1

Nenad Gubeljak Viktor Lovrenčić University of Maribor, Faculty of Mech. Engineering C&G d.o.o. Ljubljana nenad.gubeljak@um.si viktor.lovrencic@c-g.si Matjaž Jarc Matej Kovač C&G d.o.o. Ljubljana C&G SKUPINA d.o.o. Ljubljana matjaz.jarc@c-g.si matej.kovac@c-g.si Bojan Banić Branko Uhlik Prva gimnazija Varaždin OTLM d.o.o. Ljubljana bojan.banic@vz.t-com.hr branko.uhlik@c-g.si Andrej Ivec C&G d.o.o. Ljubljana andrej.ivec@c-g.si RAČUNALNA APLIKACIJA ZA ODREĐIVANJE GEOMETRIJE LANČANICE VODIČA

ZA NADZOR SIGURNOSNIH VISINA VISOKONAPONSKIH DALEKOVODA

SAŽETAK

U radu je predstavljen izračun geometrije lančanice na dva visokonaponska dalekovoda naponskih razina 110 kV i 220 kV na koje je montiran OTLM („Overhead Transmission Line Monitoring“) sustav. Ovaj sustav omogućava kontinuirano praćenje stanja vodiča na temelju točkastog mjerenja temperature i naklona vodiča na lokaciji montaže OTLM uređaja. Kao ulazni podaci koriste se materijalna i fizikalna svojstva vodiča, te stvaran oblik lančanice koja je bila izmjerena na tri različite temperature vodiča. Promjena temperature vodiča ima neposredan utjecaj na provjes ali i na silu zatezanja vodiča. Rezultati izračuna pokazuju da je u računalnoj aplikaciji pomoću integriranog matematičkog modela moguće odrediti trenutnu sigurnosnu visinu vodiča na proizvoljnoj lokaciji ispod raspona vodiča. Spomenutu računarsku aplikaciju moguće je nadograditi na način da izračunava provjes pod dodatnim mehaničkim opterećenjima vodiča, što omogućuje i procjenu utjecaja leda na provjes odnosno na sigurnosnu visinu.

Ključne riječi: Geometrija lančanice, temperatura vodiča, zatezne sile, led APPLICATION FOR DETERMINING THE GEOMETRY OF CATENARY

FOR SAFETY CLEARANCE OF TRANSMISSION LINE SUMMARY The paper presents the calculation of the sprocket geometry on two 110 kV and 220 kV high

voltage power lines, to which an OTLM (Overhead Transmission Line Monitoring) system is installed. This system allows continuous monitoring of the status of the guides based on accurate temperature measurement and guide bends at the OTLM mounting location. The input data uses the material and physical properties of the guide, as well as the actual shape of the sprocket, measured at three different conductor temperatures. Changing the temperature of the conductor has an appreciable influence on the charge but also on the tension of the conductor. The calculation results show that in a computer application, using an integrated mathematical model, it is possible to determine the current security height of the guides at an arbitrary location below the guiding range. The mentioned computer application can be upgraded by calculating the execution under the additional mechanical loads of the guide, which allows the evaluation of the influence of ice on the run or on the safety height.

Key words: Geometry of catenary, temperature of conductor, tensile force, ice

13. savjetovanje HRO CIGRÉ Šibenik, 5. – 8. studenoga 2017.

HRVATSKI OGRANAK MEĐUNARODNOG VIJEĆA ZA VELIKE ELEKTROENERGETSKE SUSTAVE – CIGRÉ

B2-10

2

1. UVOD

Postizanje odgovarajućih sigurnosnih visina u ovisnosti o temperaturi vodiča jedan je od najvažnijih parametara za omogućavanje pouzdanog rada visokonaponskog vodiča za prijenos električne energije. Provjes vodiča ovisi o stanju vodiča i temperaturi vodiča te vremenskim uvjetima za razmatrani raspon. Pomoću postojećeg OTLM sustava moguće je aktivno pratiti promjenu geometrije vodiča pod različitim toplotnim i mehaničkim opterećenjem.

