A szabadvezetekes es a kabeles halózat ósszehasónlítasa
Tartalom Absztrakt.................................................................................................................................................. 3 1.
2.
3.
A szabadvezetékes hálózat kialakítása ............................................................................................ 3 1.1.
Nagyfeszültség......................................................................................................................... 5
1.2.
Középfeszültség ....................................................................................................................... 5
1.3.
Kisfeszültség ............................................................................................................................ 5
A kábeles hálózat kialakítása ........................................................................................................... 6 2.1.
Nagyfeszültség......................................................................................................................... 6
2.2.
Középfeszültség ....................................................................................................................... 6
A hálózatok hőmérsékleti jellemzői ................................................................................................ 7 3.1.
Stacionárius állapot ................................................................................................................. 7
3.1.1. 4.
Kábeles hálózat [7] .......................................................................................................... 7
A hálózatok elektromágneses jellemzői ........................................................................................ 10 4.1.
Stacionárius állapot ............................................................................................................... 10
4.1.1.
Szabadvezetékes hálózat [5], [8] ................................................................................... 10
4.1.2.
Kábeles hálózat [4] ........................................................................................................ 18
4.2.
Tranziens állapot ................................................................................................................... 22
4.2.1.
Szabadvezetékes hálózat [5] ......................................................................................... 22
5.
A villámcsapás hatása a szabadvezetékes hálózatra ..................................................................... 25
6.
A távvezetékes kialakítású hálózat okozta zajterhelés [9] ............................................................ 27
7. A szabadvezetékes hálózat levegőből történő megközelíthetősége drónnal történő diagnosztika céljából .................................................................................................................................................. 29 Összefoglalás ......................................................................................................................................... 36 Források ................................................................................................................................................. 37
Absztrakt A hazai elosztóhálózaton alkalmazott feszültségszintek és az ezeken alkalmazott kialakítások a következők:
120 kV: nagyfeszültségű elosztóhálózat, hurkolt kialakítás, hurkolt üzemeltetés, szabadvezetékes és kábeles létesítési mód, közvetlen földelés 35 kV: középfeszültségű elosztóhálózat, íves kialakítás, sugaras üzemeltetés, szabadvezetékes és kábeles létesítési mód 20 kV: középfeszültségű elosztóhálózat, íves kialakítás, sugaras üzemeltetés, szabadvezetékes és kábeles építési mód, kompenzált hálózat 10 kV: középfeszültségű elosztóhálózat, íves kialakítás, sugaras üzemeltetés, kizárólag kábeles építési mód, impedancián keresztüli földelés 0,4 kV: kisfeszültségű kommunális hálózat, íves vagy sugaras kialakítás, sugaras üzemeltetés, szabadvezetékes vagy kábeles építési mód, közvetlen földelés
Látható, hogy a – belvárosi környezetben alkalmazott – 10 kV-os feszültségszint kivételével minden feszültségszinten előfordul mind kábeles, mind szabadvezetékes kialakítás. A környezettudatosság mind nagyobb arányú terjedésével egyre inkább erősödik az a szemléletmód, miszerint a szabadvezetékes építési mód a múlté, az újonnan létesített vagy rekonstrukción átesett vonalakat kábelesen kell kialakítani. Azonban a kábeles hálózatnak is vannak hátrányos környezetvédelmi hatásai, melyeket ez a tanulmány tárgyal.
1. A szabadvezetékes hálózat kialakítása A szabadvezetékes hálózat bármely feszültségszinten alkalmazható. A villamos energia továbbítására használt szabadvezetékek közös jellemzője, hogy a táppont és a fogyasztó közötti nyomvonalat a távvezeték oszlopai jelölik ki. Egy oszlopsoron akár két rendszer is vihető. A nagyfeszültségű, átviteli hálózati oszlopokra nem fűzhető fel más feszültségszint, viszont a kis- és középfeszültségű hálózat indokolt esetben vihető közös oszlopsoron. Mivel az oszlopokon lévő távvezetéken emberi életre potenciálisan veszélyes feszültség mérhető, az oszlopokat földelni kell. Feszültségszinttől, zárlati áramtól illetve a talajviszonyoktól függően a földelés lehet egy talajszinttől 0,5 m mélyre süllyesztett földelőkeret, melyhez az oszlop lábait galvanikusan csatolják. Az oszlopok földelési ellenállása nem lehet több, mint 10 Ω. Zárlati áramok, illetve villámáramok földbe vezetése esetén ekkor nem alakul ki veszélyes potenciálemelkedés. A földelés megtervezésekor szintén figyelembe kell venni a kialakuló érintési és lépésfeszültségekre vonatkozó IEEE Std.80[11] szabvány rendelkezéseit. A közvilágítási hálózatot ellátó kisfeszültségű oszlopok esetén nem szükséges az összes oszlop földelése, elegendő 250–300 méterenként földelést kiépíteni. Az oszlopok építésmód szempontjából lehetnek feszítő- vagy tartóoszlopok. Feszítőoszlopra többek között azokon a helyeken van szükség, ahol a vezeték irányt vált, vagy egy T leágazással leágazik. A feszítőoszlopok alacsonyabbak és masszívabbak, mint a tartóoszlopok. A feszítőoszlopon a szigetelők nem függőlegesek, hanem a fázisvezető sodronyait feszítik. Távvezetékek oszlopra való felfűzése esetén szükség van szigetelőláncokra is. Ezek feladata kettős. Egyrészt meg kell akadályozniuk, hogy az oszlop és a fázisvezetők közötti feszültség hatására átütés
jöjjön létre a két elem között. A szigetelők ezért hosszúak, másrészt nem egyenletes körvonalúak, hanem úgy lettek kialakítva, hogy a két, általuk összekötött, egymástól villamosan szigetelni kívánt pont között az ívnek minél hosszabb utat kelljen megtennie, így a kezdődő koronakisülések ne érjenek át a szigetelőlánc két vége között. A szigetelők további feladata a sodronyok tartása. Megkülönböztetünk tartó- és feszítőszigetelőket. Egy szigetelőláncot a hosszával, anyagával, átütési feszültségével és szakítóerejével lehet jellemezni. A szigetelők anyaga lehet porcelán, üveg vagy műanyag. A porcelánszigetelők ma már elavultnak számítanak. A műanyag szigetelők könnyűek, egyszerűen szerelhetőek, ám a madarak hajlamosak bennük kárt okozni. A leggyakrabban alkalmazott szigetelőtípus az üvegszigetelő. A szabadvezetékek fázisvezetője általában acélmerevítésű alumíniumsodrony. A sodronyos kialakításra azért van szükség, mivel a sodronyt alakító vékonyabb szálak flexibilisebbek, így kisebb valószínűséggel alakul ki sérülés a fázisvezetőben. A sodronyos kialakítás miatt a huzalok szakítószilárdsága magasabb, mint az azonos, ám homogén keresztmetszetű huzaloké. Ekkor egy sodrott acélmagra sodorják fel az alumínium, illetve alumínium-ötvözet fázisvezetőket. Nagyobb keresztmetszetű fázisvezetők esetén az acélmerevítésre több rétegben lehetséges a sodronyok felvitele, ekkor azonban két szomszédos rétegnek ellentétes irányba kell forognia, hogy az induktív zavarvédelem megvalósuljon. Az 1. táblázat néhány jellemző keresztmetszet terhelhetőségét mutatja. 1. táblázat: néhány fázisvezető-keresztmetszet, és jellemző adataik[12]
1.1.
Nagyfeszültség
Nagyfeszültségen az oszlop csak felületkezelt vas elemekből készülhet. Az oszlopnak általában kettő vagy négy lába van. A Magyarországon a nagyfeszültségű átviteli hálózaton a legszélesebb körben alkalmazott tartóoszlop a kikötött portáloszlop. Ilyen típusú oszlopok tartják többek között a 750 kVos Zapad-Albertirsa távvezetéket is. Ennek az oszlopnak az építésmódjából adódik, hogy sérülékeny a környezeti hatásokra. Az oszlopot a többi nagyfeszültségű oszlophoz hasonlóan a telepítési helye mellett szerelték össze. Az oszlop alapozását az oszlop lábai alá épített függőleges betonalap képezi. A nagyfeszültségű oszlopokat az alapozás elkészülte és az oszlop összeszerelése után az alapozásra billentik vontatók és tartóbikák segítségével. A kikötött portáloszlopoknak két lába van, ezért egyszerűbb és gyorsabb őket felállítani, de ilyenkor szükség van arra, hogy az oszlop a távvezeték által meghatározott irányban mindkét oldalon két-két drótkötéllel ki legyen kötve. Mivel ez a távvezeték javarészt szántóföldeken halad, előfordult, hogy mezőgazdasági munkák gondatlan végzése miatt a kikötéshez használt drótköteleket elvágták, ami azonnali oszlopdőlést, így a teljes távvezeték kiesését okozta. Vasoszlopok esetén problémát okozhat, hogy a szögvas, illetve laposvas elemek az illesztési pontoknál össze vannak csavarozva. Mivel az oszlopok felületkezelése ilyenkor sérül, az esetlegesen meglazult összecsavarozási pontokon rozsdásodás indulhat meg. Ez a festék alatti réteg felhólyagosodásával jár, aminek következtében akár az elemeket összekötő csavar is elszakadhat. Nagyfeszültségen a különböző fázisok más talajszint feletti magasságban futnak. A távvezeték védelme érdekében az oszlop méretétől, illetve kialakításától függően védővezetőt is telepítenek. Ez a sodrony látja el a távvezeték villámvédelmét. Az átviteli hálózatot üzemeltető TSO-k a védővezetők sodronyába optikai kábelt integráltak, amely felhasználható saját belső hírközlésre, vagy bérbe adható a telekommunikációs cégeknek. Egy fázisban akár 2-4 sodrony is vihető, ekkor azonban kötegtávtartók beépítésével kell gondoskodni arról, hogy a sodronyok szeles időben ne érhessenek össze.
