2. Dimenzioniranje sabirnica, rastavljaa i prekidaa

2.1. DIMENZIONIRANJE SABIRNICA

Dimenzioniranje sabirnica obavlja se na temelju tri kriterija:

1) maksimalna struja u normalnom pogonu, 2) povienje temperature za vrijeme kratkog spoja, 3) mehanika naprezanje za vrijeme kratkog spoja.

Sabirnice se izvode od neizoliranih bakrenih ili aluminijskih vodia. Do naponske razine od 35 kV koriste se plosnati, okrugli ili U profili, dok se za vie naponske razine iskljuivo koriste cijevi odnosno ueta.

2.1.1. ODABIR SABIRNICA PREMA NAJVEOJ STRUJI U NORMALNOM POGONU

Prilikom dimenzioniranja sabirnica potrebno je voditi rauna o maksimalnoj struji koja se moe pojaviti u normalnom pogonu, odnosno na najvie optereenom dijelu sabirnica, prema kojem se onda dimenzioniraju itave sabirnice. Maksimalna struja odreuje se prema nazivnoj snazi transformatora prikljuenih na promatrane sabirnice, ali uz uvjet da se ukupna snaga transformatora moe prenijeti i ukoliko je jedan od odlazeih vodova iskljuen.

Prilikom izbora sabirnica potrebno je uvaiti propise koji odreuju minimalne presjeke sabirnica. Zbog vrstoe u postrojenjima do 35 kV ne izvode se sabirnice profila manjeg od 40x5 mm, dok je za napone iznad 110 kV minimalni presjek, odnosno promjer uvjetovan spreavanjem pojave korone. Za napon 110 kV minimalni promjer cijevi iznosi 30 mm, a najmanji presjek ueta 95 mm2. Za napon 220 kV minimalni promjer cijevi iznosi 50 mm, a najmanji presjek ueta 300 mm2.U skladu s navedenim zahtjevima te uvjetima zadatka odabire se slijedei tip cijevnih sabirnica:

ZADATAK 1.

Potrebno je izvriti izbor sabirnica 110 kV, za vanjsku izvedbu postrojenja, sukladno slici prema maksimalnoj struji u normalnom pogonu i za vrijeme kratkog spoja (struja mjerodavna za ugrijavanje It = 12 kA). Dozvoljena nadtemperatura u normalnom pogonu iznosi 30K. Vodii su od bakra, obojeni i u horizontalnom rasporedu.

T1

110 kV

T2

220 kVSn1=150 MVA Sn2=150 MVA

RJEENJE

ODABIR SABIRNICA PREMA NAJVEOJ STRUJI U NORMALNOM POGONU U prvom koraku, potrebno je odrediti maksimalnu struju u normalnom pogonu kroz

najoptereeniji dio sabirnica, ali uz uvjet da se ukupna snaga na sabirnice prikljuenih transformatora moe prenijeti i ukoliko je jedan od odlaznih vodova iskljuen (kriterij n-1). Da bi odredili najoptereeniji dio sabirnica razmotrimo mogua uklopna stanja:

1. Svi odlazni vodovi ukljueni

I1 I2

n

II 21 +n

II 21 +n

II 21 +n

II 21 +n

II 21 +

Najoptereeniji dijelovi sabirnice oznaeni su crvenom bojom. Kroz te dijelove sabirnica prolazi snaga koja se prenosi vodovim desno, odnosno lijevo od dovodnih polja. Dakle:

AkAUSS

In

nTnTpog 8,6295

21103150150

52

321

.max. =

+=

+=

2. Sredinji odlazni vod iskljuen

I1 I2

121

+

n

II1

21

+

n

II1

21

+

n

II1

21

+

n

II

Najoptereeniji dijelovi sabirnice oznaeni su crvenom bojom. Kroz te dijelove sabirnica prolazi snaga koja se prenosi vodovima desno, odnosno lijevo od sredinjeg odvodnog polja. Dakle:

