II/1. Szabadvezeték szerkezeti elemei, sodronyok, szigetelők, szerlvények anyaga, igénybe vétele, kialakítása, feladata. A szabadvezeték olyan csupasz vezeték, amely a földtől elszigetelten a véletlen érintés megszabta magasságban, tartószerkezeten van elhelyezve. A szabadvezetékek tartószerkezetei többnyire rácsos acél v. beton oszlopok. Az oszlopokra szerelt álló v. függő szigetelők tartják, feszítik a sodrony szerkezetű fázisvezetőket úgy, hogy a legnagyobb belógás állapotában is megfelelő távolságra vannak a talajszinttől. A váltakozó áramú szabadvezetékek háromfázisúak, a közvetlen villámcsapás megelőzésére egyes fontosabb vezetékek fölé védővezetőt is szerelnek.
Sodronyok: Túlnyomórészt egynemű anyagú és azonos átmérőjű elemi szálakból készül. A szerkezet előnye, hogy biztonságosabb, 1-2 elemi szál meghibásodása esetén még nem válik használhatatlanná, a szálak homogén minősége jobban biztosítható, hajlékonyabb. 6-os elrendezés (minden réteg az előzőhöz képest 6 elemi szállal többet tartalmaz, ellentétes sodrású) - Alumínium (ASC): 99,5% tisztaságú, hidegen húzott, kis oszlopközökre - Ötvözött alumínium (AASC): 99,5% magnéziummal, szilíciummal és vassal ötvözve, húzott-edzett-pihentetett-lágyított, nagyobb oszlopközök - Acélalumínium (ACSR): az elemi szálakat acél sodronybélre sodorják - Acél: régen a védővezetők kizárólag acélsodronyok voltak Burkolt szabadvezeték: műanyagburkolat, ami nem teljes értékű szigetelés, de csökkenti a védőtávolságokat ill. a helyigényt. Szigetelők: a szabadvezeték villamos vezetőit szigetelik el a földelt tartószerkezettől, olyan anyagból kell lenniük, amely megfelelő villamos szilárdságú az átütés-, átívelés elkerülése céljából és emellett megfelelő mechanikai szilárdságú, hogy a vezetők súlyából és feszítéséből származó terheket törés nélkül elviselje. -
Porcelán: régebben szinte csak ezt alkalmazták, földpát-kaolin-kvarc, Kiégetés alatt erősen zsugorodik és ridegedik. Nyomásra igen teherbíró, húzásra és hajlításra kevésbé igénybe vehető.
-
Üveg: eltér az átlagosan használt üvegtől, fontos a hűtési folyamat, Előnye a porcelánnal szemben, hogy átlátszó, így könnyebben észrevehető a gyártási hiba és a napsugárzásra nehezebben melegszik.
-
Műanyag: poliaddíciós gyanta, epoxigyanta+kvarclisz v. vékony üvegszál. Csak beltéren az UV miatt.
-
Kompozit: szennyezetten is megmarad a szigetelő tulajdonsága, vízlepergető, kis súlyúak, nagy mechanikai biztonság, olcsóbb, vandálbiztosabb
II/2. Szabadvezeték szerkezeti elemei, tartószerkezetek, alapok, földelések anyaga, igénybe vétele, kialakítása, feladata. A szabadvezetékek oszlopai – a földtől és egymástól megfelelő távolságban – tartják ill. feszítik a vezetőket. Feladatuk a szabadvezetékhez tartozó egyéb készülékek, szerelvények tartása is. Rendeltetés szerint: - tartóoszlop - saroktartó oszlop: állószigetelőknél - feszítőoszlop - sarokfeszítő oszlop - keresztező (alul v. felül átfeszítő) oszlop - végoszlop: egyoldali vezetékhúzás, portál - leágazó oszlop - fázisforgató oszlop Anyag szerint: - faoszlop: bitumennel telített, vasbeton gyámra szerelt - betonoszlop: áttört gerincű, pörgetett - acéloszlop: nagyfeszültségen általában, rácsos szerkezet, drágább, felületvédelemmel kell ellátni - alumínium oszlopszerkezetek: könnyű de nagyon drága Konstrukció szerint: - kikötött oszlop - kitámasztott oszlop - ikeroszlop - bakoszlop - portáloszlop - rácsos szerkezetű acéloszlop
Oszlopok földelése: Célja, hogy a föld felé jól vezető összeköttetés jöjjön létre, azaz a szabadvezetéki létesítmény és a föld között a megengedettnél nagyobb feszültségkülönbség ne legyen, az oszlop közelében a lépésfeszültség kis értékre csökkenjen. - földelővezető: a földelő és a földelendő berendezés között létesít fémes összeköttetést - földelő: a talajba ágyazva jó átmenetet biztosít a föld felé - bontási hely: a földelés szétterjedés ellenállását mérni lehessen Oszlopalapok: Az alapozás célja az oszlop rögzítése. Az oszlopot úgy kell a földbe helyezni ill. az alapot elkészíteni, hogy a várható erők alatt megengedhetetlen elmozdulások ne következzenek be. -
beásott alap: megfelelő tömörítéssel, döngöléssel súlyalap: drágább, lépcsőzete v. csonka gúla befogott alap talpas alap cölöpalap kútalap ártéri alap úszó- v. tutajalap előregyártott alap
II/3. Szabadvezeték helyettesítő vázlata, induktív reaktanciájának számítása.
