TEHNIČKI FAKULTET

SVEUČILIŠTE U RIJECI

Sveučilišni diplomski studij elektrotehnike

PROJEKTIRANJE ELEKTRIČNIH POSTROJENJA

KONSTRUKCIJSKI RAD

zadatak broj: 18.

Rijeka, svibanj 2012. Dino Mađar

0069045220

Za transformatorsku stanicu te pripadne visoskonaponske i srednjenaponske vodove

zadane slikom i podacima u tablici potrebno je odrediti potencijal uzemljivača transformatorske

stanice u slučaju jednopolnog kvara unutar stanice. Zaštita sabirnica 110 kV postrojenja

podešena je na 0,1 s.

Slika 1. TS 110/x s pripadnim kabelskim raspletom

Tip VN kabela prema Tablici 3. 2

Tip SN kabela prema Tablici 3. 6

Srednja vrijednost specifičnog otpora tla 300 Ωm

Površina uzemljivača TS 220/110 kV 2600

Dubina polaganja Cu užeta uz VN i SN kabele 0,6 m

Otpor uzemljenja TS 10(20)/0,4 kV zajedno s mrežom NN 1,6 Ω

Prosječna duljina do prve TS 10(20)/0,4 kV 150 m

3 voda VN-1 2,2 kA

3 voda VN-2 9,5 kA

Raspored VN kabela prema Tablici 2. 2

Tablica 1. Opći podaci o stanci 110/20 kV

Slika 2. Raspored visokonaponskih vodova zadan prema tablici 1

VN Kabeli

(110 kV)

Promjer

preko

izolacije

(mm)

Ukupan

promjer

kabela (mm)

Djelatni otpor

za

Cu vodič

(Ω/km)

Djelatni otpor

za

Al vodič

(Ω/km)

Djelatni

otpor

plašta

(Ω/km)

1. XLPE

1000/95 66,1 79,0 0,0176 0,0291 0,193

SN Kabeli

(20 kV)

Promjer

preko

izolacije

(mm)

Ukupan

promjer

kabela (mm)

Djelatni otpor

za

Cu vodič

(Ω/km)

Djelatni otpor

za

Al vodič

(Ω/km)

Djelatni

otpor

plašta

(Ω/km)

6. XHE 49

240/25 31,1 42,00 0,0754 0,125 0,727

Tablica 2. Karakteristika VN i SN kabela zadanih tablicom 1

Materijal vodiča Alučel

Presjek vodiča -

Broj vodiča u snopu -

Provjes vodiča - m

Broj trojki na istom stupu 1

Izolatorski lanac 12xK170/280

Broj/duljina raspona - m

Materijal zaštitnog užeta Čelik

Presjek zaštitnog užeta -

Faktor relativne permeabilnosti 30

Broj zaštitnih užeta 1

Provjes zaštitnog užeta - m

Otpor uzemljenja stupova - Ω

Tablica 3. Karakteristike nadzemnog voda

Slika 3. Geometrija glave stupa 110 kV voda

U proračun uzeti u obzir maksimalno 4 bakrena užeta presjeka 50 koja se razilaze u

kabelskim trasama 110 kV i 10(20) kV u različitim smjerovima. Nadalje, pri proračunu otpora

uzemljenja SN kabela predpostaviti da je na njih priključena samo jedna TS 10(20)/0,4 kV.

1. REDUCIRANJE STRUJE NARINUTE NA SUSTAV UZEMLJENJA

Redukcijski faktori vodova 110 kV

Struje koje kroz zemlju odlaze (ili dolaze) na sustav uzemljenja mjerodavne su za

određivanje potencijala. To u pravilu nije ukupna struja jednopolnog kvara jer se jedan dio te

struje najčešće vraća metalnim vezama pa ne odlazi u zemlju i ne utječe na potencijal

uzemljivača. Struja narinuta u nekom m-tom čvoru sustava uzemljenja koja u zemlju odlazi kroz

sustav uzemljenja (tzv. reducirana struja) definira se općenito kao:

gdje je:

- ukupna (dovedena) struja JKS u m-tom čvoru;

- suma struja odvedenih preko uzemljenih transformatora u m-tom čvoru;

- suma induciranih struja odvedena zaštitnim vodičima priključenim na m-ti čvor

(ekrani/plaštevi visokonaponskih vodova, plaštevi TK kabela i dr.).

