges síkú lengése

rt vezetok rezgése Ha a távvezeték nyomvonal ára merolegesen, vízszintesen, 1...5 mis sebességu, lamináris szél fúj, a vezetok kis hullámhosszúságú és kis amplitúdójú rezgésbe jönnek (3.-6. ábra). A jelenséget az váltja ki, hogyalevegorészecskék a súrlódó felületen lefékezodnek és szabályos idoközökben hol a vezeték felso-, hol az alsó élén légörvény alakjában szakadnak le és a helyükbe tóduló friss levego függoleges síkú váltakozó irányú nyomást gyakorol a vezetékre.

3.-6. ábra Rezgo vezeto állóhullámai

4.2.2.3. Szabadvezeték belógása Két rögzített, tetszoleges pont között kifeszített, homogén anyagú, egész hosszában egyenlo keresztmetszetu, teljesen hajlékony, terhelés alatt megnyúló (tehát rugalmas) vezeto végig egyenletesen eloszló, függolegesen ható terhelés hatására felvett alakját rugalmas láncgörbének nevezzük.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/61

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

Villamos energetika I. eloadás

06.1 0.05

---

a

3.1.-7. ábra Szabadvezeték belógása

4.2.2.4. A vezetok állapotváltozása A vezetok egyensúlyi állapotát tükrözo eddig tárgyalt összefüggések az állandósult igénybevétel állapotára vonatkoznak. Ha a vezeték mindig azonos viszonyok között, és azonos hofokon volna, akkor eredményeink a vezetéket szilárdságtani szempontból egyértelmuen jellemeznék. A vezetok igénybevétele azonban az idojárási viszonyok miatt állandóan változik: - a homérsékletváltozás, - szélteher, - és a zúzmaraterhelés hatására. A fizikai változások a vezetok geometriai alakváltozásávaljárnak, ugyanis hosszváltozást hoznak létre. A legnagyobb igénybevétel Méretezéskor nyilván abból a legkedvezotlenebb állapotból kell kiindulni, amikor a vezetoben a legnagyobb igénybevétellép fel. A szabvány eloírásainak megfeleloen csupasz vezetonél ez -20 °C_ on állhat elo, vagy pótterhes vezetok esetében -5 oC-on. Kritikus oszlopköz Kritikus oszlopközön azt az oszlopközt értjük, amelyben a vezetok igénybevétele -20 OC-on csupaszon ugyanannyi, mint -5 OC-on pótteherrel, A legnagyobb belógás Ahhoz, hogya szabvány által eloírt minimális föld feletti magasságot betarthassuk, ismernünk kell a legnagyobb belógás értékét, amely segítségével a szükséges oszlopmagasságok és biztonsági távolságok kialakíthatók. Ha a felso kritikus homérséklet +40 CC fölött van, akkor a legnagyobb belógás -5 CC-onés pótteherrellép fel, ha pedig alatta, akkor a legnagyobb belógás +40 CC-onkövetkezik be.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/62

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

06.10.05

Villamos energetika 1. eloadás

4.2.3. Feszített vezetok mozgása A távvezetékek biztonságához nem elegendo, ha a vezetoket a külso erohatásokra méretezzük, hanem arra is figyelemmel kell lennünk, hogya távvezetékek épségét villamos átívelések, átégések se veszélyeztessék. A vezetoket a tartószerkezeteken úgy kell elrendezni, hogy azok sem nyugvó, sem kimozdított (kilendült) állapotukban egymáshoz, más vezetohöz vagy a tartószerkezethez túl közel ne kerülhessenek. Veszélyes közelségbe kerülhet: - a szél által kilengetett, függoszigetelore szerelt vezeto és a tartószerkezet; - a szél által lengésbe hozott két vezeto; - a zúzmaraterhétol hirtelen megszabaduló és felcsapódó vezeto a felette levo vezetohöz. 4.2.3.1.

Függoszigetelok kilengése a tartószerkezethez

N

.•

D

D

3.1.-12. ábra Függoszigetelo kilendülése

4.2.3.2. A vezetok összelengése 4.2.3.3.

A vezetok felcsapódása

o

-

3.1.-15. ábra A vezeto felcsapódása Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/63

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

06.10.05

Villamos energetika 1. eloadás

4.2.4. A vezetékelrendezés méretszabályai A vezetékeknek egymáshoz a tartóvezetékekhez, valamint a környezethez viszonyított elhelyezésére vonatkozó szabályokat és méretadatokat az MSZ 151 "Erosáramú szabadvezeték" c. szabvány foglalja össze. E szabványeloírások részletes ismertetésére - amely a tapasztalatokból leszurt és a mindenkori gyakorlathoz alkalmazkodó eloírásokat tartalmazza - a nagy terjedelme miatt nincs mód. A legfontosabb kérdésekre mégis rá kell mutatni, amelyek gyakorlati útmutatást adnak a szabvány alkalmazásához. 4.2.4.1.

Biztonsági intézkedések

A szabadvezetékeket és tartozékait úgy kell szerelni, hogy a rendes üzemben feszültség alatt álló részek külön segédeszközök nélkül a földrol, épületrol vagy más, emberek által megközelítheto helyrol véletlenül ne legyenek megérinthetok, ill. veszélyesen megközelíthetok. (A közvetlen érintés elleni védelem szabályai.) A közvetett érintés elleni védelem szempontjából be kell tartani az erosáramú villamos berendezésekre vonatkozó szabvány rendelkezéseit (pl. földelések kialakítása). Különös gondot kell fordítani a hidak és a felüljárók alatt feszített vezetékek felülrol történo érintése elleni védelemre, amelyre vonatkozó eloírásokat esetrol-esetre a hatóságok rendelkezései szabályoznak. 3.1.-11. táblázat 4.2.4.2.

A vezetok föld feletti magassága

4.2.4.3.

A vezetok kölcsönös távolsága

4.2.4.4.

A vezetok távolsága a tartószerkezettol

Álló szigetelok esetében a vezetok tartószerkezethez viszonyított helyzete rögzített. Függo szigetelok azonban a szél nyomására a rájuk függesztett vezetovel együtt kilengenek és így a vezeto, ill. a feszültségen levo tartó szerelvény (lengoszorító) mind az oszloptörzshöz, mind a kereszttartó hoz közelebb kerül.

x

x

x

)(

3.1.-17. ábra Feszültség alatt álló vezetok távolsága a tartószerkezettol Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/64

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

4.2.4.5.