Da bi uopće mogli izmjeriti geometriju lančanice vodiča moramo poznavati strujno opterećenje vodiča, točkasto mjerenje temperature vodiča i dane vremenskih uvjete (temperatura i vlažnost ozračja). Za određivanje sile je razvijen model za izračun sila u vodu. Ovaj model je na temelju višestrukih mjerenja pri različitim temperaturama vodiča proširen na izračun sila kroz čitav interval izmjerenih temperaturnih opterećenja, a na temelju trenda i na područje viših i nižih temperaturnih opterećenja od temperature mjerenja lančanica. Poznato je da temperatura vodiča utječe na rastezanje vodiča duž čitavog raspona, dakle i na provjes vodiča. Vlačno (sila-pomak) ponašanje vodiča ovisi o stanju i vrsti vodiča. Stanje vodiča se određuje pomoću laboratorijskog ispitivanja praćenjem cikličnih vibracija opterećenja. Na slici 1 je prikazan mjerni sustav za određivanje karakteristike između zatezne sile i deformacije, pomoću servohidrauličke kidalice. Karakteristika je snimljena cikličnim opterećivanjem do sila koje po visini prelaze montažne sile. Samo ispitivanje je pokazalo, da je karakteristika vodiča irevizibilna, naime s prelaskom na više vrijednosti sile ostaje trajno istezanje vodiča koje treba uzeti u obzir kod ponovnog zatezanja vodiča. Jednom, kad vodič postigne stabilnu cikličnu zateznu karakteristiku, ta se može uzeti u obzir kod određivanja visine sile na osnovu praćenja istezanja vodiča.

Na slici 2 je prikazana zatezna karakteristika višekratnog ciklično opterećivanja kojom je utvrđen elastična konstanta vodiča Al/Fe 360/57 c=29520 kN/strain, a na slici 3 isto tako konačna karakteristika sila-deformacija za vodič Al/Fe 240/40 c=26447 kN/strain. Izmjerena karakteristika predstavlja ulazni podatak za određivanja visine zatezne sile na osnovu deformacija koje mogu biti uzrokovane istezanjima zbog termičkih ili mehaničkih opterećenja.

U članku je napravljen proračun zateznih sila i provjesa pomoću razvijene računarske aplikacije za dva dalekovoda 110 kV iz vodiča Al/Fe 240/40 i 220 kV iz vodiča Al/Fe 360/57, s različitim rasponima.

a) na kidalici b) upravljanje testom računalom

Slika 1: Mjerenje karakteristike cikličnog zatezanja vodiča

3

Slika 2 Grafički zapis izmjerene karakteristike sila-deformacija k=29520 za vodič Al/Fe 360/57 za 220 kV

Slika 3: Grafički zapis izmjerene karakteristike sila-deformacija k=26447 za vodič Al/Fe 240/40 za 110 kV 2. ODREĐIVANJE GEOMETRIJE VODIČA, ZATEZNIH SILA I PROVJESA

Na lokaciji montaže OTLM uređaja omogućeno je također i praćenje temperature vodiča pomoću temperaturnih senzora kao i kuta nagiba vodiča pomoću senzora inklinometra. Mjerači su ugrađeni u OTLM uređaj koji je montiran na visokonaponski vod i omogućava bežični prijenos spomenutih izmjerenih podataka u kontrolni centar. U OTLM centru se meteorološki podaci (temperatura ambijenta i vlažnost) vremenski usklađuju s temperaturom, kutom nagiba vodiča i izmjerenom strujom te na taj način formiraju zajednički zapis za analizu. Na slici 4 je prikazana datoteka s mjernim parametrima.