1.2.
Középfeszültség
Középfeszültségen vasoszlopokat, áttört gerincű betonoszlopokat vagy pörgetett betonoszlopokat alkalmaznak. Az ilyen oszlopok telepítése egyszerűbb. A középfeszültségű szabadvezetékes hálózaton nem alakítanak ki védővezetőt, így ezek a szabadvezetékek ki vannak téve villámcsapás veszélyének. Az áttört gerincű betonoszlopokkal kapcsolatos probléma, hogy télen az áttört gerincen lévő lyukakban megülő hóból a napközbeni magas terhelés miatt melegebb távvezeték, vagy a melegebb időjárás miatt kiolvadó víz beszivárog a beton pórusaiba, és éjszaka, kisebb terhelés és alacsonyabb, fagypont alatti hőmérséklet esetén megfagy. Szerencsétlen esetben az oszlopon repedések keletkezhetnek. A középfeszültségű vasoszlopok szintén ki vannak téve a rozsdásodás veszélyének is.
1.3.
Kisfeszültség
Kisfeszültségen áttört gerincű betonoszlopokat, vagy könnyített gyámmal megerősített faoszlopokat telepítenek. A könnyített gyám egy 3x0,3x0,15 m nagyságú betondarab, amelyet bizonyos mélységig a földbe süllyesztenek, és ehhez csavarozzák hozzá a faoszlopot átmenőcsavarok segítségével. Erre a megoldásra azért van szükség, mert a talajban lévő baktériumok, illetve a talaj esetlegesen savas kémhatása az oszlopot a tervezett élettartamának (30–50 év) letelte előtt annyira meggyengítik, hogy nem lesz képes ellátni a feladatát. A kisfeszültségen előforduló aszimmetria miatt szükség van nullavezetőre is, így a kisfeszültségű hálózat onnan ismerhető föl, hogy egy vonalon 4 vezeték fut. Mivel a kisfeszültségű fázisvezetők és a nullavezető szigetelő burkolattal ellátott, lehetőség van az adott kisfeszültségű vonal kötegelt felfűzésére is. Ekkor azonban megnőhet az induktív csatolással
keletkező zavarokra való érzékenység mind a három fázisban. A kisfeszültségű hálózat érintésvédelme a nullázás. Ez azt jelenti, hogy minden, üzemszerűen nem feszültség alatt álló berendezés földelt, és össze van kötve a nullavezetővel is.
2. A kábeles hálózat kialakítása Közép- és kisfeszültségen egyre több helyen kizárólag kábeles hálózatot létesítenek. A kábeles hálózat kialakításából adódóan nincs szükség oszlopokra, mivel a földben fut. Ennek számos előnye van. Kisebb például az áramütéssel járó balesetek valószínűsége, több lehetőség van épületek létesítésére, stb. A kábeles hálózat építése bonyolultabb, ezért drágább is, mint a szabadvezetékes hálózaté. Előnye a szabadvezetékes hálózattal szemben, hogy kevésbé érzékeny a környezeti hatásokra, mivel a talaj megvédi ezektől. Ebből fakadó hátrány, hogy a kábelek állapotának felmérése, a kábelhibák lokalizálása meglehetősen nehéz feladat. A kábelek állapotfelmérése történhet feszültségpróbával vagy diagnosztikával. Feszültségpróba esetén a kábelszigetelés méretezési feszültségéhez hasonló nagyságú feszültséghullámmal vizsgálják a kábelt. Sokszor előfordul azonban, hogy a kábel szigetelése pont ennek a feszültségpróbának a következtében megy tönkre. Látható, hogy a kábeles hálózat egyik legérzékenyebb eleme a szigetelés. Létezik olajos és műanyag szigetelés is. Műanyag szigetelés esetén különböző műgyantákat vagy polimereket alkalmaznak. Az induktív csatolásból eredő zavarok kivédésére a szigetelés külső oldalán árnyékolás szükséges. Továbbá a kábelt egy mechanikai sérülések ellen védelmet nyújtó burkolattal kell ellátni. Feszültségszinttől, illetve szigetelőanyagtól függően fázisonként lehet külön kábelt alkalmazni, vagy lehet mind a három fázist közös kábelben is vinni. Ekkor az árnyékolást is másképp kell méretezni. A kábeles hálózat további hátránya, hogy mivel függőleges irányban közelebb van a zérus sorrendű, földvisszavezetésben szerepet játszó áramok tengelyéhez, a kábeles hálózat kapacitása nagyobb, mint a szabadvezetékes hálózaté. A nagyobb kapacitásból eredő nagyobb zárlati áramokat kompenzálni kell, ezért a hálózatok kábelesítési tervei esetén meg kell vizsgálni, hogy szükséges-e a hálózat csillagpontkezelési módjától függően nagyobb névleges áramú fojtótekercs vagy Petersentekercs beépítése, illetve kompenzált hálózatok esetén szükség van-e decentralizált kompenzáló állomásokra is. Ezeknek az eszközöknek a cseréje tovább drágíthatja a kábelesítési programokat.
2.1.
Nagyfeszültség
Nagyfeszültségű kábeleket jórészt a 120 kV-os főelosztó-hálózaton alkalmaznak, mivel belvárosi környezetben nem megoldható a szabadvezetékes építésmód. A problémás diagnosztika és szerelhetőség miatt azonban a nagyfeszültségű hálózat javasolt építési módja a szabadvezetékes hálózat. Léteznek 220 kV-os kábelek is.
2.2.
Középfeszültség
A 10 kV-os hálózat kizárólag kábeles kialakítású. A rajta lévő közép- és kisfeszültségű (KÖF/KIF) állomások egymás után vannak felfűzve. Mivel felfűzött hálózat esetén leágazás csak háromlábú állomások beiktatásával lehetséges, a 10 kV-os kábeles hálózat nyomvonalának optimalizálása, hálózatfejlesztés esetén annak módosítása bonyolultabb. A 10 kV-os hálózat mereven földelt, az alállomásokba fojtótekercseket építenek be. Ezek nyelik el többek között a kábeles hálózat miatt megnövekedett meddőteljesítmény-termelést. A 20 kV-os hálózaton létezik mind szabadvezetékes, mind kábeles kialakítás is. A városokon belül törekednek az új hálózatok kábeles kialakítására, illetve a rekonstrukcióra szoruló hálózatok szabadvezetékről kábelbe vitelére, azonban a 20 kV-os hálózat
kompenzált, így a Petersen-tekercsek kihasználtságát is figyelembe kell venni, mivel kábelesítés esetén mind az üzemi, mind a zárlati kompenzáló áram értéke növekedni fog.
3. A hálózatok hőmérsékleti jellemzői A távvezetékek hűtését egyszerűbb megoldani, mivel a sodronyon az áramterhelés hatására disszipálódó – a villamos energiából veszteségként visszafordíthatatlanul hőenergia keletkezik – hőmennyiséget a levegő el tudja szállítani. A hűtőközeget, tehát ebben az esetben a levegőt keringtető berendezésre nincs szükség, mivel a hőmérsékletkülönbség hatására a felmelegített levegő helyére hidegebb levegő áramlik, így a távvezetéken keletkező hőmennyiség elszállítása megoldott. A földbe fektetett kábelek sokkal magasabb hőterhelésnek vannak kitéve, mivel az energiaszállítás veszteségei miatt keletkező hőmennyiség elszállítása bonyolultabb. Egyfelől a fázisvezetőt vastag, általában valamilyen műanyag szigetelés veszi körül. Ez megnehezíti a hő környezetbe történő leadását. Másfelől a kábel körül lévő különböző minőségű és szerkezetű talaj nem hozható mozgásba a hőmérsékletkülönbség által, így a felesleges hőmennyiség elszállítása csak hővezetés útján lehetséges, ami a talaj esetében kevésbé jó hatásfokú, mint az áramoltatott hűtőközeggel történő hűtés.
3.1.