Villamos energetika 1. eloadás

06.10.05

Megközelítések és keresztezések

Az erosáramú szabadvezeték szabvány a késobb felsorolandó létesítmények vagy helyek megközelítése vagy keresztezése esetén a normálisnál nagyobb, ún. megnövelt biztonságú szabadvezeték készítését írja elo. Ilyen esetekben az élet- és a vagyonbiztonságon túlmenoen további biztonsági követelményeket kell betartani. A megnövelt biztonságú szabadvezeték lehet: - fokozott biztonságú vagy - különleges biztonságú. A szabvány természetesen rendelkezik arról is, hogy a megnövelt biztonság két fokozata közül mikor melyiket kell alkalmazni. Az eloírások nemcsak a tervezés, hanem a megvalósítás, a szerelés, a szerelvényezés és a karbantartás vonalán is mindenkor érvényesítendok.

/1/\

3.1. -18. ábra Védo vezeto védett tere 4.2.4.6.

Villámvédo vezeto

A nagyfeszültségu szabadvezetékek megelozo túlfeszültség-védelmeként védo vezetot szoktak alkalmazni (U 2 120 kV). Elrendezését a tartószerkezeten nemcsak az összelengés veszélye befolyásolja - amelyet a már leírt összelengési vizsgálat szerint lehet meghatározni - hanem a védo vezeto rendszerint legfontosabb rendeltetésének, a túlfeszültség-védelemnek a szempontjai is. A védo vezeto a túlfeszültség-védelem követelményeit akkor elégíti ki, ha közvetlen villámcsapások a védendo fázisvezetoket gyakorlatilag nem érik, de közvetett villámkisülések, ún. visszacsapások is csak ritkán okoznak a szabadvezeték üzemében zavart vagy sérülést.

4.2.5. Szigetelok és tartozékaik, szerelvények A szigetelok a szabadvezeték villamos vezetoit szigetelik el a f61delt tartószerkezettol, valamint a vezetok tartására és feszítésére is szolgálnak. 4.2.5.1.

Szabadvezetéki szigete lok anyagai

A szigeteloknek olyan anyagból kell készülnie, amely megfelelo villamos szilárdságú az átütés, átívelés elkerülése céljából, és e mellett megfelelo mechanikai szilárdságú, hogy a vezetok súlyából és feszítésébol származó terheket törés nélkül elviselje. A szabadvezeték szigeteloit az idojárás és a környezet hatásai közvetlenül érik, így anyagmegválasztásuknál, és kialakításuknál ezt külön figyelembe kell venni. Ilyen eset amikor hirtelen homérsékletváltozás éri a szigetelot, ha eros napsütést zápor követ, vagy amikor ipartelepek környékén fokozott vegyi igénybevételnek is ellen kell állnia. A felsorolt követelményeknek megfelelo anyagok, amelyekbol a szigetelok készülnek: a porcelán, az üveg, a hore keményedo muanyag, és a magyar fejlesztésu üvegszál erosítésu magot körülö lelo szilikon kompozit szigetelo.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/65

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

Villamos energetika I. eloadás

06.10.05

A porcelán Hazánkban korábban szinte csak porcelánszigetelot alkalmaztak, amelyben a kiváló anyagtulajdonság mellett dönto szerepe volt a ma is híres porcelángyártásunknak. A porcelán alapanyaga a fóldpát, a kaolin és a kvarc. A földpát az átütési szilárdságot, a kaolin a tuzállóságot, a kvarc a mechanikai szilárdságot befolyásolja. A három anyag keverésének százalékos aránya határozza meg a késztermék elobb felsorolt tulajdonságait.

Az üveg A szigetelok céljára alkalmas üveg összetétele eltér az általánosan használt üvegtárgyak anyagától. Ennek oka az anyaggal szemben támasztott fokozott mechanikai- és villamos követelmény. Elonye a porcelánnal szemben, hogy a belso gyártási hibák az üveg áttetszo volta miatt észrevehetoek. A napsugárzás hatására kevésbé melegszik fel, mert a sugárzás egy részét átengedi, igaz viszont, hogy hoállósága kisebb, mint a porceláné. Az üveg húzásra és nyomásra jobban igénye veheto, mint a porcelán. Alkalmazása hazánkban a nagyfeszültségu távvezetékek területe. A muanyag A szigetelok céljára alkalmas muanyagok az ún. poliaddiciós gyanták. Szilikon kompozit szigetelok Szilikon kompozit szigetelok (3.1.-19. ábra) fobb elonyei: • A szilikon anyag hidrofobizálja a különféle szennyezo bevonatokat (rozsda, cementpor, madárürülék, stb.) ezáltal megakadályozza a szigetelok nedves környezetben történo átívelését. •

A szilikongumi szennyezett felülete is aktív vízlepergeto marad, így szigetelo tulajdonságai nem romlanak.

• •

Nagy mechanikai biztonság (töroero 160-170 kN). Miután súlyuk az üveg vagy porcelán szigetelo súlyának töredéke könnyen és gyorsan szerelhetok.

• •

A magas fajlagos kúszóút miatt erosen szennyezett környezetben is alkalmazhatók. A kompozit szigetelok ellenállnak a vandalizmusnak. (Leszakadásbiztosak, ezt példázza, hogy ha a tartórudat 70%-ban szétlövik, akkor is biztonsággal tartja a vezetéket.)

1:>90

2620±10

3.1.-19. ábra Kompozit hosszúrúd szigetelo 120 kV (FURUKA WA gyártmány) Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/66

VE-ea-BSc

EMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

4.2.5.2.

06.10.05

Villamos energetika 1. eloadás

Szigetelotípusok

Az oszlopra történo felerosítési módjuk szerint a szabadvezetéki szigetelok kétfélék: állószigetelok, vagy függoszigetelok. Kisfeszültségen mindig, középfeszültségen rendszerint állószigetelot-, nagyfeszültségen getelot alkalmazunk. A kisfeszültségu állószigetelok támszigetelo típusúak.

függoszi-

3.1.-20. ábra Kisfeszültségu állószigetelo és felerosítése (KT)

3.1.-21. ábra Kisfeszültségu feszíto szigetelo és felerosítése Mint már a vezetékek tárgyalásakor szóba került, kisfeszü1tségen egyre terjed a szigetelt szabadvezeték alkalmazása, melynek szereléstechnológiája nem igényel szigetelot. A 3.1.-23. ábrán látható tömör testu szigetelo a túlfeszültség hatására elobb átível minthogy átütne. Tr

3.1.-23. ábra Középfeszültségu TT 20 és TS 20 porcelán állószigetelok Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/67

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.10.05

'""

3.1.-24. ábra Fejhornyos muanyag tartószigetelo (TS24-04) Új utakat nyit meg a vezeték rögzítésében és szerelésében a fejszerelvényes szigetelo mely a hagyományos bandázskötés helyett egyszeru pattanó rugóval rögzíti a vezetéket (3.1.-25. ábra).