Egyetlen végtelen hosszú, egyenes, kör keresztmetszetű vezető mágneses tere: x>r
r≥x
GMR – geometriai méretű rádiusz GMD – geometriai mértékű távolság
Egyfázisú vezeték:
Háromfázisú vezeték: - vezetőelrendezés szimmetrikus, áramrendszer szimmetrikus
-
vezetőelrendezés aszimmetrikus, áramrendszer szimmetrikus
-
vezetőelrendezés aszimmetrikus, áramrendszer aszimmetrikus
II/4. Szabadvezeték helyettesítő vázlata, soros és sönt ellenállásának számítása. Soros: a vezetősodrony ellenállása (R) Párhuzamos v. sönt: a szigetelők levezetési és szivárgási áramából valamint a fázisvezető sodronyok felületén fellépő sugárzásból, az ún. koronaveszteségből számolt ellenállás (Rsz)
Soros: Távvezetékek nagyobb keresztmetszetű vezetőinek váltakozó árammal mért ellenállása általában nagyobb, mint az egyenárammal mérhető ellenállása. Ennek oka az áramkiszorítás (szkín hatás) jelensége. E jelenségek hatását számottevően csökkenti, sőt színesfémből készült vezetőknél gyakorlatilag meg is szünteti az a körülmény, hogy szabadvezetékek számára - egészen kis keresztmetszetek kivételével - csakis sodronyszerkezetű vezetőket használnak. 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 megnő a vezeték önindukciója, mivel egyik sodrott réteg egy hosszúra nyújtott szolenoid, amely belsejében mágneses mezőt gerjeszt. Mivel a leggyakrabban használt sodronyok többrétegűek, a sodrás okozta induktivitás növekedés a színesfémből készült sodronyoknál a gyakorlatban elhanyagolható. A sodrás induktivitás - növelő hatása acélbelű alumíniumvezetők esetén is elhanyagolható, ha az alumínium burkolat legalább két rétegű. Re – az egyenárammal mért ellenállás (Ω/km) f- frekvencia (Hz) d – a vezető átmérője (mm) Párhuzamos: A szabadvezetékek szigetelése nem tökéletes, ezért a fo áramirányt (az energiaterjedés irányát) söntölő veszteségek keletkeznek. Levezetés a szigetelőknél, szivárgási áram: Levezetésen azt a jelenséget értjük, hogy a feszültség alatt álló vezetőből a szigetelésen, ill. a szigetelők felületén keresztül a földelt tartószerkezet felé nagyon kis értékű áram folyik. A jó minőségű korszerű szigetelők esetében a szigetelőn keresztül folyó szivárgási áram a felületén haladó levezetési áramhoz képest elhanyagolható. A levezetést főleg a szigetelők felületére lerakódó nedvesség és szennyeződések (por; korom stb.) befolyásolják. A lerakódás mértékét a szigetelő kialakításával (alakjával) és felületének minőségével lehet kedvezőtlenebbé tenni. A szigetelők alakját úgy kell megválasztani, hogy a szennyeződés felhalmozódására kedvező helyek ne legyenek, a rátelepedett szennyeződést a szél lefújhassa, az eső lemoshassa. Lehetőleg a szigetelőt oldal irányból verő esőben is maradjon rajta száraz hely.
A porcelán szigetelők felületét fényes mázzal vonják be, és szükség esetén víztaszító anyaggal kenik be az összefüggő vezető réteg kialakulásának megakadályozására. A légköri viszonyok is erősen befolyásolják a levezetést, mert száraz levegőben a levezetés független a szigetelő tisztaságától, nedves időben, ködben és szitáló esőben a levezetés erősen megnövekszik, mert a szennyeződéseket csak nedvesítik, és kisebb-nagyobb utat nyitnak a feszültség alatt álló vezetékről a föld felé. - A sűrű köd, veszélyes, mert az egyébként száraz részek is benedvesednek - Csendes eső, kezdetben rosszabb, később jobb körülmények, mert lemossa a szennyeződéseket - Rövid ideig tartó, széllel együtt fellépő felhőszakadásszerű eső, a felület nedves lesz, de a szennyeződéseket nincs ideje lemosni az esőnek. - Száraz, tiszta hó, zúzmara és jég jó szigetelők, de a szennyezett hólé Tapasztalati érték kevés áll rendelkezésre, ha szükséges a levezetési (szivárgási) ellenállás értékét 120 kV-os szabadvezeték esetén Rsz = 50 MΩkm/fázis értékkel szoktuk figyelembe venni. A veszteség így kb. 300 W/km. Sugárzás jelensége (korona jelenség): A szabadvezeték vezetőit teljes hosszukban a levegő szigeteli el egymástól. Jó időben a levegő gyakorlatilag tökéletesen szigetel. Kedvezőtlen időjárás esetén azonban a vezetők felületén koronasugárzás keletkezik. Ez a jelenség igen fontos, mert a nagyfeszültségű vezetékek szerkezetének a vezető átmérőjének meghatározása szempontjából döntő fontosságú lehet. A koronajelenség nemcsak a veszteségek gazdasági kihatásai miatt kerülendők, hanem a vele együtt járó igen erőteljes nagyfrekvenciás zaj a rádiót és a televíziót, sőt a nagyfeszültségű vezetéken működő vivőfrekvenciás berendezéseket is zavarja. A hosszegységre jutó sugárzási teljesítmény Peek mérései alapján (tapasztalat):
δ – a levegő normálállapotú levegőhöz viszonyított relatív sűrűsége f – frekvencia (Hz) r – a vezető sugara (cm) d – a vezetők távolsága (cm) U0 – a vezeték földhöz viszonyított feszültsége (kV) U0kr – kritikus feszültség (kV), az a feszültség amelyen a koronaveszteség megjelenik
21,1 kV/cm – a levegő villamos szilárdsága δ – a levegő normálállapotú levegőhöz viszonyított relatív sűrűsége (1<, 1>) m1 – a vezető felületi minőségi tényezője (sima felület=1, sodrony=0,82-0,98) m2 – a légköri viszonyok minőségi tényezője (jó, tiszta idő=1, ködös, nedves levegő=0,) r – a vezető sugara (cm) d – a vezetők távolsága (cm) A sugárzási veszteség csökkentése a vezetők átmérőjének és kölcsönös távolságának növelésével érhető el. A vezetők kölcsönös távolsága a feszültségtől, a belógástól, továbbá a gazdaságos vezetéképítés szempontjaitól függ. A gyakorlatban kialakultak bizonyos vezetőtávolságok, amelyektől nem szokás számottevően eltérni. Gyakorlatilag kétféle megoldással sikerült a sugárzás miatt szükséges igen nagy keresztmetszetet elkerülni. Üreges, ún. csővezetővel, vagy köteges vezetővel.