Stacionárius állapot
3.1.1. Kábeles hálózat [7] A kábeles hálózatok hőtechnikai tervezésénél a kábeleken fejlődő hő elszállításán túl további nehézséget okoz , hogy magasabb hőmérsékleten fokozódik a kábelek szigeteléseinek öregedése. Veszítenek szigetelőképességükből, mechanikai szilárdságukból és rugalmasságukból is. A szigetelések öregedéséből adódó anyagjellemzők romlása kábelhibákhoz vezethet, amelyek lokalizálása bonyolult feladat. A talaj savas kémhatása erodálhatja a kábelek árnyékolását, fém külső pajzsát . Olajszigetelésű kábelek esetén a kábelhibáknál olajszivárgás figyelhető meg, melynek pótlása egyrészt folyamatos többletköltséget okoz, másrészt a folyamatosan talajba szivárgó olaj környezeti hatása is káros. Talajba fektetett kábel esetén háromféle hibaáramról beszélhetünk. Ezek a következők:
Kapacitív áram: a kábelek kapacitása nagyobb, mint a szabadvezetékes hálózatoké. Ez részben azért fordulhat elő, mert a kábelek szigetelésének dielektromos állandója nagyobb, mint a levegőé. A megnövekedett kapacitás másik oka , hogy a kábel hossztengelye közelebb van a zérus sorrendű áramok tengelyéhez, mint a szabadvezetékes hálózaté. Dielektromos abszorpciós áram: ez a fajta hibaáram a polarizáció miatt figyelhető meg. A feszültség alá helyezett fázisvezető és a földpotenciálon lévő talaj egy hengeres kondenzátor két fegyverzeteként viselkedik, ráadásul a két fegyverzet közötti tér nagy dielektromos állandójú szigetelőanyaggal van kitöltve, így a koncentrált paraméterű kondenzátor kapacitása nagy lesz. Mivel a fázisvezető feszültsége szintén nagy, ezért nagy töltésmennyiség fog felhalmozódni a kondenzátor fegyverzetein. A töltésmegosztás miatt a dielektrikumban az elektromos dipólusok polarizálódnak. Ennek a rendezett állapotnak az elérése nagy amplitúdójú árammal jár.
Rezisztív szivárgási áram: mivel nem létezik tökéletes szigetelőanyag, valamekkora áram keresztül fog folyni a kábel szigetelésén, mivel a fázisvezető és a talaj között nagy feszültség mérhető.
1. ábra: a kábelen folyó hibaáramok időfüggvénye [7]
Az 1. ábrán láthatók a kábelen folyó hibaáramok időfüggvényei. Látható, hogy jó állapotú szigetelés esetén a kapacitív áram (Ic) és az abszorpciós áram (Ida) értéke nagy, viszont a kábel feszültség alá helyezésétől számított néhány másodpercen belül elhanyagolható mértékűre csökken. A rezisztív szivárgási áram (Ir) értéke a bekapcsolástól számított két másodpercig zérus, utána egy gyorsabb felfutást követően egy konstans értéken stabilizálódik. Normál üzemállapotban a kábelen megfigyelhető hibaáramok eredője tulajdonképpen a szivárgási árammal egyenértékű. A szivárgási áram szintén hőterhelést jelent a szigetelésre, így tovább gyorsítja az öregedését. A kábelek hátralévő élettartamának elméleti módszerrel történő meghatározására alkalmazott egyik módszer az Arrhenius-modell. 𝛷
𝑡 = 𝐴 ∗ 𝑒 𝑘𝑇 Ahol t a T hőmérsékleten várható élettartam, A egy tapasztalati úton meghatározandó konstans, 𝛷 az aktiválási energia, k a Boltzmann-állandó (2x10-3 kcal/Kelvin/mol). Az egyenlet természetes alapú logaritmusát véve: 𝑙𝑛(𝑡) = 𝑙𝑛(𝐴) +
𝛷 103 ∗ 2 𝑇
Egyenletrendszerré alakítva, majd ezt megoldva a következő összefüggés állítható fel a forszírozott öregedéssel meghatározható élettartam kiszámításához: 𝑡1 𝛷 1 1 = 𝑒𝑥𝑝 [ ( − )] 𝑡2 𝑘 𝑇1 𝑇2 A [7] tanulmány szerkesztői a fenti összefüggés alapján először meghatározták a különböző szigetelések aktiválási energiáit, majd különböző hőmérsékleteken vizsgálták az XLPE szigetelésű kábelt. A vizsgált körülményeket a 2. táblázat mutatja. 2. táblázat: az Arrhenius-modellel végzett vizsgálatok körülményei [7]
Az 2. táblázatban látható, hogy a középfeszültségű kábelekre jellemző hőmérsékleti tartományokban (90–110 °C) 10–87 napig vizsgálták a kábelt, míg túlterhelt állapotban (130–140 °C) 4–8 napig tartott a vizsgálat.
2. ábra: az Arrhenius-modellel végzett vizsgálatok eredményei [7]
A 2. ábra mutatja az Arrhenius-modellel végzett vizsgálatok eredményeit. Látható, hogy az alacsonyabb üzemi hőmérséklet magasabb élettartamot garantál, mivel a szigetelések kevésbé öregednek. Ráadásul az összefüggés nem lineáris, mivel a függőleges tengely, amelyre a várható üzemidőt vették fel, logaritmikus. Tehát míg egy 110 °C-on üzemelő kábel várható élettartama 100
nap, addig egy 90°C-on üzemelő, ugyanolyan paraméterekkel bíró kábel élettartama akár a 12 ezer napot is elérheti. Az Arrhenius-modellel való számítás eredményei látványosak és egyszerűen kivitelezhetők, ám fontos megjegyezni, hogy a kábel bonyolult felépítését, valamint a környezeti hatásokat túlságosan leegyszerűsítik, így a modellel való számítások eredményei eléggé aszimptotikusak, inkább becslésnek jók, mint valós diagnosztikai eljárásnak.
4. A hálózatok elektromágneses jellemzői 4.1.
Stacionárius állapot
4.1.1. Szabadvezetékes hálózat [5], [8] A szabadvezetékes hálózaton mérhető áramok kellően kis távolság esetén néhány esetben elég nagyok ahhoz, hogy nagyobb kiterjedésű, ferromágneses anyagból (célszerűen vas) készült entitások felületén feszültséget indukáljanak. Ezt a jelenséget használták ki az [5] tanulmány szerkesztői is, akik a CDEGS szoftvercsomag segítségével olyan modellt készítettek, melyet a 3. ábra mutat be.
3. ábra: a szabadvezetékes hálózat kvázistacioner és tranziens elektromágneses vszonyainak számításához alkalmazott modell [5]
A 3. ábrán látható, hogy az [5] tanulmány szerkesztői egy 525 kV névleges vonali feszültségű szabadvezeték alá egy teherautót helyeztek. Az elrendezés paraméterei az alábbiak:
A hálózat névleges vonali feszültsége: 525 kV A nagyfeszültségű oszlop magassága: 35 m Az oszlop földelése: 16 m oldalhosszúságú, négyzet alakú földelőkeret, melynek beépítési mélysége 0,5 m. A földelőkeret mind a négy sarkán egy-egy 10 m hosszú függőleges földelőelektróda van felszerelve Talaj fajlagos ellenállása: 1000 Ωm A fázisvezetők magassága az oszlopnál: 27 m A fázisvezetők minimális magassága a maximális belógás helyén: 17 m A teherautó hossza: 20 m A teherautó szélessége: 2,5m A teherautó magassága: 4 m A teherautó aljának távolsága a talajtól: 0,6 m
A tanulmány szerkesztői a teherautót a földtől szigeteltnek vették a gumiabroncsok miatt, ezért egy emberi testet reprezentáló vezető elektródával földelték le a teherautót modellező vasszerkezetet.
Ezen az elektródán folyó áramot vették hibaáramnak, ennek alapján értékelték ki a méréseket és határozták meg a távvezeték alatti veszélyes és veszélytelen zónák határát.
4. ábra: a számítások során alkalmazott modell a CDEGS szoftverben [5]
A 4. ábrán látható elrendezés különböző változatain végezték el a számításokat. Látható, hogy az elrendezés középpontját az oszlop, azaz a földelőkeret középpontja határozza meg. A tanulmány szerkesztői kétféle számítást végeztek. Az első esetben egy kvázistacioner állapotot vizsgáltak, amelyben az aszimmetria mértéke 7 %. A második esetben egy, A fázisban bekövetkező 1FN zárlat hatását vizsgálták. A számítások körülményeit a 3. és 4. táblázat mutatja. 3. táblázat: fázisáramok kvázistacionárius és tranziens esetben [5]
4. táblázat: fázisfeszültségek kvázistacionárius és tranziens esetben [5]
Ebben a fejezetben a kvázistacionárius esetet tárgyaljuk. A tranziens esettel a Hiba! A hivatkozási forrás nem található. fejezet foglalkozik. Látható, hogy az első esetben a fázisáramok megegyeznek, a fázisfeszültségek között kisebb eltérések tapasztalhatók.
5. ábra: a terherautótól a föld felé folyó áramok nagysága az oszlop környezetében [5]
Az 5. ábra mutatja az oszlop közvetlen környezetében mérhető hibaáramok nagyságát. A 0;0 koordinátájú pont az oszlop földelőkeretének középpontja. Látható, hogy az oszloptól a fázisvezetők mentén haladva 5 m távolságban 0,5 mA alatti áramok, 5 és 9 m közötti távolságban 0,5–1 mA közötti áramok, 9 m-től távolabb pedig 1–1,5 mA hibaáramok mérhetők a számítások alapján.