3.1.-25. ábra Fejszerelvényes szigetelo (FSTS-20) Középfeszültségu vezetékek feszítésére és nagyfeszültségu vezetékek feszítésére függoszigetelok szolgálnak. Háromféle típus különböztetheto meg: egysapkás szigetelo; kétsapkás szigetelo; rúdszigetelo.

tartására,

Mindegyik szigetelo porcelán teste forgástest.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/68

VE-ea-BSc

valamint

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.1 0.05

Az egysapkás szigetelokben (3.1.-26. ábra) a porcelán nyomásra van igénybe véve, de a sapka és a bunkós csap közötti vékony porcelánréteget aszigetelore jutó nagy villamos túlfeszültség átütheti.

3.1.-26. ábra Egysapkás szigetelo (üveg) A kétsapkás szigetelo (3.1.-27. ábra) is ún. tömör testu szigetelo, amely az üzem közben fellépo túlfeszültség hatására elobb átível mintsem hogy átütne.

3.1.-27. ábra Kétsapkás KS szigetelo Aszigetelore jutó terheloerot a szigetelo porcelán anyaga veszi fel tiszta húzóeroként, csak a szigetelo fémsapkája alatt van nyomásnak is kitéve a porcelán. Ha a porcelántörzs eltörik, a kétsapkás szigetelokbol álló lánc szétszakad, míg egysapkás szigetelokbol "épített lánc nem mindig szakad szét, mert az acél bunkós csatló porcelánban levo része kúpos kialakítású és így a kúpos üregu sapkában a szétrepedt porcelán és a kiöntoanyag (cement) révén beékelodhet. Ma nagyfeszültségen általánosan a kétsapkás szigetelohöz hasonló, de annál lényegesen hosszabb hosszúrúd szigetelo tartja és feszíti a vezetot (3.1.-28. ábra).

3.1.-28. ábra Hosszúrúd HR szigetelo Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/69

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.10.05

A fliggoszigetelokbol szigeteloláncot készítenek (3.1.-29. ábra), amelyben a szigetelok darabszámát a villamos, a párhuzamosan kapcsolt láncágak számát a mechanikai biztonság határozza meg.

3.1.-29. ábra a) Kettos tartólánc KS szigetelokbol (35 kV); b) kettos tartólánc HR szigetelokbol ívvédelemmel (220 kV)

3.1.-34. ábra Lengoszorító A nagyfeszültségu szabadvezetékek áramvezeto sodronyait tartó szerelvények a szigeteloláncokra szerelt lengoszorítók (3.1.-34. ábra). Elbillenésével ez a szerelvény biztosítja a vezeték függoleges irányú elmozdulását, lengését, azaz bizonyos mértéku rugalmas felfliggesztést, a fáradásos törés megakadályozását.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/70

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.10.05

A vezetoket a sodrony elemi szálainak törését okozó rezgések ellen rezgéscsillapítóval védjük (3.1.35. ábra). Az ábrán látható Stockbridge aktív rezgéscsillapító a szél okozta rezgések energiájának felemésztésével a rezgéseket hatásosan tompítja. Völgy-, vagy folyóátfeszítésekben alkalmazott passzív rezgéscsillapító a vértburok, amely hosszirányban elvékonyodó rugalmas szálaival körülöleli a sodronyt, és azt a megfogási pontban jelentosen megvastagítva a rezgési energiát rugalmas, és súrlódási energiaként elnyeli.

3.1.-35. ábra Stockbridge rezgéscsillapító Rendkívül fontos az ívvédo szerelvények szerepe, amelyek meghatározzák a túlfeszültség azon alsó határát, amely már villamos ívet húz a szigetelolánc feszültség alatt levo és fóldelt része között. Az ívvédo szerelvények elhelyezése és alakja egyben a villamos ív útját is kijelöli.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/71

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.10.05

4.2.6. Tartószerkezetek A szabadvezetékek oszlopai - a földtol és egymástól megfelelo távolságban - tartják, ill. feszítik a vezetoket. Feladatuk a szabadvezetékhez tartozó egyéb készülékek, szerelvények tartása is. Az oszlopoknak el kell viselniük a normál üzemi körülményeket, azon kívül a rendkívüli, az üzemi viszonyoktói erosen eltéro erohatásokat is. Természetesen, hogy a rendkívüli üzemi körülmények közül mely esetek azok, amelyekben elvárjuk még a tartószerkezet épségét, ez gondos gazdasági és muszaki megfontolás tárgya. Igen költséges lenne pl. egy tartóoszloptói elvárni, hogy egyoldali összes vezetékszakadás esetét is elviselje, hiszen akkor az oszlop a vezeték végfeszítésére is alkalmas kivitelu kellene, hogy legyen. Az oszlopokat rendeltetésük és anyaguk szerint szokták csoportosítani. Rendeltetésük szerinti csoportosítás két szempont figyelembevételét jelenti: • milyen az oszlopnak a nyomvonalban elfoglalt helyzete, • milyen a vezetok felfüggesztési módja. Az oszlop lehet egyenes nyomvonal ban álló oszlop, vagy nyomvonaltörési ponton álló sarok oszlop. A vezetok felfüggesztése lehet tartó jellegu egyszeru felfüggesztés, vagy húzóero felvételére alkalmas feszíto jellegu felfüggesztés.

4.2.6.1.

Az oszlopok rendeltetés szerinti osztályozása

A távvezetékben alkalmazott oszloptípusok a mechanikai igénybevételtol függoen: • tartóoszlop; • saroktartó oszlop; • feszítooszlop; • sarokfeszíto oszlop; • végoszlop; • leágazó oszlop; • keresztezo oszlop. A tartóoszlop gyakorlatilag egyenes nyomvonalú szabadvezeték esetében csupán a vezetok tartására alkalmas. A saroktartó oszlop a szabadvezeték iránytörési pontján áll. A vezeték szigetelore való erosítése tartó jellegu, de az iránytörésbol adódó eredo vezetékhúzás felvételére alkalmas. A feszíto oszlop a gyakorlatilag egyenes nyomvonalú szabadvezeték esetében a vezeték tartására és egyoldali vezetékhúzás részbeni felvételére alkalmas. A vezetéket a nyomvonal meghatározott távolságaiban rögzítik. A sarokfeszíto oszlop a nyomvonal iránytörési helyein a vezeték feszítésére alkalmas, azaz a saroktartó és a feszítooszlop feladatait látja el. A végoszlop a vezeték végpontjain, vagy olyan helyen áll, ahol az egész egyoldali vezetékhúzás felvételére van szükség. A leágazó oszlop a vezetoleágazások helyén, legalább három irányban ható vezetékhúzás felvételére alkalmas. A keresztezo oszlop utak, vasutak, sodronykötél-pályák, folyók, távközlo berendezések és más vezetékek keresztezésénél a keresztezésre vonatkozó külön eloírásnak felel meg. A fázisforgató oszlop a fáziscserét teszi lehetové.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/72

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

4.2.6.2.