II/5. Szabadvezeték helyettesítő vázlata, kapacitív reaktanciájának számítása.
Egy vezető kapacitása:
A kapacitív reaktancia:
Háromfázisú vezeték kapacitív reaktanciája:
Háromfázisú ciklikusan cserélt vezeték esetében, a föld elhagyásával az egyfázisú helyettesítő vázlatban is használható egyszerűsített összefüggés:
II/6. Hagyományos itatott papír szigetelésű kábel kialakítása, az egyes szerkezeti részek feladata, figyelembe vétele a helyettesítő vázlatban. Az erősáramú kábelek részei: - vezető vagy vezetők - szigetelés - védőburkolat A kábelszerkezet e három fő részen belül igen változatos a vezetékek számától és a szigetelőanyag jellegétől függően. Az ún. erősáramú - azaz energiaátviteli - kábel szerkezete különböző attól függően, hogy • egyerű vagy háromerű, • hagyományos itatott papírszigetelésű ún. ólomköpenyű kábel vagy modem műanyag szigetelésű kábel. • A kábel vezető ő ereit (Al vagy Cu, tömör, vagy sodrott) egyenként a feszültségtől és a vezető keresztmetszetétől függően különböző vastagságú szigetelés, az érszigetelés burkolja. A szigetelt kábelereket - az erek közötti hézagokat kitöltő anyaggal kerekre kiegészítve - a kellő hajlékonyság biztosítására nagy menetemelkedésű kábelszerkezetté sodorják össze. • Az érsodratot az övszigetelés fogja össze, és szigeteli el a legtöbb esetben fémből (ólom vagy alumínium) készült kábelköpenytől. A kábel szerkezet kábelköpenyig levő részét kábelléleknek is nevezik. Telítettpapír-szigetelésű kábelek: A vezetők anyaga szabványos minőségű réz vagy alumínium, amely alumínium esetében 240mm2 keresztmetszetig tömör is lehet. A sodrony hajlékonyabb, de az alumínium hegesztése az elemi szálakon képződött oxidréteg miatt körülményesebb. A tömör vezető előnye még, hogy sima felületére a szigetelés hézagmentesen fekszik fel. A kábelek sodronyszerkezete hasonló a szabadvezetékek szerkezetéhez, de a jobb helykihasználás érdekében a nagyobb keresztmetszetűek (50 mm2) körcikk (szektor) alakú vezetők. A szigetelés anyaga kábelolajjal itatott papír. Erre a célra nagy szilárdságú, egyenletes minőségű, jó nedvszívó képességű nátroncellulóz papiros használható. A vezetőre több rétegben feltekercselt papírt gyantával dúsított kábelolajjal impregnálják, amely a papírt teljesen átjárja, telíti. A tulajdonképpeni szigetelőanyag a nagy villamos szilárdságú (150...220kV/cm) kábelolaj. A papír csupán mechanikai tartó váza, az átütési szilárdság szempontjából kedvező vékony rétegben elhelyezkedő kábelolajnak. A vezető és a szigetelés együtt alkotja a kábeleret. Egyszerű kábel esetén a kábeleret védőburkolat (köpenyszerkezet) borítja, amely a külső behatásoktól védi a kábeleret, távol tartja a nedvességet és megakadályozza a telítő olaj kiszivárgását. A védőburkolat részei: kábelköpeny, párnázás, páncélozás, korrózióvédő burkolat. A kábelköpeny a nedvesség beszivárgását és az olaj kiáramlását akadályozza. A párnázás olyan többrétegű burkolat (bitumenbe ágyazott papírszalag) ami párnázást ad a páncélozásnak ill. védi az ólomköpenyt attól, hogy a páncélzat hajlításkor esetleg megsértse. A páncélozás rozsdavédelmét bitumenbe ágyazott és átitatott kenderfonal adja, amelyet a tapadás megszüntetésére talkummal szórnak be.