AkAUSS

In

nTnTpog 3,7874

21103150150

42

321

.max. =

+=

+=

3. Jedan odlazni vod lijevo (desno) od sredinjeg odlaznog voda iskljuen

I1 I2

121

+

n

II1

21

+

n

II1

21

+

n

II1

21

+

n

II

Najoptereeniji dio sabirnice oznaen je crvenom bojom. Kroz taj dio sabirnica prolazi snaga koja se prenosi vodovima lijevo od sredinjeg odvodnog polja. Dakle:

AkAUSS

In

nTnTpog 3,7874

21103150150

42

321

.max. =

+=

+=

4. Jedan odlazni vod krajnje lijevo (desno) iskljuen

I1 I2

121

+

n

II1

21

+

n

II1

21

+

n

II1

21

+

n

II

Najoptereeniji dio sabirnice oznaen je crvenom bojom. Kroz taj dio sabirnica prolazi snaga koja se prenosi vodovima lijevo od sredinjeg odvodnog polja. Dakle:

AkAUSS

In

nTnTpog 3,7874

21103150150

42

321

.max. =

+=

+=

Zakljuujemo da su pogonska stanja 2, 3 odnosno 4 mjerodavna za odreivanje maksimalne struje u normalnom pogonu, a ona iznosi 787,3 A. Temeljem ove struje odabiremo presjek sabirnice iz kataloga proizvoaa sabirnica.

MATERIJAL SABIRNICA: BAKAR (OBOJENI) VANJSKI PROMJER CIJEVI (mm): 30

UNUTARNJI PROMJER CIJEVI (mm): 22 POVRINA PRESJEKA qCu (mm2) 326

TRAJNA STRUJA (A): 800 MASA PO JEDINICI DULJINE (kg/m): 2,9

Trajnu struju odabranih sabirnica nije potrebno umanjiti zbog dozvoljene nadtemperature od 30K u normalnom pogonu:

Kada bi dozvoljena nadtemperatura bila manja ili vea od 30 K, trajnu struju sabirnica bilo bi potrebno korigirati putem sljedee relacije, kojom dobivamo reduciranu trajnu struju:

3030

= KII

Ukoliko bi reducirana trajna struja (zbog nie dozvoljene nadtemeprature) odabranih sabirnica bila manja od izraunate maksimalne struje u normalnom pogonu bilo bi potrebno odabrati sabirnice veeg presjeka odnosno vee trajne struje.

[ ]2.,

64.63135

301655.0125.7 mmq raCu =

=

[ ]2.135

1655.7 mmtIq pogtCu

=

[ ]2.115

1450.12 mmtIq pogtAl

=

KONTROLA PRESJEKA S OBZIROM NA UGRIJAVANJE ZA VRIJEME KS-a

Kako bi se sprijeilo povienje temperature vodia (sabirnica) iznad doputene granice za vrijeme trajanja kratkog spoja, odabrani presjek sabirnica mora biti vei od presjeka dobivenog raunskim putem:

za bakar

za aluminij

gdje je: It [kA] - struja mjerodavna za ugrijavanje, t [s] - dozvoljeno trajanje kratkog spoja, pog. - dozvoljena nadtemperatura u normalnom pogonu.

Dozvoljeno trajanje kratkog spoja odreeno je naponskom razinom i odreuje najkrae vrijeme do otvaranja kontakata prekidaa.

Naponska razina [kV] 400 220 110 20 10 Dozvoljeno vrijeme [s] 0.05 0.20 0.50 1.00 1.00

U skladu sa zadatkom raunski presjek sabirnica iznosi:

vidimo da odabrani presjek odgovara budui vrijedi:

qCu,ra. = 63,64 mm2 < qCu = 326 mm2

2.1.2. KONTROLA PRESJEKA SABIRNICA S OBZIROM NA MEHANIKA NAPREZANJA

ZADATAK 2.