Villamos energetika 1. eloadás

06.10.05

Az oszlopok anyag szerinti osztályozása

Anyaguk szerint az oszlopok lehetnek: • faoszlopok, • betonoszlopok, • acéloszlopok, • alumínium oszlopszerkezetek. Fa

F

v

jNyoIT1\lOnat

! irony Qiffl

li I I.

I NYom-~ vonal

iróny

I

l.1)

b)

o)

3.1.-36. ábra Egyes fa tartóoszlop a) egy beton gyámon;

b) két beton gyámon

Beton Áttört gerincu betonoszlop Az elofeszített betonoszlopok gyártása során nagy szilárdságú acélbetéteket közel a rugalmassági határig megfeszítve betonoznak az oszlopba, így a kész oszlopra ható megengedett hajlító igénybevétel felléptekor a beton még nyomás alatt áll, és nem keletkeznek benne repedések. A beton centrifugális tömörítésével állítják elo a pörgetett betonoszlopot.

ilFx

I

3.1.-37. ábra Áttört gerincu beton tartóoszlop Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/73

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.10.05

Acél Az acél a nagyfeszültségu távvezetékek oszlopanyaga, de a középfeszültségu feszíto-, sarokfeszíto-, és keresztezo oszlopok is készülnek acélból. Kisfeszültségen ritkán alkalmazzák, csak ott, ahol az eredo vezetohúzás vagy a helyszuke ezt szükségessé teszi. A hazánkban alkalmazott rácsos szerkezetu acéloszlopok három részbol állnak: oszlopcsonk, oszloptörzs és oszlopfej. A kis- és középfeszültségen univerzális an alkalmazható rácsos szerkezetu oszlopok törzse folyamatosan mélyed az alapba, itt az oszlopcsonk kialakítására a kis méretek miatt nincs szükség . Alumínium Kis karbantartásigényu hálózatok kifejlesztése helyezte elotérbe a nagyszilárdságú alumíniumötvözetek alkalmazását a távvezeték építésében. Számos kedvezo tulajdonsága a magas ár ellenére is gazdaságossá teszi felhasználását, elsosorban középfeszültségen. 4.2.6.3.

Oszlopkonstrukciók

és alkalmazási területük

Az elozo fejezetben megismert anyagokból készült oszlopok különféle kialakításával és megfelelo összeépítésével olyan oszlopszerkezetek készíthetok, amelyek relatív kevésbé teherbíró anyagok felhasználásával is megfelelnek a feszíto vagy saroktartó oszloptól megkívánt nagyobb követelményeknek. Kikötött oszlop Mind a beton, mind pedig a fa kikötött oszlop azonos konstrukció (3.1.-39. ábra). Az egyes oszlopot a csúcs alatt bizonyos távolságban acélsodronnyal kötik ki a talajban elhelyezett gerendához. A kikötés mindig az eredo terheloerovel ellentétes irányú. Kitámasztott oszlop Szintén fa- és betonoszlopból egyaránt készítheto szerkezet. Ikeroszlop Két azonos oszlopból összeszerelt szerkezet, anyaga szintén fa vagy beton. A beton ikeroszlopok nyomvonal irányban, míg a fa ikeroszlopok nyomvonalirányra merolegesen állnak egymás mellett, általában saroktartó oszlopként. Bakoszlop Két azonos méretu oszlopból "A" alakban összeszerelt szerkezet, amelyet a csúcsokon összefognak. Faoszlopok esetén közbülso helyen is merevítik. Az oszlopok alsó végét talpgerendák kötik össze, amelyek az egységes szerkezetet és ajobb talaj támaszkodást biztosítják. Saroktartó-, feszíto-, vagy végfeszíto oszlopként egyaránt alkalmazott szerkezet (3.1.-42. ábra.).

Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/74

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

Villamos energetika I. eloadás

06.10.05

T a)

T

b)

3.1.-45. ábra Oszlopképek a) nagy- és középfeszültségu-; b) kisfeszültségu oszlopfej szerkezetek

4.2.6.4. A vezetok elrendezése az oszlopokon A vezetok elrendezése a tartószerkezeteken igen sokféle lehet. Elbírálásánál és kiválasztásánál a következo szempontokat kell figyelembe venni: az üzembiztonság, amely az összelengés veszélye miatt az azonos vízszintes síkban levo-, és a felcsapódás veszélye miatt az azonos függoleges síkban levo vezetok közötti távolságra van hatással; a villamos jellemzok - az ohmos ellenállást kivéve - jelentosen függenek a vezetok elrendezésétol (kölcsönös távolság és a föld feletti-, valamint a földelt alkatrészektol mért távolság); • az induktivitás a vezetok kölcsönös távolságával no. Elonyösebb az egymáshoz közelebb levo vezeték, ha üzembiztonsága ugyanakkora marad; • a kapacitás éppen ellenkezoleg változik, az egymáshoz közelebb haladó vezetékek esetén nagyobb. Ebbol a szempontból a vezetok közötti távolság növelése elonyös. Ugyanez mondható el a föld feletti magasságról is; • a sugárzás a vezetok kölcsönös távolságának növelésével csökken; - a nagyfeszültségu távvezetékek esetében a megelozo villámvédelmet is ki kell alakítani.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/75

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.10.05

Szabadvezetéknél villámcsapás ellen egy védovezetovel csak korlátozott mértékben, két védovezetovel gyakorlatilag azonban már teljes mértékben lehet a villámvédelmet biztosítani (3.1.-51. ábra); - a szerelés és a javítás egyszerusége azt kívánja, hogy a vezetok felhúzása és leszerelése egyszeruen legyen elvégezheto. A vezetokhöz könnyen hozzá lehessen férni. Közös oszlopsoron haladó két vezetékrendszer esetén bármelyiket le lehessen kapcsolni, és aszerelok veszélytelenül dolgozhassanak akkor is, ha a másik rendszer üzemben van. Az elméletileg lehetséges igen sokféle vezetékelrendezés közül a gyakorlatban is alkalmazott típusok vonalas vázlatait a 3.1.-45. ábra mutatja. Többrendszeru távvezetéki szerkezetek A villamosenergia-felhasználás iránti igény növekedése egyre több nagyfeszültségu szabadvezeték létesítését igényli. A vezetékek nyomvonalának kijelölése egyre nehezebb, a nagy eromuvek koncentrált energiatermelésének elvezetése, az ipari nagyfogyasztók és nagyvárosok közelében kialakult infrastrukturális vezetékfolyosók egyre inkább szükségessé teszik a kettonél több rendszeru - hazánkban elsosorban a négyrendszeru - szabadvezetékek kialakítását. A "többrendszeru távvezeték"fogalmán azokat a szabadvezetékeket értjük, amelyeknél az oszlopon kettonél több vezetékrendszer van elhelyezve.