II/7. Korszerű polietilén szigetelésű kábel kialakítása, az egyes szerkezeti részek feladata, figyelembe vétele a helyettesítő vázlatban. A műanyag a kábeltechnika területén az utóbbi 50 évben fokozatosan kiszorította a hagyományos kábelanyagokat. Ma már azt mondhatjuk, hogy a vezetőt és a páncélzatot kivéve minden egyéb szerkezeti rész készülhet műanyagból. A masszával telített papírszigetelés helyett megfelelő vastagságú műanyag-szigetelés felvitele számos előnnyel járt. A gyártás egyszerűbb lett, mivel a bonyolult papírtekercselési és masszatelítési művelet helyett egyetlen művelettel, ún. extrudálással (melegen történő rápréseléssel) lehet felvinni a műanyagot a vezetőre. A szigetelés anyaga PVC, PE és térhálósított polietilén (THPE, XLPE). A műanyag köpeny vízzáró és megfelelő szilárdságú így ellátja az ólom ill. alumínium köpeny feladatát. A vegyileg ellenálló, nehezen éghető, önkioltású PVC bázisú műanyagok nagy húzó- és kopásállóságúak, így a külső burkolat feladatára, beleértve a páncélozás korrózióvédelmét is, kiválóan alkalmasak. A köpenyszerkezetre vonatkozó alapvető követelmény a hossz- és keresztirányú vízzárás. A fenti szempontokat pontosabban megfogalmazni a következők szerint lehet: a) A köpenyszerkezet megfelelő kialakításával a víz behatolását meg kell akadályozni (radiális vízzárás); b) ha a víz mégis a kábelbe kerül, annak hosszirányú tovaterjedését rövid szakaszon blokkolni kell (axiális vízzárás). A kábeltípusok egy részét koncentrikus vezetővel gyártják, amelynek feladata a földelő védő- vagy nullavezetőnkénti alkalmazás. Az érintésvédelmet is szolgáló vezető anyaga réz, amely rézhuzalokat ellenspirálban tekercselt rézszalag köti le. Gyártottak négy eres csökkentett nullavezetőjű kábelt is. A középfeszültségű kábelek egy- és háromvezetős kivitelben is készülnek.
A növekvő villamosenergia-szükségletek valamint a nemzetközi kooperációs hálózatok összekötése, bővítése következtében szükségessé vált a tenger alatti kábelek alkalmazása, melyek több száz km-es távolságokra juttatják el a villamos energiát. A villamos energia átvitele egyenáramon történik. Ezen kábelek általában egyetlen vezető eret tartalmaznak, a visszavezetés a tengervíz. Érdekességképpen egy 250 km hosszú balti-tengeri kábelvonal adatai: 450 kV, 1333 A, 600 MW.
II/8. A kábel helyettesítő vázlata, induktív reaktanciájának számítása. A kábelt ugyanazokkal a villamos elemekkel jellemezhetjük, mint a szabadvezetéket: soros ellenállás és induktív reaktancia, valamint söntellenállás és kapacitív reaktancia.
Különbségek a szabadvezetékhez képest: - a kábeleknél az egyes fázisvezetők igen közel vannak egymáshoz, és nem teljesül a D»r egyenlőtlenség, - a kábeleknél sokszor a vezető nem kör, hanem szektor keresztmetszetű, - a fázisvezetőt rendszerint fémköpeny, fémárnyékolás veszi körül. Ez a villamos és a mágneses tér kialakulását jelentősen befolyásolja, - a szigetelőanyag nem levegő, ezért ԑr> 1, és a szilárd vagy folyékony szigetelőanyagokban dielektromos veszteségek is keletkeznek. Miután a fázisvezetők egymáshoz közel vannak, keresztmetszetük kör vagy szektor alakú, a villamos tér hatására a töltéseloszlás a vezetők felületén nem egyenletes. Ugyanígy az árameloszlás sem egyenletes a vezetők keresztmetszetében. Ez nemcsak a vezetők saját mágneses tere miatt van így, hanem a közeli vezetők mágneses tere miatt is. Ezen okok következtében a kábelek villamos jellemzőinek 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. Minthogy a kábelek vezető anyaga kizárólag tiszta lágy réz, vagy lágy alumínium, amelynek ellenállása 1,5...2%-kal kisebb a szabadvezetékhez használatos keményre húzott anyagénál, így egyenárammal mért ellenállása is kisebb, mint az azonos keresztmetszetű szabadvezetéké. Nagy vezető-keresztmetszetek esetében a váltakozó áramú ellenállás a szkinhatás és a közelségi hatás miatt nagyobb, mint az egyenáramú. Háromerű kábelek reaktanciáit ugyanúgy lehet kiszámítani, mint a szabadvezetékét:
háromerű kábelnél GMD=D négyerű kábelnél GMD=1,12D egyenértékű sugár GMR≈0,39d, ahol „d” a vezető sugara
II/9. A kábel helyettesítő vázlata, soros és sönt ellenállásának számítása. A kábelt ugyanazokkal a villamos elemekkel jellemezhetjük, mint a szabadvezetéket: soros ellenállás és induktív reaktancia, valamint söntellenállás és kapacitív reaktancia.