4

Slika 4: Prikaz datoteke s izmjerenom temperaturom vodiča i ambijenta, strujom, vlažnošću i kutom nagiba u 10-minutnih vremenskim intervalima

Za kalibriranje parametara tijekom mjerenja pomoću OTLM uređaja potrebno je izvesti lasersko

snimanje lančanice vodiča na tri karakteristične temperature vodiča. Svrha snimanja (mjerenja) lančanice vodiča između dva stupa je:

izmjeriti geometriju provjesa vodiča za izmjerenu temperaturu vodiča pri danom strujnom opterećenju dalekovoda i

izmjeriti kut nagiba vodiča na mjestu montaže OTLM uređaja pri danim vremenskim uvjetima.

Za određivanje vlačnih sila u vodiču kao i ponašanje vodiča zbog termičkih opterećenja razvijena je računalna aplikacija odnosno napravljen je program koji temelji na matematičkom modelu uzimajući u obzir laboratorijsko izmjerene karakteristike i fizikalna svojstva materijala vodiča. Slika 5 prikazuje ulaznu masku u aplikaciju. Program omogućava da se na temelju izmjerene temperature vodiča izračuna rastezanje te na temelju toga i provjes. Također program omogućava i izračun kuta nagiba vodiča na mjestu montaže OTLM uređaja. Na temelju podudaranja izračunatog kuta i kuta koji je izmjeren s inklinometerom u OTLM uređaju je potvrđena pravilnost izračuna pa tako i provjes u razmatranom rasponu. Zbog čestih vibracija vodiča vrijednosti kuta koje su izmjerene s inklinometrom, ne omogućuju neposrednu usporedbu s izračunatim kutom. Stoga je potrebo uzeti u obzir srednju vrijednost koja se određuje na temelju prosječne vrijednosti kuta pri danoj temperaturi. Podudaranje srednje vrijednosti kuta izmjerenog pomoću OTLM uređaja odnosno kuta izmjerenog Leica-om i izračunatog kuta znači da izračunata horizontalna sila u vodiču odgovara stvarnoj sili u vodiču.

5

Slika 5: Ulazna maska nakon pokretanja aplikacije 2.1 Proračun zateznih sila i provjesa lančanice vodiča Al/Fe 240/40 za 110 kV

Slika 6: Zapis vrijednosti koordinata u točkama T1, T2 i T3 te udaljenosti do lokacije montaže OTLM uređaja (udaljenost x(OTLM)) i izmjerenih kutova s inklinometrom za 110 kV vodi sa 4 mjerenja

Na slici 6 prikazana je tablica za unošenje izmjerenih koordinata karakterističnih točaka za sva

četri mjerenja geometrije lančanice vodiča. U aplikaciju se unose podaci o geometriji vodiča po točkama T1, T2 i T3 dok na mjestu pričvršćivanja OTLM uređaja upisuju se samo horizontalna udaljenost x(OTLM) i kut koji je izmjeren s OTLM uređajem. Maska omogućava istovremeni zapis svih mjerenja u datoteku, kao što je prikazano na slici 6. Tada se izmjereni podaci zapisuju odnosno pohranjuju u excel odnosno csv datoteku.

Nakon unošenja ulaznih podataka izračunavaju se provjes i vlačne sile u vodiču pri proizvoljnoj

temperaturnoj razlici T, kao što je prikazano na slici 7. Pritiskom na tipku <New calculation> obavlja se ponovni izračun sila i provjesa pri unesenoj temperaturi. Model zbog iteraktivnog rješavanja obavlja odvojen izračun za svaku stranu posebno, dok u najnižoj točci vodiča ne dođe do podudaranja provjesa u propisanom odstupanju i sinhronizacije naprezanja. Tijekom te operacije dolazi do manjih odstupanja u horizontalnim silama H1 i H2, kao što je je prikazano na slici 8.