6. ábra: a teherautótól a föld felé folyó áramok nagysága a maximális belógás környezetében [5]
A 6. ábra mutatja a vezetősodronyok maximális belógás környezetében mérhető hibaáram nagyságát. Látható, hogy ezen a helyen a fázisvezetők hossza mentén haladva nem változnak jelentősen a hibaáramok, viszont a vezetőktől távolodva a hibaáram mértéke nő. Ez azért fordulhat elő, mert a vezeték alatt hasonló távolság mérhető a három fázisvezető és a mérési pont között, így a csekély aszimmetriát mutató fázisvezetők által indukált feszültségek gyengítik egymást. A fázisvezetőktől távolodva az elrendezés is egyre inkább aszimmetrikus lesz, így alakulhat ki a távolsággal növekvő hibaáram is.
7. ábra: a kialakuló elektromos térerősségek az oszlop környezetében [5]
A 7. ábra mutatja az oszlop környezetében kialakuló villamos térerősségeket. Látható, hogy az elektromos térerősség maximális amplitúdója 2660 kV/m. Az elrendezés nagy részén az elektromos térerősség maximális értéke 10 és 100 kV/m közötti érték. A fentebb tárgyalt interferenciákból adódó gyengítés miatt a villamos térerősség közvetlenül a három fázisvezető alatt kisebb, 0,01és 0,1 kV/m közötti értéket vesz föl.
8. ábra: a kialaluló elektromos térerősségek a maximális belógás környezetében [5]
A 8. ábra mutatja a maximális belógás környezetében kialakuló villamos térerősségeket. Látható, hogy az elektromos térerősség maximális amplitúdója 988 kV/m. Ez az érték szintén a három fázisvezető közvetlen környezetében figyelhető meg. Szintén megfigyelhető, hogy a három fázisvezető alatti védett terület nagysága a maximális belógás környezetében sokkal kisebb, mint az előző esetben, amikor az oszlop környezetét vizsgálták. Az [5] tanulmány alapján elmondható, hogy a nagyfeszültségű átviteli hálózat vezetékei normál üzemi körülmények között semmiféle zavartatást nem okoznak sem az induktív csatolás, sem a villamos térerősségből adódó zavartatás miatt. A [8] tanulmány szerkesztői arra keresték a választ, hogy igazak-e azok a feltevések, amelyek szerint a nagyfeszültségű távvezetékek közelében élők körében magasabb a rákos megbetegedések kockázata.
A ’90-es évek közepéig mintegy száz ilyen epidemiológiai témájú tanulmány jelent meg, amelyek a legkülönfélébb eredményeket hozták. A rák kockázatának mértékét az úgynevezett RR (relative risk – relatív kockázat) együttható mutatja meg.
Ha RR értéke kisebb, mint 1,5, akkor nincs jelentős kockázatemelkedés Ha RR értéke1,5 és 3 közötti, akkor a kockázat emelkedése nehezen kiértékelhető Ha RR értéke 3 fölötti, akkor valóban nőhet a rákos megbetegedések kockázata.
9. ábra: a különböző tanulmányok által publikált RR értékek [8]
A 9. ábra mutatja az 1979 és 1997 között publikált epidemiológiai tanulmányok által megbecsült RR értéket. Látható, hogy a tanulmányok jelentős része egyetért abban, hogy a távvezeték környezetében élők RR-je 1 és 2 közötti, tehát a távvezeték által okozott valódi kockázatnövekedést nehéz kiértékelni, meghatározni. Egy 1990-ben Svájcban végzett kísérlet keretében egy bizonyos mohafajtán vizsgálták a különböző nagyságú és frekvenciájú elektromágneses mezők hatásait. Azért választották a mohát vizsgálati alanynak, mert elég fejlett ahhoz, hogy az elektromágneses mező hatásait meg lehessen figyelni rajta, ám ahhoz fejletlen, hogy az esetlegesen okozott káros hatások következményeit regenerálhassa saját magán. A kísérlet időtartama négy hét volt. A különböző frekvenciákon (16,67, 50, 400 Hz) és különböző nagyságú mágneses indukciókon (1, 1,2 mT) kapott eredményeket az 5. táblázat mutatja.
5. táblázat: a különböző nagyságú és frekvenciájú mágneses mezők hatása a mohakultúrára három hét után[8]
A kontrollcsoport szaporodási ütemét vették 100 %-nak. Ehhez képest minden szignifikáns eltérést (±10 %) jelöltek. Látható, hogy csak az 1 mT nagyságú, 16,67 Hz frekvenciájú és az 1,2 mT nagyságú, 50 Hz frekvenciájú mágneses mezővel mért csoport ért el kizárólagosan kisebb szaporaságot, mint a kontrollcsoport. A 400 Hz frekvenciával mért csoport tagjai kivétel nélkül szaporábbak voltak, mint a kontrollcsoport. A kísérlet körülményeihez hozzá kell tenni, hogy az alkalmazott mágneses indukciók (1 illetve 1,2 mT) 10-szer nagyobbak, mint a nemzetközi szabvány által maximálisan megengedett 100 μT, valamint 1000-szer nagyobbak annál a svájci szabványban megengedett értéknél, amely mindössze 1 μT mágneses indukciót enged meg egy elektromágneses hullámot kibocsátó eszköznek abban az esetben, ha abból több is található az adott környezetben. 1996-tól a WHO támogatásával számos mérést végeztek a távvezetékek környezetében kialakuló alacsony frekvenciájú (0–50 Hz) mágneses térre vonatkozóan, ám sehol nem mértek akkora mágneses indukciót ebben a frekvenciatartományban, amely meghaladná a szabványokban meghatározott értéket. Elektromágneses hullámok esetén azok a hullámok lehetnek hatással az emberi agyra, illetve bármely testrészre, amelyek hullámhossza egy nagyságrendbe esik az emberi agy kiterjedését jellemző hosszokkal. 8𝑚 𝑐 3 ∗ 10 𝑠 𝑓= = = 3 ∗ 109 𝐻𝑧 = 3 𝐺𝐻𝑧 𝜆 10−1 𝑚
Látható tehát, hogy a GHz-es frekvenciatartományban fordulhatnak elő olyan komponensek, amelyek megnövelhetik a rák, vagy bármely egyéb betegség kockázatát. Az 50 Hz-es alapharmonikust tekintve biztos, hogy ebben a frekvenciatartományban lévő komponensek amplitúdója elhanyagolhatóan kicsi. A 2010-ben kiadott svájci szabályozás a legtöbb helyen 5 kV/m elektromos térerősséget és 200 μT mágneses indukciót enged meg, azonban definiál különleges helyeket, melyekre ezektől eltérő értékek vonatkoznak. Ezek a következők:
állandó tartózkodásra kialakított épületek, játszóterek, beépítetlen területek, amelyeken lakóingatlan-beruházás valószínűsíthető.
A megkülönböztetett helyekre megengedhető elektromos térerősség és mágneses indukció értékeit a 6. táblázat mutatja. 6. táblázat: a megkülönböztetett helyeken megengedhető elektromos térerősség és mágneses indukció értékek [8]
Látható, hogy az alacsony frekvenciájú elektromos tereken kívül a megengedhető érték mindegyik esetben függ a frekvenciától. 50 Hz-es frekvencia esetén a megengedhető elektromos térerősség értéke 5 kV/m, a megengedhető mágneses indukció értéke 100 μT. Méréseket végeztek egy olyan házban, amelynek környezetében 220 kV-os és 380 kV-os 50 Hz névleges frekvenciájú átviteli vezeték, valamint 132 kV névleges feszültségű 16,67 Hz frekvenciájú vasúti vezeték is található közel egymáshoz.
10. ábra: az elektromágneses jelenségek mérésére kiválasztott elrendezés [8]
A 10. ábrán látható elrendezésen a bal oldalon látható két vékonyabb párhuzamos vonal mutatja a 132 kV-os vasúti vezetéket, a középen lévő kék két párhuzamos vonal a 380 kV néveleges feszültségű, 50 Hz névleges frekvenciájú átviteli vezetéket és a jobb oldalon látható két piros párhuzamos vonal a 220 kV névleges feszültségű 50 Hz-es átviteli vezetéket. A mérési pont 98 m-méterre van az 50 Hz-es távvezetékek által lefedett felület középpontjától.
11. ábra: a számítási eredmények [8]
A 11. ábrán láthatók a három különböző szoftverrel végzett számítások eredményei. A szimulációk során vizsgált lakóingatlan az origótól számított 10 méternél helyezkedik el. 40 méternél található a 132 kV-os vasúti vezeték, 108 méter körül pedig a 200 kV-os és 380 kV-os vezetéket magában foglaló vezetékfolyosó. Látható, hogy az ebben a pontban számított mágneses indukció értéke 0,8 μT körüli, ami teljesíti még a legszigorúbb szabványban leírt határértékeket is. A számított eredő mágneses mező Fourier-transzformálása alapján megállapítható, hogy a 16,67 Hz frekvenciájú komponens effektív mágneses indukció értéke 0,5 μT, míg az 50 Hz frekvenciájú komponens effektív mágneses indukció értéke 0,3 μT. A [8] tanulmány készítői megállapították, hogy a 400 kV-os távvezetékek 30 méteres távolságában mind az elektromos térerősség, mind a mágneses indukció effektív értéke teljesíti a szabványokban előírt kritériumokat.