Különbségek a szabadvezetékhez képest: - a kábeleknél az egyes fázisvezetők igen közel vannak egymáshoz, és nem teljesül a D»r egyenlőtlenség, - a kábeleknél sokszor a vezető nem kör, hanem szektor keresztmetszetű, - a fázisvezetőt rendszerint fémköpeny, fémárnyékolás veszi körül. Ez a villamos és a mágneses tér kialakulását jelentősen befolyásolja, - a szigetelőanyag nem levegő, ezért ԑr> 1, és a szilárd vagy folyékony szigetelőanyagokban dielektromos veszteségek is keletkeznek. Miután a fázisvezetők egymáshoz közel vannak, keresztmetszetük kör vagy szektor alakú, a villamos tér hatására a töltéseloszlás a vezetők felületén nem egyenletes. Ugyanígy az árameloszlás sem egyenletes a vezetők keresztmetszetében. Ez nemcsak a vezetők saját mágneses tere miatt van így, hanem a közeli vezetők mágneses tere miatt is. Ezen okok következtében a kábelek villamos jellemzőinek 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. Minthogy a kábelek vezető anyaga kizárólag tiszta lágy réz, vagy lágy alumínium, amelynek ellenállása 1,5...2%-kal kisebb a szabadvezetékhez használatos keményre húzott anyagénál, így egyenárammal mért ellenállása is kisebb, mint az azonos keresztmetszetű szabadvezetéké. Nagy vezető-keresztmetszetek esetében a váltakozó áramú ellenállás a szkinhatás és a közelségi hatás miatt nagyobb, mint az egyenáramú.
A közelségi hatás az a jelenség, hogy a többi fázisvezető áramának mágneses tere az ellenállást növelő áramkiszorítási hatást hoz létre. (a számítások során rendszerint elhanyagolható <2%) A soros ellenállás tárgyalásakor ki kell térnünk a kábelköpeny, ill. árnyékolás veszteségeinek figyelembevételére is. Az egyszerű kábel teljes ellenállása:
R – az árnyékolás nélküli kábelér váltakozó áramú ellenállása ∆R – a köpenyáramok veszteségeit kifejező járulékos ellenállás Rk – a kábelköpeny kilóméterenkénti ellenállása K – a köpeny falvastagsága (cm) A – anyagállandó (ólom=0,8; alumínium köpeny=0,1) XK – a köpeny reaktanciája f – frekvencia GMRK – a köpeny geometriai mértékű sugara Párhuzamos ellenállás, a szigetelésben fellépő veszteségek: A kábel szigetelésében háromféle veszteség lép fel: - szivárgási veszteség: azért lép fel, mert minden szigetelésnek véges nagyságú az ellenállása és így rajta keresztül áram szivárog a különböző potenciálú fémrészek között.
-
-
dielektromos veszteség: A dielektromos veszteség annak következtében lép fel, hogy a váltakozó feszültség hatására a szigetelőanyag részecskéi periodikusan átpolározódnak, és ez a mágneses hiszterézishez hasonlóan veszteséget okoz.
ionozási veszteség: Az ionozási veszteség nem a szigetelő közeg természetéből következik, hanem a szigetelés elkészítésének tökéletlenségeiből ered, és így jelentéktelen értékűre is csökkenthető. Az ionozási veszteség a lég-, ill. a gáz zárványokban keletkező ionozás következménye.
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 elvesző energia azonban üzemi szempontból jelentéktelen, csak a szigetelés állapotát jelzi. II/10. A kábel helyettesítő vázlata, induktív reaktanciájának számítása. A kábelt ugyanazokkal a villamos elemekkel jellemezhetjük, mint a szabadvezetéket: soros ellenállás és induktív reaktancia, valamint söntellenállás és kapacitív reaktancia.
A kábelek kapacitását számítással, vagy méréssel határozhatjuk meg. A kábelek nagy kapacitásuk miatt jelentős tö1toáramot is felvesznek, amely a terhelő áram fazorjához hozzáadódva javítja az eredő fázistényezőt és csökkenti a veszteséget.
Egyvezetős, érköpenyes kábelnél:
A kábelek kapacitív reaktanciájának számításokban használt összefüggése:
Többvezetős kábelnél célszerű méréssel meghatározni. II/11. Árnyékolt ill. köpenyes kábel köpenyáramok okozta hatásainak figyelembe vétele az egyfázisú helyettesítő vázlatban. A soros ellenállás tárgyalásakor ki kell térnünk a kábelköpeny, ill. árnyékolás veszteségeinek figyelembevételére is. Az egyszerű kábel teljes ellenállása:
R – az árnyékolás nélküli kábelér váltakozó áramú ellenállása ∆R – a köpenyáramok veszteségeit kifejező járulékos ellenállás Rk – a kábelköpeny kilóméterenkénti ellenállása K – a köpeny falvastagsága (cm) A – anyagállandó (ólom=0,8; alumínium köpeny=0,1) XK – a köpeny reaktanciája f – frekvencia GMRK – a köpeny geometriai mértékű sugara II/12. Kapcsolókészülékek és feladatuk, a villamos ív és oltása. A villamosenergia-ellátás biztosításához, a villamosenergia-rendszer kialakításához a főbb hálózati elemeket (generátor, transzformátor, távvezeték) a valóságban egymással össze kell kapcsolni. Továbbá a folyamatos üzemvitelhez a villamos jellemzők mérését, a hiba- és készülék állásjelzést, a készülék működtetést biztosítani szükséges, és tartós hiba esetén pedig a hibás fázist, ill. hálózatrészt az ép részektől le kell választani. Ezt az összetett feladatot látják el a kapcsolóberendezések. Kapcsolóberendezésnek nevezzük tehát azt a berendezést, amely a villamos energiát termelő, ill. átalakító berendezések és a villamos energiát szállító, elosztó vezetékek között megváltoztatható kapcsolatokat hoz létre, valamint, amely a villamos jellemzők mérését, érzékelését, a kapcsolókészülékek működtetését lehetővé teszi . A kapcsolóberendezések - rendeltetésüknek megfeleloen - az energiapályák találkozási,elágazási pontjaiban, az ún. csomópontokban létesülnek. A csomópontok - a mi értelmezésünk szerint - a rendszer olyan csatlakozási pontjai, amelyekben két, vagy több hálózati elem találkozik. A kapcsolóberendezéseket magukban foglaló létesítmény lehet kapcsolóállomás, vagy transzformátorállomás. A kapcsolóállomás két, vagy több vezeték összekapcsolására és a villamos energia elosztására szolgál, anélkül, hogy a villamos energia feszültségét, áramát, periódusszámát megváltoztatná.