6

a) b)

Slika 7: Izračunane sile u vodiču pri temperaturi a) T=0°C i b) T=+29,5°C

a) b)

Slika 8: Prvi izračun parametara (sila i provjesa) vodiča za početno temperaturno stanje a) 0°C i b) T=+29,5°C

Maska na slici 4 nudi mogućnost izbora temperature, za koju želimo imati prvi izračun.

Temperaturna razlika T upisuje se ovisno o početnoj temperaturi unosa ulaznih podataka na slici 6, (T=+0°C). Program obavlja izračun provjesa i sila za proizvoljnu temperaturu vodiča koja se može upisati u masku na slici 6. Iz usporedbe na slici 6 proizlazi da je za temperaturnu razliku vodiča 29,5°C provjes veći za 1m i horizontalna vlačna sila manja za 1,4 kN pri višoj temperaturi. 2.2 Proračun zateznih sila i provjesa lančanice vodiča Al/Fe 360/57 za 220 kV

Na slici 9 prikazana je maska za unošenje ulaznih podataka. Ova strana sadrži tri skupine podataka: mjerenje lančanice ''faznog'' vodiča, OTLM parametre i podatke o vrsti vodiča odn. o materijalu. U ovoj verziji je definirano, da su podaci o geometriji vodiča zadani u točkama T1, T2 i T3. Na mjestu pričvršćivanja OTLM uređaja upisuju se samo horizontalna udaljenost x(OTLM) i kut koji je izmjeren s OTLM uređajem. Proračun zateznih sila i provjesa lančanice vodiča Al/Fe 360/57 je napravljen za 220 kV dalekovod Valjevo-Obrenovac. Napravljeno je samo jedno mjerenje lančanice između stupova 154 i 155 na rasponu 606 m.

Po unosu ulaznih podatka se izvrši proračun zateznih sila bez iteracije za temperaturu na kojoj je izvršeno mjerenje lančanice, kao što je prikazano na slici 10. Maska na slici 10 je predviđena isto tako za unošenje temperature i mjesta postavljanja OTLM uređaja. Proračunom je moguće izračunati promjenu dužine vodiča zbog temperaturnih rastezanja, ali je točnost izračuna potrebno potvrditi ponovnim mjerenjima na temperaturi koja je barem za 15°C viša ili niža od prvo izmjerene.

7

Slika 9: Maska za unošenje ulaznih podataka ''faznom'' vodiču, OTLM uređaju, podaci o materijalu vodiča, dok je bilo izvedeno samo jedno mjerenje lančanice

Slika 10: Maska za unošenje temperature i mjesta postavljanja OTLM uređaja s prvim izračunum zateznih

sila bez iteracije

8

Slika 11: Rezultat proračuna provjesa i zateznih sila nakon iteracije s sočeljavanjem

Na slici 11 je prikazan rezultat proračuna provjesa i zateznih sila nakon iteracije s sočeljavanjem obe strane lančanice. Proračun pokazuje da je došlo do odstupanja između početno izmjerenih vrijednosti na slici 10 i nakon integralnog proračuna. Razlog leži u otežanom mjerenju najniže točke lančanice, kao i u trajanju samih mjerenje pojedinih točaka kroz raspon 606 m, vibracijama i nihanju vodiča tokom mjerenja, ali isto tako i na promjenama temperature vodiča uzduž raspona 606 m. Rezultat proračuna predstavlja integralan oblik lančanice, koja se može koristiti u daljim proračunima sigurnostnih visina, dok se dobivena odstupanja tretiraju kao stupanj tolerancije kojega treba uzeti u obzir za sigurnostnu visinu za objekte ispod vodiča.

Proračun sigurnosnih visina se izvodi s podprogramom (pritiskom na tipku <Input control clearance points> na slici 11). Otvara se maska za upisivanje donjih kontrolnih-kritičnih točaka, gdje bi visina vodiča od objekata ispod njega mogla biti ispod propisane sigurnosne visine, kao što je prikazano na slici 12. U izbornik se unosi broj kontrolnih točaka (maksimalno 10) te x i y koordinate tih točaka ispod vodiča. U donjem dijelu maske na slici 12 upisuju se trenutno temperaturno i strujno stanje vodiča kao i vrijednost izmjerenog kuta pomoću OTLM uređaja (u kutnim stupnjevima). Rezultati visina u kontrolnih točkama prikazani su na sliki 12. U slučaju da je visina ispod dopuštene, izračunata visina se oboji u crveno.