12. ábra: a 400 kV néveleges vonali feszültségű távvezeték környezetében mérhető villamos térerősségek [8]
A 12. ábra mutatja a 400 kV-os távvezeték környezetében a talaj közelében mérhető villamos térerősség eloszlását. A vízszintes tengely egy nagy osztásközének értéke 10 méter. A távvezeték a görbe maximumánál található. Látható, hogy a távvezetéktől 30 méteres távolságban a villamos
térerősség értéke 0,5 kV/m, ami a szabványban megengedett érték tizede. Az elektromos térerősség maximális értéke sem éri el a szabványban meghatározott maximális értéket.
13. ábra: a 400 kV névleges vonali feszültségű távvezeték környezetében mérhető mágneses indukciók [8]
A 13. ábra mutatja a 400 kV-os távvezeték környezetében a talaj közelében mérhető mágneses indukció eloszlását. Látható, hogy a távvezetéktől 30 méter távolságban a mágneses indukció mértéke kisebb, mint 2 μT, ami a szabványban megengedett érték 50-ed része. A mágneses indukció maximális értéke sem éri el a szabványban meghatározott maximális értéket. Az [5] és [8] tanulmány alapján megállapítható, hogy a távvezetékekről terjedő szóbeszédekkel és közvélekedéssel ellentétben ez a fajta energiaátviteli berendezés semmiféle egészségügyi kockázatot nem jelent elektromágneses szempontból, sőt, bizonyos esetekben a távvezeték alatt még alacsonyabb elektromos térerősség is mérhető, mint a környezet távvezetékektől távolabbi részén.
4.1.2. Kábeles hálózat [4]
14. ábra: egy nagyfeszültségű kábel szigetelésének felépítése [4]
A 14. ábrán látható egy kábel szigetelése. A nagyfeszültségű kábelek esetén előfordulhat, hogy minden fázisvezető külön szigetelésben fut. Középfeszültségen a három fázisvezetőt közös szigetelésben alakítják ki, míg kisfeszültségen a három fázisvezetőt, a nulla- és a védővezetőt is közös szigetelésben vezetik. Mivel a földalatti kábelek nyomvonalát főleg régebben létesült kábelek esetén lehetetlen pontosan meghatározni, a kábelek fázisvezetőinek mechanikai védelemre van szükségük. Ez lehet kábelalagút vagy valamilyen védőcső, ám ez markológép vagy légkalapács okozta behatások ellen nem nyújt védelmet. A kisebb mechanikai behatások kivédésére elegendő a megfelelő vastagságú műanyag szigetelés,a melyben a három fázisvezető fut. A kábeles hálózatok is ki vannak téve az elektromágneses zavarok veszélyeinek, mivel a földbe vezetett hibaáramok, illetve a zérus sorrendű komponensek induktív csatolás útján zavartatásokat okozhatnak a fázisvezetőkben. Ezért a jelátvitelhez használt kábelekhez hasonlóan az energiaátvitelre használt kábeleket is védeni kell a külső zavartatásokkal szemben. A [4] tanulmány szerkesztői nagyfeszültségű kábelek stacionárius potenciálviszonyait vizsgálták kétféle szigetelés esetén. A fázisvezető anyaga esetükben réz volt, ám minden feszültségszinten alkalmazható mind réz, mind alumínium fázisvezetőként. Az egyik fajtájú szigetelés az ún. XLPE, vagyis keresztkötött polietilén, a másik az ún. EPR, vagyis Etilén-propilén gumi. A szigetelés és az alumínium vagy ólom árnyékolás közé egy félvezető réteget helyeztek, melynek feladata a kábelfektetés során kialakuló egyenetlenségek kisimítása. Az ólom vagy alumínium pajzs feladata az EMC követelmények biztosítása, vagyis a külső elektromágneses zavaroktól való védelem, illetve a belső elektromágneses zavarok kijutásának megakadályozása. A kábel mechanikai védelméről PVC vagy nagysűrűségű polietilén (HDPE) réteg gondoskodik. A kábel elektromágneses paramétereit az 7., a 8. és a 9. táblázat mutatja. 7. táblázat: a nagyfeszültségű kábel elektromágneses paraméterei I. [4]
A 7. táblázatból látható, hogy az XLPE szigetelés esetén a kábel vezetése és induktivitása nagyobb, míg kapacitása kisebb, mint az EPR szigetelés esetén. A kisebb vezetés kábelek esetén előnyösebb,
mivel ekkor kisebbek a szivárgó áramok. Látható, hogy az XLPE szigetelés vezetése 7 nagyságrenddel nagyobb, mint az EPR szigetelése, ami jelentős különbség. A kisebb induktivitás is előny, mivel így az elektromágneses zajok által indukált zavaró áramok mértéke kisebb lesz, valamint a belső zajok is alacsonyabb mágneses térerősségű elektromágneses zavarokat indukálnak. A két szigetelés induktivitása egy nagyságrendbe esik, XLPE szigetelés esetén másfélszer akkora, mint EPR szigetelés esetén. A kábel kapacitása szintén azonos nagyságrendbe esik a különböző szigetelések esetén, azonban az EPR szigetelés esetén nagyobb. A kábel kapacitása azért lényeges szempont, mivel kompenzált hálózatok esetén a nagyobb kapacitás miatt nagyobb kompenzálóáram szükséges, ami nagyobb névleges áramú, ezért valószínűleg drágább Petersen-tekercs beépítését, esetleg decentralizált kompenzálás alkalmazását követeli meg, így a hálózat korábbi állapota alapján akár további, szekunder költségeket is okozhat. 8. táblázat: a nagyfeszültségű kábel elektromágneses paraméterei II. [4]
9. táblázat: a nagyfeszültségű kábel elektromágneses paraméterei III. [4]
15. ábra: a feszültség sugárirányban való eloszlása XLPE szigetelés esetén [4]
16. ábra: a feszültség sugárirányban való eloszlása EPR szigetelés esetén [4]
A 15. és a 16. ábrán látható a feszültség sugárirányban történő eloszlása XLPE és EPR szigetelés esetén. Látható, hogy mindkét esetben hasonló a feszültség lefutása.
17. ábra: a villamos térerősség sugárirányban való eloszlása XLPE szigetelés esetén [4]
18. ábra: a villamos térerősség sugárirányban való eloszlása EPR szigetelés esetén [4]
A 17. és a 18. ábrán látható a villamos térerősség sugárirányban való eloszlása a két szigetelés esetén. Látható, hogy XLPE szigetelés esetén a térerősség nagysága sokkal kisebb a külső fém pajzsnál, mint EPR szigetelés esetén.
19. ábra: a töltéssűrűség sugárirányban való eloszlása XLPE szigetelés esetén [4]
20. ábra: a töltéssűrűség sugárirányban való eloszlása EPR szigetelés esetén [4]
A 19. és a 20. ábra mutatja a töltéssűrűség eloszlását a két szigetelés esetén. Látható, hogy EPR szigetelés esetén mind a fázisvezetőnél, mind a külső fém pajzsnál nagyobb a töltéssűrűség. A [4] tanulmányból látható, hogy jobb szigetelés esetén kisebbek a szivárgóáramok, azonban nagyobb a kapacitás, és emiatt a villamos térerősség, valamint a töltéssűrűség is megnövekszik a kábel külső felülete mentén.
4.2.
Tranziens állapot
4.2.1. Szabadvezetékes hálózat [5] Az [5] tanulmány készítői a 4.1.1 fejezetben tárgyalt kvázistacioner állapottal leírható normál üzemállapotra jellemző körülmények alapján megalkottak egy számítási modellt. Ennek alkalmazása mellett egy rendellenes üzemállapotot is modelleztek, amelyben egy, az A fázisban jelentkező 1 FN zárlat hatásait vizsgálták. Ezen vizsgálatok körülményeit mutatja a 10. és a 11. táblázat.10. táblázat: fázisáramok kvázistacionárius és tranziens esetben [5]
11. táblázat: fázisfeszültségek kvázistacionárius és tranziens esetben [5]
Látható, hogy az 1FN zárlat miatt az A fázisban jelentősen megnövekedett az áram értéke, míg a fázisszöge eltolódott a C fázis fázisszögéhez. A földzárlat miatt az A fázis feszültsége a zárlat alatt zérus. A vizsgálat módszere ugyanaz volt, mint kvázistacioner esetben, tehát egy kiterjedt vas tárgyon indukálódó feszültséget vizsgáltak a tárgy és a föld ellenállással való összekötésével, és az ellenálláson folyó áramot mérték. A kiterjedt vas tárgy fázisvezetőkhöz képesti pozíciójának változtatásával határozták meg a biztonságos és veszélyes területeket.