A transzformátorállomás a váltakozó áramú villamos energiát nagyobb-, vagy kisebb feszültségűre változtatja. Az alállomás a villamosenergia-rendszer olyan létesítménye, amelyben transzformátor- és kapcsolóállomás is szerepel. A különféle rendeltetésű, és fajtájú kapcsolóberendezések (állomások) a következő csoportosítás szerint oszthatók fel: - feszültség szerint lehetnek: • nagyfeszültségű (Un:;:::120 kV); • középfeszültségű (Un=I-40,5 kV); • kisfeszültségű (Un
4000 K, de gyakran elérheti a 10000 - 20000 K-ot is. Az ív keletkezésének és fennmaradásának feltétele: · izzó katódfolt, termikus emisszió létrejötte · nagy ívhőmérséklet - ez biztosítja a hőionizációt ill. a termikus disszociációt · az érintkezők közti feszültségkülönbség hatására létrejövő nagy villamos térerősség, aminek hatására létrejön az ütközéses ionizáció. Egyenáramú ív és oltása: Ha az egyenáramú körben létrehozott ív áramát fokozatosan növeljük, akkor azt tapasztaljuk, hogy az áram növekedésével az ívfeszültség csökken.
Az ív hosszának növelésével a feszültség értéke nagyobb lesz. A jelleggörbék nyugalomban lévő, levegőben égő, hengeres alakú ívekre érvényes. A jelleggörbéről leolvasható, hogy növekvő áramerősséghez egyre kisebb feszültség tartozik. A villamos ív tehát olyan áramköri elem, melynek ellenállása a rajta átfolyó áramerősség nagyságával közel fordítottan arányos. Az ív megszakítása: Az áramkört megszakító kapcsoló nyitásakor az érintkezők között villamos ív jön létre és uiv feszültség mérhető. A kapcsoló nyitása előtti állandósult állapotban a kör állandó áramát az áramkör ohmos ellenállása határozza meg: i0=Ut/R, miután az induktivitáson i0=állandó miatt nem keletkezik feszültség.
A kapcsoló nyitását követően:
A kapcsoló nyitását követően kialakuló állandósult állapotban uL=0, UT=Ri+uív → uív=UT-Ri
Az ív kialvásának feltétele: (UT-Ri)
Hatásos terhelés esetén (cosj=1) az áram a feszültséggel fázisban van. A villamos ív akkor jön létre, amikor az UT feszültség eléri és nagyobb lesz az Ugy gyújtási feszültség értékénél. A létrejövő íváram követi az UT változását egészen addig, amíg az Uk kialvási feszültség értékre, ill. az alá csökken. Ekkor az ív kialszik és csak néhány ezredmásodperc idő eltelte után gyullad újra. A váltakozó áramú ív minden periódusban kétszer kialszik, és ismét újragyullad. A váltakozó áramú ívet tehát nem kell eloltani, hanem csak újragyulladását kell megakadályozni. Tiszta meddő terhelés esetén (cosj=0) jóval kedvezőtlenebbek a viszonyok. Az ív áramának nulla átmenetekor mindig rendelkezésre áll az Ugy feszültség, ami az ívet azonnal újragyújtja. Gyakorlatban azonban az áramkör hatásos, kapacitív és induktív ellenállásai miatt az ív áramának mindig van egy kisebb fáziseltolása, ami néhány mikromásodperc nagyságrendű ívmentes állapotot eredményez. Korszerű megszakítókban ilyenkor a hatékony ívoltó tényezők hatására megszűnik a villamos ív. Ívoltási módszerek: Egyenáramú ív: ívfeszültség növelése, ív nyújtásával, hűtésével, darabolásával Váltóáramú ív: - Az érintkezők széthúzása. Növekvő ívhosszal együtt egyre nagyobb ívfeszültségre van szükség. - Az érintkezők hűtése. A hűtés hatására csökken termikus emisszió. - Az ív oszlopának hűtése. Ezzel erélyesen megakadályozzuk az ívoszlopban a hőionizációt. Ez pedig a töltéshordozók keletkezésének és megmaradásának feltételét zárja ki. - Az ívoszlopban lévő töltéshordozók eltávolítása. Az ív útjának kiöblítése, deionizációja. - Az ív nyújtása. Az érintkezők széthúzásán túlmenően az ívoltó szerkezetekben (ívoltó kamrákban) a különböző fizikai erőhatásokra (pl. mágneses ívfúvás) az ív hossza ténylegesen megnő. - Az ív részekre való bontása (darabolása). Az ív feszültségeinek ismeretében tudjuk, hogy az ív feszültségesése gyakorlatilag csak az ívoszlopban követi Ohm törvényét, de a legnagyobb feszültségesés a katódnál jön létre. Ha az ívet daraboljuk, megnöveljük a katód és anódesések számát, ezzel jelentősen megnöveljük az ív fenntartásához szükséges feszültséget. Ívoltó közegek: - Szilárd anyagok: - szemcsés anyagok (kvarchomok) - szigetelőanyag fal - gázfejlesztő anyagok (aminoplaszt) - Folyadékok: - olaj - Gáznemű anyagok: - légköri nyomású levegő (kisfeszültségen) - nagynyomású levegő - vákuum (kis- és középfeszültségen) - SF6 (nagyfeszültség)