4.2.7. Oszlopok földelése A szabadvezetékek oszlopait, készülékeit túlfeszültség-védelmi és a közvetett érintés elleni védelem szempontjából földelni kell. Célja, hogy a föld felé jól vezeto összeköttetés jöjjön létre, azaz az említett szabadvezetéki létesítmény és a föld között a megengedettnél nagyobb feszültségkülönbség ne legyen, és az oszlop közelében a lépésfeszültség kis értékure csökkenjen. A földelési szétterjedési ellenállás értékét a földelo kialakítása és a talaj vezetoképessége határozza meg.

/

BontOsi -hely

....1500

3.1.-56. ábra Függoleges rúdföldelés

Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/76

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.10.05

A földelés szerkezeti részei (3.1.-56. ábra): • a földelovezeto, amely a földelo és a földelendo berendezés között létesít fémes összeköttetést; • a földelo, amely a talajba ágyazvajó áramátmenetet biztosít a föld felé; • a bontási hely, hogy a földelés szétterjedési ellenállását mérni lehessen. A földeloket az oszlop alatt vagy közvetlenül közelében kell elhelyezni. A földelo anyaga köracél vagy horganyzott laposacél. A földelot a földelovezetohöz hegesztésseI kell rögzíteni és korrózió ellen a hegesztést bitumennel kell bevonni. A földelo elhelyezési és kialakítási módja szerintfüggoleges, vagy vízszintes földelo.

4.2.8.0sz1opalapozások Az alapozás célja az oszlopok rögzítése. Az oszlopot úgy kell a földbe helyezni, ill. az alapozást elkészíteni, hogy a várható erok alatt megengedhetetlen elmozdulások ne következhessenek be. A szabadvezeték oszlopainak alapjától elvárjuk, hogy legyen: • teherbíró, azaz a szerkezetrol reá háruló mértékadó terhelést talajtöréssel szemben kello biztonsággal viselje; • állékony, azaz kidoléssel, felhúzassál vagyelcsúszással szemben kello biztonsággal megálljon a várható legkedvezotlenebb talajállapot esetén is; • egyenlotlen süllyedéstol mentes, még a legkedvezotlenebb talajállapot esetén támadó mértékadó igénybevétel hatására is. Beásott alap Beton- és faoszlopokat a talaj feltárás sal teherbírónak minosített talajba oszlophosszúság egyhatod részéig, de legalább 1,6 m mélységig kell a földbe beásni.

a teljes

Súlyalap Lépcsozetesen kialakított (néha csonka gúla alakú) betontömb, amely a szerkezetrol rá háruló terheket legnagyobb részben az alsó támaszkodó felületén (talplemezén) adja át az altalajnak. Az alap és a rá nehezedo föld tömege az oszlopéhoz viszonyítva nagy, ezért a közös súlypont közel esik a talajszinthez, növelve az állékonyságot.

3.1.-59. ábra Súlyalap

Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/77

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

Villamos energetika I. eloadás

06.10.05

Befogott alap Olyan függoleges tengelyu hasáb alakú betontest, amely a szerkezetrol ráháruló terhek nyomatékát legnagyobbrészt az oldalfelületein adja át a talajnak. Kialakítása annyiban különbözik a befogott alapétól, hogy oldallapjaival közvetlenül a termett talajra támaszkodik. Különleges alapok Laza talaj ok, mocsaras vagy ártéri területek esetén, vagy ha a teherbíró talajréteg mélyen fekszik különleges alapokat kell készíteni. Ilyenek a talpas alapozás, a cölöpalapozás, a kútalapozás, amelyeket más néven mélyalapozásnak is neveznek, valamint az ártéri- és a tutaj alapozás. Talpas alap Külön alaptest nélkül készül úgy, hogy az oszlop alsó része talpszeru. Az állékonyság növelésére a talpak alá gerendákat helyeznek, amelyekhez az oszlopot hozzáerosítik. A talpas alapozást fagyhatár alá kell süllyeszteni. Ilyen vasoszlop alapozását mutatja a 3.1.-60. ábra.

3.1.-60. ábra Talpas alapozás Cölöpalapot készítünk, ha a teherbíró talaj olyan mélyen van, hogy az alapgödör lemélyítése gazdaságtalan, de cölöpök leverésével elérheto. Fo

í 1·

:::>~ji

!

~""~'I~ ,,:;·>:}h:fr

: I

Fo,vagy acetbeton

I I

"l i

3.1.-61. ábra Cölöpalap

Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/78

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.10.05

Kútalap

Ha mocsaras, tozeges talajon a cölöp nem verheto le a szükséges mértékig, az oszlopok alapozása elore gyártott kútgyurukkel készül.

.: ".:., .... ,',

;~~ .L.~'

....... •...•. ·~.I

:.... "o'

", ,"

:H';:"';'''~

~':ff: 3.1.-62. ábra Kútalap

Ártéri alap

Jégzajlásnak kitett ártérben az oszlopok alapozása betonból vagy vasbetonból készül. ÚSZó- vagy tutaj alap

Elsosorban középfeszültségu tartóoszlopok részére készítheto, ha a teherbíró talajréteg nagyon mélyen van. A talaj gyenge teherbírásának megfelelo felfekvo felület egymás mellé fektetett és összeerosített fa- vagy betongerendákból alakítható ki, amelyhez a tartóoszlopot erosítik. Elore gyártott alap

Magyarországon elso ízben a Vinyica-Albertirsa közötti 750 kV-os és az ehhez kapcsolódó 400 kV-os távvezetékek tartószerkezeteinek alapjaként terveztek elore gyártott vasbeton gombaalapokat és vasbeton horgonylemezeket. Az 544 kikötött portál tartóoszlop közel 70%-ánál lehetett elore gyártott alapokat használni. Elore gyártott alap használatának elonye a gyárilag ellenorzött megbízható betonminoség, és a folyamatosan vége zheto oszlopkészítés. Alkalmazására megfelelo darabszám esetén kerülhet sor.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/79

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.10.05

4.3. Szabadvezetékek építése, szerelése Ha a szabadvezetékek tervezése és a megfelelo engedélyek beszerzése után a nyomvonal kijelölése megtörtént, elkezdodhet a tényleges kivitelezés, azaz az építés, szerelés.