Uzemljivači postrojenja u mreži 110 kV mogu biti povezani metalnim ekranima kabelskih

vodova 110 kV, 3x(1x1000 Al/95 Cu) mm2, koji se polažu ili u ravnini ili u trolist formaciji,

odnosno preko zaštitne užadi na dalekovodnim stupovima. Kabelski vodovi imaju nizak otpor

ekrana i jaku elektromagnetsku spregu faznih vodiča prema vodičima ekrana pa se u slučaju

pojave JKS u jednom od postrojenja 110 kV, preko ekrana tih kabela prenosi jaka strujna

reakcija prema uzemljivačima ostalih postrojenja pripadne kabelske mreže 110 kV.

Redukcijski faktori kabela

Jakost elektromagnetske sprege faznih vodiča i ekrana može se procijeniti koristeći

redukcijske faktore vodova. Redukcijski faktor sustava od tri jednožilna kabela ili od šest

jednožilnih kabela (slučaj dva kabela u jednom rovu) računa se kao:

- radni otpor tri, odnosno šest ekrana (Ω/km);

- jedinični otpor povratnog puta kroz zemlju (Ω/km);

- reaktancija paralelno vezanih (3 ili 6) ekrana (Ω/km).

Za slučaj jednog kabela (tri žile) u rovu, veličina iznosi jednu trećinu jediničnog

otpora ekrana jedne žile te otpor tada iznosi:

= 0,05 Ω/km

a reaktancija Xek

računa se prema izrazu:

Za tri ekrana, veličina SGU računa se prema izrazu:

Za VN kabele vrijedi:

- srednji polumjer jednog ekrana (m);

- udaljenost vodiča 1-2

- udaljenost vodiča 1-3

Za VN kabele vrijedi:

gdje je:

ρ - specifični otpor tla

SGU - srednji geometrijski polumjer paralelno vezanih ekrana.

Za VN kabele vrijedi:

Reducirana struja za slučaj JKS u TS 110/10(20) kV

Primjenom redukcijskih faktora iz prethodne točke određuje se reducirana struja za

slučaj JKS u TS 110/20 kV:

2. SUSTAV UZEMLJENJA TS 110/10(20) kV

Sustav uzemljenja TS 110/10(20) kV sastoji se od sljedećih elemenata:

- uzemljivača same TS 110/10(20) kV;

- bakrene užadi položene u kabelske trase (110 kV i 10(20) kV);

- uzemljivača priključenih TS 10(20)/0,4 kV koji su vezani na osnovni uzemljivač

TS 110/10(20) kV putem ekrana kabela 10(20) kV.

U daljnjem tekstu prikazat će se proračun impedancije uzemljenja svih navedenih elemenata, te

ukupne impedancije sustava uzemljenja.

Uzemljivač postrojenja TS 110/10(20)

Uzemljivač navedenog postrojenja najčešće je nepravilnog oblika, čija se površina može

ekvivalentirati površinom kvadrata.

Otpor uzemljenja takve konfiguracije može se odrediti formulom:

ρ - specifični otpor tla

- ekvivalentna stranica uzemljivača [m]

U našem slučaju površina uzemljivača trafostanice 110/10(20) kV iznosi 2600 , a otpor

uzemljenja:

Uzemljivačka užad u trasi kabelskih vodova

U izlazne kabelske rovove obavezno se postavlja bakrena užad, obično presjeka Cu

50mm2. Kabeli 110 kV obično izlaze iz stanice kroz kabelski tunel, a onda se polažu u uobičajeni

kabelski rov.

Kabeli 10(20) kV također se izvode ili kroz kratki kabelski tunel, ili se direktno razvode u

kabelskim rovovima prema mreži srednjeg napona. U kabelskim tunelima bakreno uže nije u

izravnom kontaktu s tlom zbog čega se povezuje s armaturom tunela.