II/13. Olvadóbiztosíték felépítése, működése, karakterisztikái. Feladata: A vezetékek, villamos motorok és más berendezés védelme a túláramok és a zárlati áramok káros hatása ellen. A védelem módja az erre a célra méretezett alkatrész kiolvadása alapján az áramkör megszakítása, ha abban az áram egy előre meghatározott értéket elegendő ideig túllép. Osztályozás: - Névleges feszültség szerint:
-
- középfeszültségű olvadóbiztosíték - kisfeszültségű olvadóbiztosíték Kiolvadási idő-áram jelleggörbe szerint: - igen gyors (ultra gyors) működésűek - gyors (hirtelen) működésűek - normál működésűek - késleltetett (lomha) működésűek - kombinált (lomha-gyors) működésűek
Részei: - olvadószál: általában kör keresztmetszetű vagy megfelelően kialakított fémszalag. Általában réz, esetleg ezüst. - burkolat: az olvadószálat körülvevő szigetelőanyag. Védi az olvadószálat, az ívoltó közeget tárolja, zárt terével biztosítja az ívoltáshoz szükséges nyomás kialakulását. - érintkezők: feladata, hogy az olvadószál jó és biztos érintkezéssel csatlakozzon az aljzat megfelelő áramvezető részeihez. - aljzat: szilárd szigetelőanyagból készül, melyen megfelelően kialakított fém csatlakozó szegélyek vannak. Villamos jellemzői: - névleges feszültség (az a legnagyobb üzemi fezsültség, amin a biztosítót használni lehet) - névleges szigetelési szilárdság - névleges áram (az az áramerősség, amellyel a biztosító kiolvadás nélkül tartósan terhelhető) - névleges megszakítóképesség (az a legnagyobb áram, amit üzemszerűen meg tud szakítani) - jelleggörbe
II/14. Megszakítók fajtái, felépítésük, működésük. A megszakító olyan mechanikus kapcsolókészülék, amely alkalmas rendeltetésszerű áramköri viszonyok mellett áramok bekapcsolására, vezetésére és megszakítására, továbbá megadott rendellenes áramköri viszonyok, mint például a zárlatok esetén az áramok bekapcsolására, meghatározott ideig való vezetésére és megszakítására. -
kisfeszültségű: - áramút: tartalmazza a csatlakozó kapcsokat, az érintkezőket, és ha szükséges az ívfúzó tekercsek meneteit. - oltókamra: amelyben az érintkezők nyitásakor fellépő ív keletkezik és kialszik - működtető mechanizmus: a főtengelyből, az érintkezők mozgatását végző szerkezetből, az erőtároló-, záró- és hajtószerkezetből áll. - kioldó: a megszakító automatikus működését vezérli
-
-
segédérintkezők: nyitott v. zárt állapota a főérintkezők állapotától függ, segítségükkel jelzés adható a megszakító kapcsolási állapotáról, más készülékek számára villamos retesz feltételt biztosíthatnak - vázszerkezet: melyre a megszakítót és a szerkezeti elemeket felszerelik nagyfeszültségű: - 1kV-72,5 kV-i középfeszültségű - 72,5 kV-nál nagyobb, nagyfeszültségű - kis olajterű: már nem gyártják, de még sok van belőle - vákuum megszakítók: érintkezőit 10-5-10-6 Pa nyomású vákuum oltókamrában helyezik el (nagy élettartam)
-
SF6 gázos: nagy zárlati áramhoz
II/15. Kismegszakító karakterisztikái. A kisfeszültségű megszakítók speciális fajtája. Főleg kisfeszültségű hálózatok egyedi leágazásaiban lévő vezetékek vagy készülékek zárlat- és túláram-védelmére szolgál. Szabványos névleges árama 4A-63A. A kismegszakítók védelmi karakterisztikái (kioldási idő-áram) abban különböznek, hogy gyorskioldójuk a névleges áram hányszorosánál old ki. „A” félvezetővédő (2In-3In), „B” vezetékvédő (3In-5In), „C” készülékvédő (5In-10In), „D” berendezésvédő (10In-14In) karakterisztikát jelent.
II/16. Szakaszoló, szakaszolókapcsoló, felépítése, feladata. A szakaszoló olyan mechanikus kapcsolókészülék, amely nyitott helyzetében megfelel a szigetelési, leválasztási funkcióra előírt követelményeknek. Teljesítményt nem tud kapcsolni, nyitott állapotban leválaszt, zárt állapotban kijelöli az áram utat. Fő villamos jellemzői: - Legnagyobb névleges feszültség (Un): az a feszültség, amely a szakaszoló szigetelési szintjét határozza meg - Névleges áramerősség (In): az az állandó áram, amelyre a szakaszoló áramútját melegedési szempontból méretezték (200-6300A) - Rövididejű határáram (Ith): az az áramérték amelyet a kapcsoló rövid ideig – általában 1s-ig – károsodás nélkül vezetni képes
-
Határáram csúcs (Idh): a megengedhető legnagyobb áramcsúcs, amelyet a készülék mechanikai károsodás nélkül elvisel
A szakaszolókapcsoló (terhelésszakaszoló) szerkezeti szempontból abban különbözik a szakaszolótól, hogy a névleges áramok ki és bekapcsolására ívoltó berendezéssel van ellátva. A névleges áramot ki és be tudja kapcsolni és elviseli a zárlatos áramkör bekapcsolását is. Azonban a zárlati áram megszakításáról más készüléknek kell gondoskodni (pl. olvadóbiztosíték). Speciális szakaszolókapcsoló az oszlopkapcsoló.