4.3.1. A szerelés elokészítése Az elokészítés és az anyagszállítás igen gondos szervezomunkát igényel. Ilyen nagy volumenu munkánál, - mint például egy nagyfeszültségu távvezeték építése - a szervezési feladatok megfelelo szintu ellátása legalább olyan fontos, mint a muszaki feladatoké. Az elokészíto tevékenység az építéshez szükséges anyagok beszerzésével kezdodik. Biztosítani kell, hogy az oszlopokat gyártó cégek a legyártott oszlopokat, vagy rácsos oszlop esetén azok szerkezeti részeit a megfelelo vasúti állomásra juttassák. A rácsos acéloszlopok alapozásához szükséges sóder és cement mennyiséget a nyomvonal mentén megfeleloen kell elosztani. Ma már a legtöbb fizikai munkát gépek végzik, vagy nagymértékben segítik. Gondoskodni kell tehát a megfelelo munkagépek beszerzésérol és helyszínre j uttatásáró 1.

4.3.2. Alapozási munkák Az alapozás az oszlop anyagától, terhelhetoségétol és a szerkezetétol függoen más és más. Az alapok készítésével egyidejuleg telepítik a földeléseket is. A rúdföldeloket gépek mélyítik le, a nagy oszlopok keretföldeloit a kiásott alap gödörbe helyezik.

4.3.3. Oszlopkészítés Az alapozást az oszlopszerelés munkafázisa követi. Kis és középfeszültségen vasbeton és faoszlopok esetében ez viszonylag egyszeru. Vasbeton tartóoszlopoknál csak a kereszt és a csúcstartókat, valamint a szigeteloket kell felszerelni, faoszlopoknál még a betongyámot kell az oszlophoz erosíteni. Oszlopszerkezeteknél az elobb elmondottakat a szerkezet összeépítése elozi meg. Középfeszültségu rácsos acéloszlopok törzse szakaszonként készül. Az összehegesztett szakaszok összecsavarozása után kerül sor az oszlopfej szerkezet elemeinek felerosítésére. A nagyfeszültségu oszlopok elemekbol vagy elemcsoportokból készülnek. Ezeket a szállítási okokból kis egységeket a helyszínen csavarozzák össze. Ahol a hely lehetové teszi, ott vízszintes helyzetben szerelik össze az oszlopot és függoleges helyzetbe állítják.

4.3.4. A vezetékhúzás és a beszabályozás A sodronyokat dobon szállítják a helyszínre. A dobokat fékes dobállványra helyezik és fékezogépen keresztül kötik össze az elokötéllel. Az elokötelet a behúzást végzo gépcsörlotol a dobhelyig a szigetelokre függesztett terelokerekeken átvezetve kell eljuttatni. A vezeték behúzását (terítését) követo muvelet a beszabályozás. Ezen azt a muveletet értjük, hogy az egyik feszítooszlophoz rögzített és a terelokerekeken átvezetett vezetot a csörlovel úgy húzzuk meg, hogy a vezeték belógása az eloírt érték legyen. Ezt követoen felhelyezik a szerelvényeket (ívvédo szerelvények, kötegelo lécek, jelzogömbök stb.). A szerelés befejezése után helyezik el a tiltó táblákat és az oszlopok sorszámtábláit.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/80

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

06.10.05

Villamos energetika 1. eloadás

4.4. Kábelek alkalmazása Erosáramú kábel az a villamos energia átvitelére használt termék, amelyet a rá vonatkozó termékszabvány közvetlenül földbe fektetésre is alkalmasnak nyilvánít, és a vezetojét névleges keresztmetszet-, szigetelését névleges feszültség megadásával jellemzi, alapterhelhetosége szabványosítva van. A kábel lehet árnyékolt, vagy árnyékolás nélküli. A kábelek két fajtájának meghatározása a következo: Árnyékolt kábel az az erosáramú kábel, amelynek erenként - vagy több ér esetén közös - fém árnyékoló szerkezete vagy koncentrikus vezetoje, és/vagy fém páncélzata, vízzáró fémköpenye, továbbá vízzáró burkolata van .. Árnyékolás nélküli kábel az az erosáramú kábel, amelynek nincs sem fém árnyékoló szerkezete, sem koncentrikus vezetoje, sem fém páncélzata, sem fémköpenye, de a termékszabvány földbe fektetésre alkalmasnak minosíti. Számos helyen a villamos energia szállítása csak speciális kábel ekkel oldható meg (tenger, bánya stb.). Árnyékolás nélküli energiaátviteli kábelt talajban közcélú hálózatokban csak az illetékes áramszolgáltató feltételei szerint szabad alkalmazni. Korszeru kábelek tervezésénél az alábbi szempontokat kell figyelembe venni: • A vizet a kábelbol élettartama minden szakaszában - gyártáskor, fektetéskor, majd az üzemi állapotában - ki kell zárni. • Ha a kábelbe valamilyen külso behatás vagy egyéb üzemviteli rendellenesség miatt mégis víz kerül, annak a kábelben való hosszirányú tovaterjedését meg kell gátolni. • A kábel érszigetelésében és annak határrétegein az extrém téreronövekedést el kell kerülni, azaz a szigetelésnek tisztának, a határrétegnek kelloen simának kell lennie. A kábelek szélesköru alkalmazását - számos elonyük ellenére - az ugyanolyan teljesítoképességu szabadvezetékkel szembeni többszörös létesítési költség akadályozza. A kábeltípusok fejlodésének története A szabadvezetékek és kábelek üzemi feszültségének idobeni növekedésérol ábra.

ad tájékoztatást a köv.

kV

1200 110(1 1000 900

r

800 700

-= .r

-

600 500

fl r-

- _J I r-

-...J or' .....•

.

r..,JJ -rT'

400 300

-

200 100

o 1890 1900 1910 1920 11)30 1940 1950 1960 1970

1930

1990 2000

3.3.-1. ábra Szabadvezetékek és kábelek feszültségének növekedése 1 szabadvezetékek; 2 itatottpapír-szigetelésu kábelek; 3 extrudált muanyag-szigetelésu kábelek

Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/81

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

Villamos energetika

1.