Impedancija uzemljenja dugačkog uzemljivačkog užeta određuje se pomoću formule:

gdje su :

z - uzdužna impedancija Cu užeta [Ω/km]

y - poprečna vodljivost Cu užeta [S/km]

Uzdužna impedancija z računa se prema izrazu:

- jedinični djelatni otpor Cu užeta [Ω/km]

Jedinični djelatni otpor Cu užeta presjeka 50 mm2 iznosi 0,375 [Ω/km].

gdje je:

a - polumjer užeta [m]

ρ - specifični otpor tla [Ωm]

Uzdužna impedancija Cu užeta iznosi:

Poprečna vodljivost y računa se temeljem sljedećeg izraza:

h - dubina ukopavanja užeta (m)

l - granična dužina nakon koje uzemljivač ne sudjeluje u odvođenju struje u zemlju (m)

Granična dužina l računa se posebnim iterativnim postupkom. Postupak kojim se određujem

granična dužina za bakreno uže u kabelskoj trasi je sljedeći:

Najprije se odredi koeficijent α prema:

Nakon toga odrede se koeficijenti A i B, prema sljedećim izrazima:

gdje su :

h - dubina ukopavanja užeta [m]

D - vanjski promjer bakrenog užeta [m]

ρ - specifični otpor tla [Ωm]

ε - zahtjevana točnost proračuna (obično 0,05)

Potom je numerički, odnosno iterativnim postupkom potrebno potražiti riješenje sljedeće

jednadžbe po nepoznanici l uzimajući u obzir dobivene koeficijente.

Za numerički proračun može se koristiti neke od poznatih iteracijskih metoda kao što su:

Newton – Rhapsonova metoda, zatim metoda tangente, ili metoda bisekcije. U ovom slučaju

korištena je Newton – Rhapsonova metoda čiji je algoritam korišten iz kolegija Numerička

matematika i stohastika. Rezultat dobiven ovom metodom jest:

l=1856.458m

Na osnovu svega priloženog i izračunatog, može se u konačnosti izračunati:

Uzemljenje srednjenaponske distribucijske mreže

Iz TS 110/10(20) kV energija se najčešće distribuira kabelima 10(20) kV, tipa XHE 49-A

3x1x150/25 (3x1x185/25) mm2. U našem slučaju radi se o kabelu tipa XHE 49-A 3x1x240/25

mm2.Navedeni kabeli polažu se u jednožilnoj izvedbi, a svaki vodič ima ekran izveden od bakra,

presjeka Cu 25 mm2. Ekrani se galvanski povezuju s uzemljivačem TS 110/10(20) kV te

uzemljivačima TS 10(20)/0,4 kV. Otpor uzemljenja transformatorskih stanica 10(20)/0,4 kV bez

utjecaja priključenih SN kabela i njihovog uzemljenja sačinjavaju: otpor rasprostiranja

uzemljivača niskonaponskih stanica, eventualno otpor uzemljenja temelja i otpor uzemljenja

pripadne nulirane niskonaponske mreže gledan iz same transformatorske stanice. Za gradske

uvjete i transformatorske stanice 10(20)/0,4 kV može se uz dovoljnu sigurnost prihvatiti

vrijednost od:

Uzdužna impedancija sustava od 3 paralelno vezana ekrana kabela 20 kV računa se kao:

- djelatni otpor jednog ekrana (Ω/km)

ρ - specifični otpor tla (Ωm)

l - dužina kabela (km)

- srednja geometrijska udaljenost između 3 ekrana (m)

D - promjer jedne žile kabela (m);

- polumjer preko jednog ekrana kabela (m).

Ukupna impedancija sustava uzemljenja

Veoma je teško uzeti u obzir sve elemente sustava uzemljenja. To se naročito odnosi na mrežu

srednjeg napona, zbog izraženog međuutjecaja susjedno položenih kabela 10(20) kV, ali i

susjednih mreža niskog napona u sustavu uzemljenja.

Zato se daljnji proračun temelji na sljedećim pretpostavkama:

- uzimaju se u obzir 4 bakrena užeta Cu 50 mm2, koja se razilaze u kabelskim trasama 110

kV i 10(20) kV u različitim smjerovima;

- u obzir se uzimaju samo 4 kabela 10(20) kV, sa samo jednom priključnom TS 10(20)/0,4 kV.

Gornji pristup je restriktivan, a proračun se dovodi na stranu sigurnosti.