21. ábra: a terherautótól a föld felé folyó áramok nagysága az oszlop környezetében [5]
A 21. ábra mutatja az oszlop környezetében megfigyelhető hibaáramokat. Látható, hogy a kvázistacioner esethez képest, ahol 0–1,5 mA volt a jellemző érték, itt a zárlatos fázis alatt 20–80 mA nagyságú hibaáramok mérhetők, melyek már nem felelnek meg a [6] szabványban meghatározott értéknek, mivel ezen szabvány szerint a 60 és 80 mA közötti, testen átfolyó áramok mindössze 0,5 másodperc alatt is jelentős károkat tudnak okozni az emberi szervezetben.
22. ábra: a teherautótól a föld felé folyó áramok nagysága a maximális belógás környezetében [5]
A 22. ábra mutatja a maximális belógás környezetében kialakuló hibaáramokat. Látható, hogy a kvázistacioner esettel ellentétben itt a zárlatos fázishoz közelebb alakulnak ki magasabb hibaáramok, amelyek a fázisvezetőktől távolodva csökkennek. A maximális belógás környezetében a hibaáramok nagysága megfelel a [6] szabványban meghatározott biztonsági kritériumoknak.
23. ábra: a kialakuló villamos térerősségek az oszlop környezetében [5]
A 23. ábra mutatja az oszlop környezetében kialakuló villamos térerősségek eloszlását. Látható, hogy a zárlatos fázis környezetében alakul ki a legnagyobb térerősség, amelynek maximális értéke 2870 kV/m. A zárlatos fázistól legtávolabb eső B fázis környezetében az elektromos térerősség kisebb, mint kvázistacioner esetben. A fázisvezetők alatti, kvázistacioner esetben védett terület térerőssége most nagyobb, mint a környezet térerőssége, azonban ennek a területnek a közepén a térerősség most is elhanyagolhatóan kicsi. Megfigyelhető még a két ép fázis közötti területen lévő szintén kicsi térerősséggel jellemezhető terület.
24. ábra: a kialakuló villamos térerősségek a maximlis belógás környezetében [5]
A 24. ábra mutatja a maximális belógás környezetében kialakuló elektromos térerősségek eloszlását. A kialakuló térerősségek maximális értéke 954 kV/m. Látható, hogy a fázisvezetőknek sokkal nagyobb környezetében alakul ki a közvetlen környezetétől lényegesen nagyobb térerősségű terület, ám a villamos térerősségek ebben az esetben – nem szignifikánsan ugyan, de – kisebbek, mint kvázistacioner esetben. Az [5] tanulmány tranziens számításai alapján látható, hogy az átviteli hálózat távvezetékein 1 FN zárlat esetén nem alakulnak ki számottevően nagyobb villamos térerősségek, mint kvázistacioner esetben. A nagy zárlati áramoknak köszönhetően viszont a nem megfelelően elhelyezkedő ferromágneses anyagból készült tárgyak felületén nagy feszültség indukálódhat, amely nem megfelelő érintésvédelem esetén akár komolyabb áramütés miatti sérüléseket is okozhat.
5. A villámcsapás hatása a szabadvezetékes hálózatra A szabadvezetékes hálózat közép-és nagyfeszültségen nem szigetelt, így a környezeti behatások komolyabb üzemzavart idézhetnek elő a szabadvezetékes, mint a kábeles hálózaton. A nagyfeszültségű szabadvezetékes hálózat védővezetővel is ellátott, amelynek feladata a hibaáramok elvezetésén túl a villámcsapások felfogása is. A középfeszültségű szabadvezetékes hálózaton nem alakítanak ki védővezetőt, így a villámcsapások hatásai érzékelhetők a fázisvezetőn. A kisfeszültségű hálózaton ki van alakítva védővezető, azonban ez a fázisvezetőkkel egy síkban, vagy velük összekötegelve fut, így a villámcsapást nem képes teljes egészében felfogni a fázisvezetők elől. Viszont a kisfeszültségű hálózat vezetői szigeteltek, így a villámcsapás ellen a szigetelés nyújt védelmet.
A villámcsapás kialakulásának oka, hogy a zivatarfelhőből kiinduló koronakisülések elérik a földfelszínt, így kiegyenlítve a potenciálkülönbséget. A villámáram csúcsértéke akár 1000 kA is lehet. A villámcsapás időtartama néhány milliszekundum. A villámcsapás minőségét az alábbi jellemzők határozzák meg:
az áram csúcsértéke
a becsapási pontban kiegyenlítődő töltés
az áramhullám homlokán fellépő árammeredekség
a fajlagos energia.
Amit egy villámcsapásnak érzékelünk, az az esetek nagy részében több egymást követő, csökkenő intenzitású villámcsapás. A villám lehet pozitív és negatív is, aszerint, hogy milyen töltéskülönbséget egyenlít ki, és honnan indul. [1] 12. táblázat: A villámáram jellemző értékei [1]
50 % (medián) A villámáram csúcsértéke (kA) Kiegyenlítődő töltés (C) Árammeredekség (kA/µs) Áramhullám homlokideje (µs) Fajlagos energia (MJ/Ω)
35,0 80,0 20,0 22,0 0,650
25. ábra: A 10/350-es és a 8/20-as villám jelalakja [2]
A primer villámvédelem elve, hogy az védendő létesítményt megóvjuk a villámcsapástól. Ennek érdekében olyan objektumokat kell telepíteni, amelyekbe nagyobb valószínűséggel csap a villám, mint a védendő létesítménybe. Egy primer villámvédelmi berendezés az alábbi alkotórészekből áll:
felfogó
levezető
földelés
Ahogy a neve is mutatja, a felfogó elsődleges feladata, hogy azt érje a villámcsapás. A levezető köti össze a felfogót és a földelést. Feladata, hogy minél kisebb feszültség essen rajta, azaz a rajta áthaladó villámáram minél kisebb potenciálemelkedést hozzon létre. A földelés feladatiról az Hiba! A hivatkozási forrás nem található. ír bővebben. A primer villámvédelmi berendezések méretezéséről a [3] forrásban jelölt MSZ EN 62305 szabvány rendelkezik. Nem megfelelő földelés esetén a nagyfeszültségű hálózat védővezetőjét ért villámcsapás is képes kijutni a fázisvezetőre. A villámcsapás potenciálemelkedést okoz az oszlop földelése és a levezető alkotta soros áramkörön. Ha ez a potenciálemelkedés meghaladja a fázisvezető tartó- vagy feszítőszigetelőjének átütési feszültségét, akkor a villámcsapás kijut a fázisvezetőre. A távvezeték és az alállomás védelmei természetesen megakadályozzák, hogy a villám okozta túlfeszültség kárt tegyen az alállomás berendezéseiben, azonban a mindkét végén kikapcsolt távvezetéken kialakuló reflexiók miatt a villámcsapás miatt kialakult túlfeszültség összeadódik. Ilyenkor azonban a fázisvezetőről visszaüthet egy másik oszlop levezetőjére, és onnan a földbe vezetődhet. A villámcsapás által a távvezetékre vitt többlet energia végül a távvezeték elosztott paramétereinek megfelelő elemek nagyságához mérten vész el.
6. A távvezetékes kialakítású hálózat okozta zajterhelés [9] A távvezetékek üzem közben zajt bocsájtanak ki, ezért lakott területen használhatóságuk korlátozott. A [9] tanulmány szerkesztői a távvezetékek okozta zajok eredetét és jellemzőit kutatták. A szabadvezetékek által kibocsájtott zajok fő okai a koronakisülések. A sodrony felületén nem egyenletes a töltéseloszlás, így az egyensúlyi állapot elérése érdekében a nagyobb töltéssűrűségű gócpontokból indulnak meg a koronakisülések. A töltéseloszlás egyenetlensége függ többek között a feszültségszinttől. A zajkibocsátás problémája leginkább a magas vagy extra magas feszültségű szabadvezetékeket érinti. A koronakisülések mérete, keletkezésük valószínűsége függ a levegő átütési szilárdságától is, ezért párás, esős időben a távvezetékek zajkibocsátási szintje magasabb. Esős időben tovább növeli a koronakisülések számát, hogy a vízcseppek beszivároghatnak a sodronyszálak közötti résekbe, így a sodrony közvetlen környezetében szinte nullára redukálják az átütési szilárdságot. A szabadvezetékek által kibocsátott zaj spektrumát vizsgálva a [9] tanulmány szerkesztői arra a megállapításra jutottak, hogy a kibocsátott zaj spektrális felbontás alapján alapvetően két csoportra osztható. Ezek a következők:
szélessávú zaj (sercegés, sziszegés) tiszta 120 Hz frekvenciájú hang, és annak felharmonikusai
Ez a két, eltérő frekvenciatartományú zaj egymásra rakódik. A szélessávú fehér zaj természete a koronakisülések méretének és gyakoriságának sztochasztikus jellegéből adódik. A távvezetéket tértöltés veszi körül. A tértöltést alkotó pozitív és negatív ionokat a sztochasztikus koronakisülések generálják. A 120 Hz-es zaj a Szaúd-Arábiában alkalmazott 60 Hz-es hálózati frekvencia következménye. A távvezeték-sodrony polaritása félperiódusonként előjelet vált, így változik az adott töltésű ionokra ható erő, így azok gyorsulása, illetve iránya is. A részecskék mozgásállapotváltozásából eredő zajt lehet érzékelni a távvezeték által kibocsátott zajként. Mivel ennek a
folyamatnak a feltétele a sztochasztikus koronakisülések által létrehozott, fázisvezető körüli minél nagyobb töltéssűrűségű tértöltés megléte, az adott frekvenciájú komponens intenzitása is erősödik esős vagy párás időben. A magasfeszültségű átviteli hálózati szabadvezetékek névleges vonali feszültsége növelésének egyik nehézsége a lakosság számára elfogadható zajkibocsátás meghatározása. A zajkibocsátás minimalizálása érdekében optimalizálni kell a távvezetékek zajkibocsátásért felelős paramétereit. Ez két fő intézkedéssel tehető meg:
mivel a koronakisülések intenzitása a sodrony külső felületén kialakuló töltésegyenetlenségekből adódik, optimalizálni kell a sodrony átmérőjét és keresztmetszetét annak érdekében, hogy a lehető legegyenletesebb töltéseloszlás alakuljon ki annak felületén a koronakisülések megindulásának valószínűsége a sodrony közelében kialakuló elektromos térerősség függvénye. A töltésgócokon túl az elektromos térerősség nagysága függ a két fázis között mérhető vonali feszültségtől, valamint a talajhoz legközelebb épített fázis esetében a fázisfeszültségtől is.