Slika12: Maska za unošenje koordinata donjih kritičnih točaka ispod vodiča i radnih uvjeta

9

3. ZAKLJUČAK

U radu je predstavljen izračun geometrije lančanice vodiča pomoću algoritma za obradu izmjerenih geometrijskih parametara lančanice vodiča na dva visokonaponska dalekovoda naponskih razina 110 kV i 220 kV na koje je montiran OTLM („Overhead Transmission Line Monitoring“) sustav.

Ovaj sustav omogućava kontinuirano praćenje stanja vodiča na temelju točkastog mjerenja temperature i naklona vodiča na lokaciji montaže OTLM uređaja. Kao ulazni podaci koriste se materijalna i fizikalna svojstva vodiča, te stvaran oblik lančanice koja je bila izmjerena na tri različite temperature vodiča.

Iz usporedbe dvaju proračuna je vidljivo, da odstupanja mogu biti znatno drugačija od izmjerenih ukoliko je raspon veći, te ukoliko su mjerenja trajala duže vrijeme, a pri tome je dolazilo i do titranja vodiča. Izračunata odstupanja 25 cm za raspon 606 m odnosno 2,5 cm za raspon 250 m je potrebno uzeti u obzir kod proračuna sigurnosnih visina iznad objekata ispod vodiča. 4. LITERATURA [1] "Guidelines for field measurement of ice loadings on overhead line conductors“, CIGRE, TB 179,

2001. [2] "Guidelines for Meteorological Icing Models, Statistical Methods and Topographical Effects“,

CIGRE, TB 291, 2006. [3] "Systems for prediction and monitoring of ice shedding, anti-icing and de-icing for power line

conductors and ground wires“, CIGRE, TB 438, 2010. [4] "Coatings for protecting overhead power network equipment in winter conditions“, CIGRE, TB

631, 2015. [5] Farzaneh M., "Atmospheric icing of power networks“, Science+Business Media B.V., 2008. [6] ASTROSE - Autonomni mrežni senzor za praćenje uvjeta na dalekovodu. [7] "Method and system for determining the thermal power line rating (patent WO 2016102443 A1)“,

AMPACIMON, 2016. [8] "Thermal powerline rating and clearance analysis using local thermal sensor (patent WO

2012118523 A1)“, 2012. [9] "Power transmission line monitoring system (patent US 5235861 A)“, 1993. [10] "Obrazac OB05 - OTLM poves (OTLM-SAG) “, OTLM razvoj, proizvodnja in svetovanje, d.o.o.

Ljubljana, 2017. [11] "SIST EN 50341-1:2002 - Nadzemni električni vodi za izmenične napetosti nad 45 kV – 1. del:

Splošne zahteve – Skupna določila“, 2002. [12] "SIST EN 50341-3-21:2009 Nadzemni električni vodi za izmenične napetosti nad 45 kV – 3-21.

del: Nacionalna normativna določila (NNA) za Slovenijo (na podlagi SIST EN 50341-1:2002)“, 2009.

[13] "SIST EN 50423-1:2005 Nadzemni električni vodi za izmenične napetosti nad 1 kV do vključno 45 kV –1. del: Splošne zahteve – Skupna določila“, 2005.

[14] "SIST EN 50423-3-21:2009 Nadzemni električni vodi za izmenične napetosti nad 1 kV in do vključno 45 kV – 3-21. del: Nacionalna normativna določila (NNA) za Slovenijo (na podlagi SIST EN 50423-1:2005)“, 2009.