Potrebno je provjeriti izbor sabirnica 110 kV iz prethodnog zadatka u pogledu mehanikih naprezanja u kratkom spoju. Za najgori sluaj pretpostaviti tropolni kratki spoj uz vrijednost poetne struje 3pKS-a od 20 kA. Omjer R/X iznosi 0,2.

RJEENJE

Prvi korak u provjeri presjeka sabirnica s obzirom na mehanika naprezanja jest odreivanje razmaka izmeu sabirnica pojedinih faza te razmake potpornih izolatora. Razmak sabirnica odreuje se prema nazivnom naponu. Za 110 kV razmak sabirnica na otovrenom iznosi, prema tablici 9.41 (str. 629):

a = 2200 mm

Razmak potpornih izolatora odreujemo prema sljedeoj tablici, a u ovisnosti o nazivnom naponu:

PREPORUKA

do 35 kV 600-1200 mm 900 mm U ZGRADI

110 kV 4200 mm 6000 mm

110 kV 6600 mm 9000 mm

220 kV 13200 mm 15000 mm NA OTVORENOM

380 kV 16500 mm 21000 mm

Odabiremo razmak potpornih izolatora:

l = 7000 mm

Za odabrani materijal sabirnica (E-Cu F 37) granica teenja, mjerodavna za dimenzioniranje sabirnica za zadana mehanika naprezanja iznosi2 (str. 1088, Konarev prirunik):

Maksimalno naprezanje (koristimo model ukljetene grede s kontinuiranim optereenjem), mjerodavno za dimenzioniranje sabirnice u njenoj itavoj duljini, nastaje u uporitu sabirnice i za njega mora vrijediti relacija:

gdje je: s - frekventni faktor, koji za praktine proraune ima vrijednost 1, W - linijski otporni moment, Mmax - maksimalni moment savijanja koji se javlja u uporitima.

Linijski otporni moment i maksimalni moment savijanja raunaju se prema slijedeim relacijama, uz napomenu da izrazi vrijede samo za odabrani tip sabirnica (cijevne):

gdje je: D - vanjski promjer cijevi, s - debljina stijenke cijevi.

( )[ ] ( )[ ] 364444 10884.13032

8303032

2m

DsDDW =

=

=

pipi

min,2.0max 2 =

WM

s

MPa320min,2.0 =

gdje je: f - najvea sila po jedinici duljine za najgori sluaj kratkog spoja, l - razmak izmeu uporita (potpornih izolatora), - veliina ovisna o vremenskoj konstanti istosmjerne komponente

Ta, Ik3'' - efektivna vrijednost izmjenine komponente struje tropolnog kratkog spoja neposredno nakon njegovog nastanka.

Za zadani omjer R/X = 0,2 i frekvenciju mree 50 Hz, izraunata vrijednost vremenske konstante istosmjerne komponente je:

Ta = 15,9 ms.

Prema konstanti Ta, a pomou grafa sa slike 4.251 (str. 236) odreujemo iznos koeficijenta :

= 6,1.

Sada je mogue izraunati i sve ostale veliine pa tako one redom iznose:

Iz podatka o maksimalnom naprezanju vidljivo je da odabrani presjek sabirnica zadovoljava u pogledu mehanikih naprezanja budui je maksimalno naprezanje od 480 MPa manje od dvostruke vrijednosti granice teenja za odabrani materijal koje iznosi (2*320 MPa = 640 MPa).

MPaW

Ms 48010884,1

8,9051 6max

=

==

NmlfM 8,90512

782,22112

22

max =

=

=

===

m

Na

If k 82,221102,2

200001,62102 72

72

''

3

MPaMPa 6402480 min,2.0 ==

RfX

RLTa

==

pi212

2max

lfM =

=

m

Na

If k 72

''

3 102

2.2. IZBOR RASTAVLJAA

ZADATAK 3. Za vodna polja i trafo polja iz zadatka 1, potrebno je izvriti odabir rastavljaa.