06.10.05

eloadás

4.4.1. A kábelek szerkezete A különleges célokra alkalmas kábelektol eltekintve, az erosáramú kábelnek 3 fo szerkezeti része van: • a vezeto (vagy vezetok), • a szigetelés, és • a védoburkolat. A kábelszerkezet e három fo részen belül igen változatos a vezetékek számától és a szigeteloanyag jellegétol függoen. Az ún. erosáramú - azaz energiaátviteli - kábel szerkezete különbözo attól függo en, hogy • egyeru vagy • háromeru, illetve hogy • hagyományos itatott papírszigetelésu ún. ólomköpenyu kábel vagy • modem muanyag szigetelésu kábel. • A kábel vezeto (l) ereit (Al vagy Cu, tömör, vagy sodrott) egyenként • a feszültségtol és a vezeto keresztmetszetétol függo en különbözo vastagságú szigetelés, az érszigetelés (2) burkolja. A szigetelt kábelereket - az erek közötti hézagokat kitölto anyaggal (3) kerekre kiegészítve - a kello hajlékonyság biztosítására nagy menetemelkedésu kábelszerkezetté sodorják össze. • Az érsodratot az övsz igetelés (4) fogja össze, és szigeteli el a legtöbb esetben • fémbol (ólom vagy alumínium) készült kábelköpenytol (5). A kábel szerkezet kábelköpenyig levo részét kábelléleknek is nevezik. 1

v. tömör)

ér (Al. vagy Cu; ..

2 él's~~jelés

lJsitQlto Jll1yag 4.

övszig~tdés

__

5 ólom vagy Al köpeny .

_____

._._m

_

6 pámáz~r~teg C~apír v. juta)/ 7 acéIQáncél~aL

...

~.

8 korrózió védo külso burkolat . (bitumenes- juta)------·· ...4.2.-1. ábra. Hagyományos háromeru kábel szerkezete 1 vezeto, 2 érszigetelés, 3 kitöltoanyag, 4 övszigetelés, 5 ólomköpeny, 6 pámázó réteg, 7 vas szalag páncélzat, 8 bitumennel telített juta.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/82

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

06.10.05

Villamos energetika 1. eloadás

• A kábelköpenyt, vagy az azt helyettesíto egyéb köpenyszerkezetet mechanikai behatások elleni védelemül páncélozással (7) kell ellátni. • A páncélozás rugalmas alátámasztására szolgál a párnázó réteg (6). • A páncélzat ill. a köpeny korróziós- és egyéb külso hatások elleni védelméül szolgál a kábelszerkezet legkülso burkolata, egy bitumenes juta tekercselés (8). A közép- és a nagyfeszültségu térhálósított PE szigetelésu kábelek egyeres kivitelben készülnek. 1

1 vezeto 2 vezetoárnyékolás (félvezeto polietilén) 3 szigetelés (polietilén) 4 szigetelésárnyékolás (félvezeto polietilén) 5 karbonpapir és duzzadó szalag 6 rézhuzal

2 ..,

.J

4

5

7 rézszalag 8 védoburkolat (polipropilén szalag v. alumínium fólia) 9 PVC köpeny

6

7

8

9

3.2.-2. ábra Térhálósított polietilén szigetelésu kábel 1) vezeto; 2) vezeto árnyékolás (félvezeto polietilén); 3) szigetelés (térhálósított polietilén); 4) szigetelésárnyékolás (félvezeto polietilén); 5) félvezeto karbonpapír (duzzadó szalag); 6) rézhuzal; 7) rézszalag; 8) védoburkolat polipropilén szalag (Al fólia); 9) PVC köpeny.

4.4.2. A kábelek villamos jellemzoi A kábelt ugyanazokkal a villamos elemekkel jellemezhetjük, ellenállás és induktív reaktancia, valamint söntellenállás (3.2.-3. ábra)

2 Rsz+d+i

-j 2 Xc

mint a szabadvezetéket: soros és kapacitív reaktancia.

2 Rsz+d+i

-j 2 Xc

4.2.-3. ábra. A kábel egyfázisú helyettesíto vázlata.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/83

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

Villamos energetika 1. eloadás

06.10.05

Különbségek a szabadvezetékhez képest: • a kábeleknél az egyes fázisvezetok igen közel vannak egymáshoz, és nem teljesül a D»r egyenlotlenség, • a kábeleknél sokszor a vezeto nem kör, hanem szektor keresztmetszetu, • a fázisvezetot rendszerint fémköpeny, fémárnyékolás veszi körül. Ez a villamos és a mágneses tér kialakulását jelentosen befolyásolja, • a szigeteloanyag nem levego, ezért c?,> 1, és a szilárd vagy folyékony szigeteloanyagokban dielektromos veszteségek is keletkeznek. Miután a fázisvezetok egymáshoz közel vannak, keresztmetszetük kör vagy szektor alakú, a villamos tér hatására a töltéseloszlás a vezetok felületén nem egyenletes. Ugyanígy az árameloszlás sem egyenletes a vezetok keresztmetszetében. Ez nemcsak a vezetok saját mágneses tere miatt van így, hanem a közeli vezetok mágneses tere miatt is. Ezen okok következtében a kábelek villamos jellemzoinek számítása igen bonyolult. A gyakorlati szakemberek munkáját könnyíti az a körülmény, hogy a kábelek méretei szabványosítottak, és így mérések alapján készült táblázatokból is meghatározhatók a szükséges villamos adatok. 4.4.2.1. Kábelek soros ellenállása Minthogy a kábelek vezetoanyaga kizárólag tiszta lágy réz, vagy lágy alumínium, amelynek ellenállása 1,5...2%-kal kisebb a szabadvezetékhez használatos keményre húzott anyagénál, ígyegyenárammal mért ellenállása is kisebb, mint az azonos keresztmetszetu szabadvezetéké. Nagy vezeto-keresztmetszetek esetében a váltakozó áramú ellenállás a szkinhatás és a közelségi hatás miatt nagyobb, mint az egyenáramú. A soros ellenállás tárgyalásakor ki kell térnünk a kábelköpeny, ill. árnyékolás veszteségeinek figyelembevételére is. 4.4.2.2. Kábelek pozitív és negatív sorrendu

soros (induktív) reaktanciája

4.4.2.3. A szigetelés ben fellépo veszteségek A kábel szigetelésében háromféle veszteség lép fel: • szivárgási veszteség; • dielektromos veszteség, és • ionozási veszteség.