Impedancija ukupnog sustava uzemljenja računa se kao:

gdje su:

n – broj bakrene užadi u rovovima VN i SN kabela

m – broj SN kabela čija se impedancija uzemljenja uzima u obzir

k – broj VN nadzemnih vodova čija se impedancija uzemljenja uzima u obzir

Proračun utjecaja uzemljenja mreža niskog napona koje su priključene na pripadne TS

10(20)/0,4 kV vrlo je teško egzaktno modelirati. Zato se njihov utjecaj nastoji obuhvatiti

aproksimativnim putem, ali tako da bude na strani sigurnosti.

Krajnje pojednostavljeni model, koji pretpostavlja da je na svakom kabelu 10(20) kV

priključena samo jedna transformatorska stanica poslužit će za određivanje otpora SN kabela i

pripadnih NN mreža. Dakako, u stvarnosti je situacija povoljnija zbog većeg broja priključenih TS

10(20)/0,4 kV iako njihov doprinos smanjenju ukupne impedancije ne može biti linearan. Jasno,

dobiveni rezultat je na strani sigurnosti.

Ostale TS 10(20)/0,4 kV u daljnjem proračunu su zanemarene. Osim toga uzeta su u

obzir samo 4 kabela koja se razilaze u različitim smjerovima. Prema tome, impedancija ZSN

računa se kao:

Konačno, potencijal uzemljivača TS 110/10(20) kV prilikom jednopolnog kratkog spoja na strani

110 kV jednak je umnošku reducirane struje JKS i ukupne impedancije uzemljenja stanice

110/10(20 kV) i iznosi :

3. IZNESENI POTENCIJAL I NAPONI DODIRA U DISTRIBUCIJSKOJ MREŽI

Pojavom jednopolnog kvara u postrojenju 110 kV dolazi do pojave povišenog potencijala

uzemljivača u odnosu na referentnu (daleku) zemlju.

Povišeni potencijal se putem ekrana kabela 10(20) kV te drugih metalnih masa prenosi u

distribucijsku mrežu, sve do krajnjih trošila. Pri tome je nužno da rezultirajući naponi dodira

ostanu u dopuštenim granicama koje ovise o trajanju kvara, a što je u ovom slučaju ograničeno

proradom zaštite sabirnica.

Prema važećim tehničkim propisima izvan postrojenja naponi dodira su ograničeni na

vrijednost:

No, prema važećoj normi HRN 637 dopušteni napon dodira za t=0,1 s iznosi:

Napon dodira u nekoj točki nalazi se u korelaciji s iznešenim potencijalom iz TS 110/10(20) kV:

- faktor kojim se obuhvaća izjednačenost potencijala (< 1);

- faktor kojim se obuhvaća utjecaj prijelaznog otpora stajališta (> 1).

U gornjoj formuli zanemareno je prigušenje iznešenog potencijala iz TS 110/10(20) kV jer je u

blizini postrojenja taj efekat neizvjestan. Time su proračuni dovedeni na stranu sigurnosti.

Faktor fd

određuje se mjerenjima.

Karakteristične vrijednosti za faktor su:

OBJEKAT

TS 10/0,4kV ≈0,3

razvodni kabelski ormari 0,4kV 0,45-0,72

stupovi nadzemne mreže 0,4kV 0,6-0,8

neuzemljeni stupovi javne rasvjete 0,61-0,96

kabelske priključne kutije na zidovima zgrada 0,06-0,66

stambeni objekti – kuhinje 0,03–0,06

stambeni objekti – kupaonice 0,04–0,4

Faktor računa se kao:

- specifični otpor površinskog sloja tla (Ωm).

Prema relevantnoj literaturi, specifični otpor stajališta u kućanstvima u suhim uvjetima

poprima iznos veći od:

Prema tome za kućanstva se mogu izračunati slijedeće vrijednosti faktora :

(suhi uvjeti)

(kupaonica, vlažni uvjeti)

Najnepovoljniji naponi dodira u kućanstvima tada iznose:

- suhi uvjeti:

- vlažni uvjeti:

Što se tiče objekata na otvorenom prostoru, sigurno je da neće biti problema ako je stajalište

asfaltirano ili pošljunčano (veoma veliki faktor ). Opet, prema relevantnoj literaturi, asfalt

ima praktički beskonačni specifični otpor tla.

Pozornost treba obratiti samo na objekte ukoliko je stajalište zemlja, npr. na stupove javne

rasvjete ukoliko oni nisu uzemljeni.