RJEENJE Izbor rastavljaa obavlja se prema nazivnom naponu i maksimalnoj struji u normalnom

pogonu. Rastavljae u transformatorskim poljima potrebno je dimenzionirati prema nazivnim

snagama pojedinanih transformatora, dok se rastavljai u vodnim poljima dimenzioniraju na maksimalnu snagu u normalnom pogonu prema kriteriju n-1.

Rastavljai u transformatorskim poljima: A

kVMVA

US

In

nTnR 3.7871103

1503

1=

=

=

Rastavljai u vodnim poljima: A

nUSS

In

nTnTnR 6.393)15(1103

150150)1(3

21=

+=

+=

Zemljospojnik u vodnim poljima: NE dimenzionira se prema nazivnoj struji.

Prema izraunatim maksimalnim strujama u normalnom pogonu odabrani su slijedei rastavljai (Konar HVS):

UN [[[[kV]]]] IN [[[[A]]]] IU [[[[kA]]]] IT [[[[kA]]]] - 1s TRAFO POLJA 123 1250 80 31,5 VODNA POLJA 123 1250 80 31,5

ZEMLJOSPOJNIK 123 1250 80 31,5

Odabrani rastavljai najee su istih karakteristika zbog tipizacije opreme u postrojenju te eventualne meusobne izmjene.

Slika 1. Odabrani tip rastavljaa

Prilikom dimenzioniranja rastavljaa, potrebno je provjeriti odgovaraju li karakteristike odabranog tipa rastavljaa i u pogledu veliine udarne struje kratkog spoja te struje mjerodavna za ugrijavanje.

Rastavljae za uzemljenje potrebno je dimenzionirati samo obzirom na naponsku razinu na mjestu ugradnje te kontrolirati u pogledu struje mjerodavne za ugrijavanje i udarne struje.

Kada bi dozvoljeno vrijeme trajanja kratkog spoja bilo dulje od deklariranih 1s od strane proizvoaa opreme, bilo bi potrebno korigirati struju mjerodavnu za ugrijavanje koju deklarira proizvoa prema sljedeem izrazu:

tII st

11 =

2.3. IZBOR PREKIDAA

ZADATAK 4. Za vodna polja i trafo polja iz zadatka 1, potrebno je izvriti odabir prekidaa. Udarna,

prekidna i struja mjerodavna za ugrijavanje na 110 kV sabirnicama iznose redom Iu = 50 kA, Ip = 18 kA, It = 12 kA.

RJEENJE Izbor prekidaa obavlja se prema nazivnom naponu, maksimalnoj struji u normalnom te

prekidnoj moi odnosno vrijednosti prekidne struje koju prekida mora biti u stanju isklopiti pri nazivnom naponu.

Prekidae u transformatoskim poljima dimenzioniramo prema nazivnim snagama pojedinanih transformatora, dok prekidae u vodnim poljima dimenzioniramo prema kriteriju n-1 za vodove.

Prekidai u trafo poljima:

Prekidai u vodnim poljima: A

nUSS

In

nTnTnP 6.393)15(1103

150150)1(3

21=

+=

+=

Prema izraunatim maksimalnim strujama u normalnom pogonu odabrani su slijedei prekidai, s plinom SF6 kao medijem za gaenje luka:

UN [[[[kV]]]] IN [[[[A]]]] IP [[[[kA]]]] IT [[[[kA]]]] - 1s IU [[[[kA]]]] TRAFO POLJA 123 1500 31,5 31,5 80 VODNA POLJA 123 1500 31,5 31,5 80

Slika 2. Odabrani tip prekidaa

A U

S I

n

nT nP 3 . 787 110 3

150 3

1 =

=

=

Prema podacima proizvoaa (Konar HVS) prekidai su ispravno dimenzionirani obzirom na prekidnu struju, udarnu i struju mjerodavnu za ugrijavanje obzirom da vrijedi:

kAIkAI KononPP 5,3118 , =