•

Az ionozási veszteség nem a szigetelo közeg természetébol következik, hanem elkészítésének tökéletlenségeibol ered; és így jelentéktelen értékure is csökkentheto. Az ionozási veszteség a lég-, ill. a gáz zárványokban keletkezo ionozás következménye.

a szigetelés

A szivárgási veszteség azért lép fel, mert minden szigetelésnek véges nagyságú az ellenállása és így rajta keresztül áram szivárog a különbözo potenciálú fémrészek között. A dielektromos veszteség annak következtében lép fel, hogy a váltakozó feszültség hatására a szigeteloanyag részecskéi periodikusan átpolározódnak, és ez a mágneses hiszterézishez hasonlóan veszteséget okoz.

Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/84

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

Villamos energetika

1.

eloadás

06.1 0.05

A szigetelés veszteségeit méréssel különválasztani nagyon nehéz feladat, mert ha váltakozó árammal mérünk, a szivárgási és a dielektromos veszteséget együtt kapjuk, az egyenáramú mérésnél a szivárgási veszteség külön adódik ugyan, de a mérést a polarizációs hiba bizonytalanná teszi. Összefoglalóan megállapíthatjuk, hogy az ionozás során elveszo energia azonban üzemi szempontból jelentéktelen, csak a szigetelés állapotát jelzi. 4.4.2.4. A kábelek pozitiv és negativ sorrendu párhuzamos (kapacitív) reaktanciája A kábelek kapacitását számítással, vagy méréssel határozhatjuk meg. A kábelek nagy kapacitásuk miatt jelentos tö1toáramot is felvesznek, amely a terhelo áram fazorjához hozzáadódva javítja az eredo fázistényezot és csökkenti a veszteséget.

4.5. Kábeltípusok 4.5.1. Telítettpapír-szigetelésu

kábelek

A vezetok anyaga szabványos minoségu réz vagy alumínium, amely alumínium esetében 240 mm2 keresztmetszetig tömör is lehet.

A sodrony hajlékonyabb, de az alumínium hegesztése az elemi szálakon képzodött oxidréteg miatt körülményesebb. A tömör vezeto elonye még, hogy sima felületére a szigetelés hézagmentesen fekszik fel. A kábelek sodronyszerkezete hasonló a szabadvezetékek szerkezetéhez, de a jobb helykihasználás érdekében a nagyobb keresztmetszetuek (50 mm2) körcikk (szektor) alakú vezetok. A szigetelés anyaga kábelolajjal itatott papír. Erre a célra nagy szilárdságú, egyenletes minoségu, jó nedvszívó képességu nátroncellulóz papiros használható. A vezetore több rétegben feltekercselt papírt gyantával dúsított kábelolajjal impregnálják, amely a papírt teljesen átjárja, telíti. A tulajdonképpeni szigeteloanyag a nagy villamos szilárdságú (150...220 kV/cm) kábelolaj. A papír csupán mechanikai tartó váza, az átütési szilárdság szempontjából kedvezo vékony rétegben elhelyezkedo kábelolajnak. A szigetelés, különösképpen az övszigetelés feszültségu többeru kábelek készítésének.

villamos

igénybevétele

határt szabott a nagyobb

3.4.-1. ábra Háromvezetos, háromfázisú övszigetelésu kábel változó villamos tere

Készítette: Tényi V. Gusztáv

127/85

VE-ea-BSc

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

06.10.05

Villamos energetika 1. eloadás

A megoldást a szigetelés homogén erotérbe történo helyezése jelentette. A hengeres erotér pontosan számítható és így az érszigetelés a maximálisan igénybe veheto, tehát lehetoség nyílik a szigeteloanyag gazdaságos kihasználására és a feszültség emelésére. Az övszigetelésu kábelek szerkezetének módosítása ezen az úton indult el.

Vezeto

Szigeteles i

!

I

/ Arnyekolas Töltoanyag .- Gu.moU I _

Dtom

Bitumenes

juta Vosszclay I I

pancel

3.4.-2. ábra Höchstadter "H" kábel Az elso nagysikeru szerkezeti módosítás Höchstiidtertol származik. A "H" kábelekben a vezetok érszigetelését egy alumínium vagy réz réteggel bevont átlyuggatott papírszalag borította be Az érköpenyes kábel a "H" kábel angol változata. Itt az egyes erek burkolatát rendes ólomköpennyé vastagítják. Ezek köré közös ólomköpeny már nem kerül, csak páncélzattal fogják össze (3.4.-3. ábra). Tulajdonképpen egy közös páncélzattal körülfogott három egyvezetos kábel.

." Vezeto Ersz:igeteles



{

\

Y

\

t/a

l.-i

x - r

vJ r\

.

N,

\ ] t ^ t

ol t n . \ \.,

X ' on ). v

-:: n €-3 $'5€ \ l: \ --.* (^) v ' A

h $,

X N q\ rL5

ao\t-i-

\.

X

-!:X-\(E BETil

9t* s$!t

$3$lrti $fr 5F*sFis

ri n lI l A

I

l l l l f f '

l -t-O=r

lxf: : h 1l\, Ilil i l|\ H /( r ) - , ' -

r'-El

a\,

I

,

T \ - / lI I a - [ I =il Ii * H ' l ] l ; ; A | 'v i

H

l

YI

-_r

F-M

Y

I

+

I

I

"lfl''v.it*ltI sf""\l t T l t T T '.-+r

"r\.\-\ -\.\

I

r

r

.--\.\

T_ LI I

]i I

1

t

|

-

l tr il tl

l l

tr ll rt ll li

I

'

c

c-

tl l l

t '

I

o

I

o

I

e,

t

\ ,

t-

.O

I

-(

'()

l{

tF)

t- I-_.t I

,,t\

l(r)

r-A

I

C\, f-l H

I

=

l - I

\v

I R t

\ (o

I

a\.'

i

\{)

,t

II

ll

i t \ r a'' A

_L\

LIJ

1

_a./) (-\-

ry

-

i

i

II

^ . , H

"ltI F !

A ^lgffJ T

--A

|

a\

O---r 1 A I pU

I

v/

^\*

a.

\n

I

f--r -'\

| ^.r

\

II

I

s

ll ll

iL_

I

t

I I

tl

r l

iI l

L_

t

l

t l i l

E r l II

I

I

\

t l

--\,

:

'

5

I

H

\

r-H t----l ,^ \ H

\

y

11 tV

trl a\-

\

I , t

"ltI. r

I

I

;al

r< ta T

I

II

I . J C-

I

ilI

I

- i \\ l | L t\l

I

I I

II II

I I

i *

* l \| ?t

0 1

@ 6

I I I I

I II

\c