A sodronyok keresztmetszete alakjának módosítása költséges. Az átmérő változtatása szintén további kedvezőtlen hatásokat vonna magával. Csökkentés esetén növekedne a hálózati veszteség, ami a pénzügyi károkon túl rosszabb hatásfokot és magasabb környezetszennyezést eredményezne. A keresztmetszet növelése megnövelné a sodronyok súlyát, így erősebb vagy sűrűbben telepített oszlopok kellenek, ami szintén jelentős költségnövekedést és környezeti hatást okoz. A koreai TSO mérései alapján 765 kV névleges feszültség esetén a legkedvezőbb a hat fázisvezetőt tartalmazó kétrendszerű vezeték. Ez az elrendezés teljesítette a koreai szabványban meghatározott 50 dB(A) értéket. 345 kV névleges vonali feszültség esetén a fázisonként négy köteget tartalmazó elrendezés bizonyult a legcsendesebbnek. Ez az elrendezés is teljesítette az 50 dB(A) értéket. Az általuk végzett méréseket és a jövőbeni zajkibocsátásra vonatkozó becsléseket a 13. táblázat mutatja. 13. táblázat: a koreai TSO (KEPCO) által végzett mérések és becslések 345 kV névleges vonali feszültségű távvezetékek zajterhelésére vonatkozóan[9]
Látható, hogy a jövőbeni fejlesztések hatása csak tiszta időben lesz igazán érzékelhető, mivel az eső, illetve a pára miatt lecsökkenő átütési szilárdság miatt a koronakisüléseket nem lehet visszaszorítani. Méréseik szerint a szabadvezeték által kibocsátott zaj frekvenciatartománya jellemzően a 800 és 10 000 Hz közötti spektrum. A szabadvezetékek által keltett zajok legerősebb és legvalószínűbb frekvenciája a 8000 Hz körüli frekvenciatartomány. A zajszint és az eső intenzitásának összefüggését a 14. táblázat mutatja.
14. táblázat: az eső és a szabadvezeték által kibocsátott zaj intenzitásának összefüggése [9]
Látható, hogy enyhe, 0,1 mm/h intenzitású esőben is a szabványban megengedett értékhez közeli, 41,3 dB(A) erősségű zaj észlelhető. Az eső intenzitásának növekedésével a zajszint kevésbé meredeken emelkedik. A szabványban megengedett értéket 30 mm/h intenzitás körül éri el. A fázisvezető körüli tértöltés nagysága függ a fázisfeszültségtől is, mivel a nagyobb feszültség nagyobb elektromos térerősségű teret gerjeszt a távvezeték sodronyának közvetlen környezetében. A koreai mérések eredményeit a 15. táblázat mutatja. 15. táblázat: az alkalmazott feszültség és a szabadvezeték által kibocsátott zajszint összefüggése [9]
Látható, hogy a feszültségszint növelése miatti zajszintemelkedés 783 kV vonali feszültség esetén éri el a szabványban megengedett értéket.
7. A szabadvezetékes hálózat levegőből történő megközelíthetősége drónnal történő diagnosztika céljából A szabadvezetékes hálózat előnye a kábeles hálózattal szemben, hogy szem előtt van, így az esetleges sodronyhibák feltárása, lokalizálása elméletileg egyszerűbb, mint a kábelek esetén. A nagyfeszültségű szabadvezetékek rendszeres bejárását a legtöbb TSO és DSO előírja a saját hálózatán. A gyalogos vagy gépjárműves bejárás, esetleg az oszlopra történő felmászással történő állapotvizsgálás sem ad átfogó képet a sodronyon megfigyelhető hibákról. Emiatt néhány szolgáltató helikopterrel vagy drónnal járja be nagyfeszültségű átviteli vagy főelosztó-hálózatát. A helikopteres bejárás során azonban a távvezeték nem közelíthető meg annyira, mint drónnal. A [10] tanulmány szerkesztői azt vizsgálták, hogy egy 220 kV névleges vonali feszültségű átviteli távvezeték mennyire közelíthető meg egy sodrony vizsgálatára alkalmas drónnal. A 6. fejezetben leírtak miatt a sodrony egy ilyen eszközzel sem közelíthető meg végtelen kis távolságban, mivel a kialakult töltésgócok átüthetnek az eszközre. A drón sok kiálló részt tartalmaz, például propellerek, kamera, különböző csavarok. A kiálló hegyes eszközök miatt az elektromos térerősség eloszlása a drón felületén, illetve a drón körül sem lesz homogén, így koronakisülések indulhatnak meg a távvezeték sodronyának külső felületéről, amelyek egyrészt zajterhelést okoznak, másrészt átüthetnek a drónra, ami miatt az eszköz megsemmisülhet. További veszély ilyen esemény következtében, hogy kedvezőtlen elrendezés esetén akár védelmi működés is felléphet, ami hatással lehet a hálózat további feszültségszintjeire is. A [10] tanulmány készítése során egy 220 kV névleges vonali feszültségű távvezetékoszlop környezetében vizsgálták a drón számára biztonságos távolságot. Az elektromos térerősség értéke a Laplace-egyenlet és a peremfeltételek megoldásával számítható ki. A Laplace-egyenlet:
∆𝜑 = 0 ahol 𝜕2
𝜕2
𝜕2
Δ a Laplace-operátor (𝜕𝑥 2 + 𝜕𝑦2 + 𝜕𝑧2 ) 𝜑 a potenciál [V]. Az alábbi peremfeltételek adottak: 𝜑𝑠𝑜𝑑𝑟𝑜𝑛𝑦 = 𝑉𝑠𝑜𝑑𝑟𝑜𝑛𝑦 𝜑∞ = 𝜑𝑓ö𝑙𝑑 = 𝜑𝑜𝑠𝑧𝑙𝑜𝑝 = 0 A peremfeltételekből látható, hogy az oszlop földpotenciálon van az esetleges átütés közben is. A drónra történő átütés vélhetően nem okoz akkora hibaáramot, hogy az emiatt fellépő potenciálemelkedés átíveljen a szigetelőn. Az elektromos térerősség értéke a Laplace-egyenletből és a peremfeltételekből kifejezve: 𝐸 = −∇𝜑 ahol E az elektromos térerősség [V/m] 𝜕
𝜕
𝜕
∇ a Nabla-operátor (𝜕𝑥 + 𝜕𝑦 + 𝜕𝑧). Mivel ez a számítási módszer csak egyszerűbb elrendezéseknél lenne véges időn belül elvégezhető, ezért a [10] tanulmány szerkesztői a végeselem-módszert alkalmazták.
26. ábra: a számítások során vizsgált oszlop
A 26. ábrán látható kétrendszerű 220 kV-os tartóoszlop 34,2 m magas. A három kar szélessége felülről lefelé haladva rendre 9,4, 15 és 13,45 m. Az alkalmazott szigetelők méretezése az elrendezéstől és a tengerszint feletti magasságtól függően változhat. Nagyobb tengerszint feletti magasságnál a ritkább, ezért kisebb átütési szilárdságú levegő miatt hosszabb szigetelőre van szükség. A szigetelők adatait a 16. táblázat mutatja. 16. táblázat: a szigetelők méretezése a tengerszint feletti magasság és az elrendezés függvényében [10]
Látható, hogy a kettős szigetelővel ellátott oszlopok esetén sem megengedett a sokkal rövidebb szigetelőhossz. A kettős szigetelők előnye, hogy szigetelőtörés esetén a redundancia biztosított, illetve a kisebb tartóerejű szigetelő olcsóbb.
27. ábra: a mérési elrendezés [10]
A 27. ábrán látható a mérési elrendezés. D jelöli a fázisvezető középpontja és a drón közötti vízszintes távolságot, míg H jelöli a fázisvezető és a drón középpontja közötti függőleges távolságot. A [10] tanulmány szerkesztői különböző elrendezéseket vizsgáltak, melyek kialakítása során mind D, mind H értékét változtatták.