II/17. Kontaktor, ill. motorvédő kapcsoló, felépítése, feladata. A kontaktor olyan kapcsolókészülék, amelynek csak egyetlen nyugalmi állapota van, mindig gépi működtetésű, a működés megszűnte után a tárolt energia téríti vissza. A működtetést elektromágnessel( mágneskapcsoló) vagy pneumatikus motorral valósítják meg. A kontaktorok a főérintkezőiken kívül el vannak látva segédérintkezőkkel is. Főleg automatizált, távvezérelt erősáramú fogyasztók működtetéséhez használják.
Motorvédő kapcsoló: alkalmas: -
a motor indítási áramának bekapcsolására névleges áramának üzembiztos átvezetésére zárt állapotban – véges ideig – a rajta átfolyó zárlati áram átvezetésére a motor káros túlterhelése (túlmelegedése) esetén az önműködő kikapcsolásra megfeleő számú segédérintkezővel érintésvédelmi-, reteszelési feladatok megoldására, különféle jelzések adására
II/18. Túlfeszültség-védelmi eszközök fajtái, felépítésük, feladatuk. Feladata: A túlfeszültséget előidéző töltések levezetése a földbe oly módon, hogy közben a túlfeszültség értékét korlátozzák, így a maradékfeszültség az általuk védett berendezések szigetelését már nem veszélyeztetik. Normál üzemi feszültségnél szigetelőként viselkedi, túlfeszültségnél vezetővé válik.
A túlfeszültség-korlátozó főbb villamos jellemzője: - Névleges feszültség (kV): azon 50Hz-es feszültség effektív értéke, amelyre a készülék készül. Ennél a feszültségnél a készülék szigetelőként viselkedik. - Lökőmegszólalási feszültség (kV): az a lökőfeszültség érték, amelyre a készülék a túlfeszültséget korlátozza - 50Hz-e megszólalási feszültség: azon 50Hz-es váltakozó feszültség csúcsértéke. amelynél nagyobb feszültség esetén a túlfeszültség-korlátozónak meg kell szólalnia. - Maradékfeszültség (kV): a levezetés során, a túlfeszültség-korlátozó sarkain uralkodó feszültség csúcsértéke. - Névleges levezetőáram (kA): az az áram, amelynél a túlfesz-korlátozó kapcsaina névleges maradékfeszültség uralkodik. - Maradékáram (A): A túlfesz-korlátozón a töltések levezetése után folyó, 50Hz frekvenciájú kis szivárgó áram. Oltócső: kisebb az oltóképessége, egyszerűbb, olcsóbb
Másodlagos túlfeszültség védelem: a betáplálásnál egy túlfesz –levezetőt helyeznek el, a berendezés előtt pedig egy cink-oxid varisztort. (Hálózati feszültségnél ~1MΩ, túlfeszültségnél ~2mΩ)
II/19. Egyszeres és kettős gyűjtősínrendszerek kialakítása.
Egyszeres: kis helyigényű, jól áttekinthető, olcsó,egyszerű kezelés, karbantartáskor az egész állomást feszmentesíteni kell. Egyszeres osztott: ua. csak nem kell az egészet feszmentesíteni (sínbontó szakaszoló) Kettős: két egyenrangú gyűjtősínből áll
II/20. Poligon, módosított poligon, és másfélmegszakítós gyűjtősín-rendszerek kapcsolási képe.
Az egyes leágazások között gyűjtősín nélkül hoz létre kapcsolatot. Leágazásonként 2 megszakító kell, a karbantartás nehézkes, a trafók megszakító nélkül kapcsolódnak a sínekre, ezért azok javításánál az érintett síneket teljesen feszmentesek lesznek.
A neve abból ered, hogy két leágazáshoz 3 megszakító szükséges. Bővíthetőbb, nagy üzemviteli rugalmasság
II/21. Jellegzetes leágazások kapcsolási képe az egyes készülékek megnevezésével.
II/22. Blokk-kapcsolású erőművek villamos kapcsolási képe, háziüzem, tartalék transzformátor. A nemzetközi vagy országos alaphálózatba közvetlenül betápláló nagyerőművek jellegzetes kapcsolási képe az ún. egység-, vagy blokk kapcsolás. Lényege, hogy a generátor megszakító nélkül kapcsolódik a fő transzformátorhoz (FT), valamint a generátor kapcsairól ugyancsak közvetlenül leágaztatott segédüzemi blokktranszformátoron (ST) táplálja saját segédüzemét. A segédüzem tartalékellátását a segédüzemi tartaléktranszformátorok (STT) látják el, amelyek egyike állandóan feszültség alatt tartja a közös segédüzemi gyűjtősínt.
II/23. Generátorfeszültségű gyűjtősínes erőmű kapcsolási képe. A generátorok közvetlen a gyűjtősínre kapcsolódnak. Az ipati és a városi erőművek jellegzetes kapcsolása.
II/24. Transzformátorállomások villamos kapcsolási képe. Az alaphálózati transzformátorállomások mindig egy üzemi és egy tartalék transzformátorral létesülnek és szabadtéri kivitelűek.
II/25. Egyszerűsített főelosztóhálózati transzformátorállomások kapcsolási képe.