28. ábra: a távvezetékoszlop kvázistacioner potenciálviszonyai [10]
A 28. ábrán láthatóak a távvezetékoszlop kvázistacioner potenciálviszonyai. Az 50 Hz-es hálózati frekvencia miatt megengedett, hogy erre a problémára kvázistacioner esetként tekintsenek. A [10] tanulmány szerkesztői a középső, legszélesebb karon elhelyezett fázisvezető potenciálját a névleges fázisfeszültség csúcsértékére, azaz 220/√3=127 kV-ra állították be. A két szomszédos, tehát az alsó és a felső karon elhelyezkedő fázisvezető potenciálját -110/√3=-63,5 kV-ra állították be. A számítások jobb kiértékelhetősége érdekében a 127 kV potenciálú környezetének egy 3x3 m nagyságú részletét kinagyították, és itt vizsgálták a különböző távolságokra történő megközelítéskor kialakuló potenciálviszonyokat.
29. ábra: a potenciálvisszonyok drón nélküli esetben [10]
A 29. ábra mutatja a távvezeték környékén kialakuló potenciálviszonyokat drón nélküli esetben. Látható, hogy a fázisvezető közvetlen környezetében az elektromos térerősség értéke 100–220 kV/m.
30. ábra: a potenciálviszonyok D=2m, H=2m esetén [10]
A 30. ábra mutatja a D=2m, H=2m nagyságú megközelítés esetén kialakuló potenciálviszonyokat. Látható, hogy a drón fázisvezetőhöz legközelebbi kiálló sarkán alakul ki egy elhanyagolható nagyságú területen 40 kV/m nagyságú elektromos térerősség.
31. ábra: a potenciálviszonyok D=1,5m, H= 1,5 m esetén [10]
A 31. ábra mutatja a D=1,5m, H=1,5m nagyságú megközelítés esetén kialakuló potenciálviszonyokat. Látható, hogy a drón fázisvezetőhöz legközelebbi kiálló sarkán illetve a fázisvezetőtől távolabbi rotoron alakul ki 40 kV/m nagyságú elektromos térerősség. Megfigyelhető, hogy az adott intervallumon belül lévő sávok alakja a drón közeledésének hatására torzult.
32. ábra: a potenciálviszonyok D=1m, H=1m esetén [10]
A 32. ábra mutatja a D=1m, H=m nagyságú megközelítés esetén kialakuló potenciálviszonyokat. Látható, hogy mind a drón alsó részéből kiálló kamerán, mind a rotorokon jelentős potenciálemelkedés figyelhető meg. Az azonos intervallumon belüli elektromos térerősségű sávok alakja jelentősen torzult.
33. ábra: a potenciálviszonyok D=0,5m, H=0,5 m esetén [10]
A 33. ábra mutatja a kialakuló potenciálviszonyokat D=0,5m, H=0,5 m esetén. Látható, hogy a drón teljes fázisvezető felőli oldalán potenciálemelkedés alakul ki. A sávok itt még jelentősebben torzultak, mint az előző esetben.
34. ábra: a potenciálviszonyok D=0,5m, H=0m esetén
A 34. ábra mutatja a kialakuló potenciálviszonyokat D=0,5m, H=0m esetén. Látható, hogy a vízszintes irányú megközelítés miatt nem alakul ki olyan jelentős potenciálemelkedés a drónon, mint az átlós irányban történő megközelítés esetén. 17. táblázat: a drónon kialakuló maximális elektromos térerősség értéke kV/cm-ben a vizsgált esetekben [10]
A 17. táblázat mutatja a drónon kialakuló elektromos térerősségek maximális értékét kV/cm-ben az összes vizsgált esetben. Látható, hogy a legmagasabb értékű térerősség a legközelebbi esetben volt megfigyelhető. Megfigyelhető, hogy a számított térerősségek nagysága egy nagyságrenden belül mozog. A 18. táblázat mutatja a különböző távolságú megközelítések esetén kialakuló elektromos térerősségeket. 18. táblázat: a különböző távolságok esetén kialakuló elektromos térerősségek [10]
A kapott számítási eredmények grafikonon megjelenítve a 35. ábrán láthatók.
35. ábra: a kialakuló elektromos térerősség értéke a távolság függvényében [10]
A mérési eredmények görbéjére trendvonalat illesztve a kialakuló térerősséget a távolság függvényében az alábbi összefüggés adja meg: 𝐸(𝑟) = 5,9168 ∗ 𝑟 −0,621 A levegő átütési szilárdsága 20 kV/cm, így a biztonságos megközelítési távolság 0,0915 m, ami 9,15 cm.
Összefoglalás A tanulmány leírja a szabadvezetékes és a kábeles építésmód jellemzőit, majd megvizsgálja, hogy melyik építésmód jelent kisebb kockázatot környezetvédelmi, biológiai illetve zavartatási szempontból. Látható, hogy a kábeles hálózat üzemeltetése a problémás diagnosztika miatt nehezebb, a fogyasztók számára a kábeles építési mód kedvezőbb, mivel a szabadvezetékes hálózattal ellentétben nincs zajkibocsátása. Az árnyékolás következtében kevésbé érzékeny az elektromágneses zavarokra, és a környezetében lévő elektromágneses eszközöket is kevésbé veszélyezteti saját kibocsátott elektromágneses zajával. A kábeles hálózaton a villámcsapás primer hatásai is kizártak, ám a más készülékek villámvédelmi berendezései által földbe vezetett villámáram csatoltan kelthet zavarokat a kábelben, ám ezek ellen is véd az árnyékolás. A kábeles hálózat gyenge
pontja a szigetelés, amely folyamatos igénybevételnek van kitéve a szivárgási áram által. A kábelek hűtése szintén problémás, mivel nem áll rendelkezésre természetes vagy kényszerített módon áramoltatható hűtőközeg. A szivárgási áram is növeli a szigetelés hőmérsékletét, aminek öregedése így fokozottá válik. A kábeles hálózatok további problémája a szabadvezetékes hálózatokhoz képest nagyobb kapacitás miatti fokozott kompenzálásigény vagy fokozott meddőtermelés. Az üzembiztonsági követelmények és az egyszerűbb üzemeltetés miatt a nagyfeszültségű hálózat fő építési módja valószínűleg továbbra is a szabadvezeték marad, ám a decentralizált termelők egyre szélesebb körű elterjedésével a villamos energia egyre jelentősebb hányada KIF-en és KÖF-ön kerül továbbításra, ami megnöveli a hálózat igénybevételét ezeken a feszültségszinteken, így a jelenleg megfigyelhető kábelesítési folyamatok során fektetett kábelek terhelése is növekedni fog, ami a hálózat további elemeinek megerősítését is szükségessé teheti majd a későbbiekben.
Források [1] Dr. Horváth T. (1997). Villámvédelem-felülvizsgálók tankönyve. In D. H. Tibor, Villámvédelemfelülvizsgálók tankönyve (old.: 20). [2] http://www.solacity.com.
(dátum
nélk.).
Letöltés
dátuma:
2015.
04
13,
forrás:
http://www.solacity.com/surgearrestors.htm [3] MSZ EN 62305 [4] Kumar M., Bhaskar M. S., Padmanban S., Siano P., Blaabjeg F., Leonowicz Z. (2017): Electric Field Analysis of Extra High Voltage (EHV) Underground Cables Using Finite Element Method In 978-1-5386-3917-7/17/$31.00 ©2017 IEEE [5] Ladan S., Aghabarati A., Moini R., Fortin S., Daawalibi F. P. (2016): Induced Disturbances by High Voltage Transmission Lines on Nearby Stationary Vehicles In 978-1-5090-14422/16/$31.00 ©2016 IEEE [6] IEC-604791-1 [7] Ramteke P.K., Ahirwar A.K., Shrestha N.B., Sanyasi Rao V. V. S., Vaze K.K., Gosh A.K. (2010): Thermal Ageing Predictions of Polymeric Cables from Arrhenius Plot Using Short-term Test Values In 978-1-4244-8343-3110/$26.00 ©2010 IEEE [8] Ianoz M. (2011): A REVIEW OF STUDIES ON HEALTH EFFECTS OF POWER LINE ELECTROMAGNETIC FIELDS In 978-1-4673-0029-2/12/$26.00 ©2011 IEEE [9] Al-Faraj M.A., Shwehdi M. H., Farag A. S.: Environmental Effect on High Voltage AC Transmission Lines Audible Noise [10] Shemin L., Congbing S., Fanzhong M., Shengdan W., Rui W., Yabo Z., Yunfeng Z., Zheng X., Wei H. (2016): Electric field disturbance caused by an unmanned aerical vehicle flying near the HV power transmission line In 978-1-5090-0496-6/16/$31.00 ©2016 IEEE [11]IEEE Std. 80. [12]http://vlg.hu/arukinalatunk/kabelek-es-vezetekek/vlg-katalogus/szabad-es-szigeteltlegvezetekek/aasc (Letöltés ideje: 2017. július 27.
