FI92773B - Päällystetty avojohto suurjännitteelle - Google Patents

Description

92773 Päällystetty avojohto suurjännitteelle Tämän keksinnön kohteena on suurjännitteinen avojohto, joka soveltuu yli 40 kV jännitteelle, erityisesti 5 yli 100 kV jännitteelle, ja jonka vaihejohtimet kulkevat ilmassa pylväsrakenteen tukemina.

Päällystetyllä suurjänniteavojohdolla eli ns. PAS-johdolla on muovipäällysteiset johtimet, joita käytetään perinteisten paljaiden johtimien sijasta. Eristysaine on 10 usein ristisilloitettua polyeteeniä, XLPE (PEX). Ohut eristys mitoitetaan kestämään johtimien yhteenlyönneistä aiheutuvia jänniterasituksia ja keskijännitteisiin asti myös jonkin aikaa puun kosketusta tms.

PAS-johtoja on rakennettu Suomessa 20 kV jännit-15 teellä 80-luvun alusta lähtien. Usein PAS-johto on vaihtoehto paljon kalliimmalle maakaapeliratkaisulle. 20 kV PAS-johdot ovat lisäksi tavallisia avojohtoja käyttövar-mempia, sillä johtimien yhteenlyönnit eivät yleensä aiheuta häiriöitä eivätkä johdinvaurioita.

20 Sähkötarkastuskeskuksen (SETI) tiedonannossa T 68- 91 määritellään vaatimukset 20 kV jännitteelle tarkoitetuille metallivaipattomille muovipäällysteisille ilmajohdoille. Tiedonannon mukaan PAS-johdon johtimiin sovelletaan yleensä samoja etäisyysvaatimuksia kuin paljaalla 25 avojohdolla, koska johtimen päällyste ei täytä kosketus-suo jausvaatimuksia. Kuitenkin joissain kohdissa em. määräyksistä saadaan poiketa PAS-johtoa käytettäessä. Näistä poikkeuksista tärkein on johtimien kiinnityskohtien vähim-mäisväli, joka saa olla kolmasosa nykymääräysten määritte-30 lemästä etäisyydestä. Lisäksi etäisyys puista saa olla runsaat 50 % pienempi kuin tavallisilla johdoilla, koska johtimen eristys kestää kaatuneen puun nojaamista jopa kuukausien ajan. Tämä kaventaa tarvittavaa johtokatua ja siten maahankinnan kustannuksia. 110 kV ja sitä suuremmil-35 le suurjännitejohdoille ei ole olemassa vastaavia määräyk- 2 92773 siä, koska eristettyjä 110 kV ja tätä suurempia (esim. 220 kV, 400 kV) avojohtoja ei ole käytössä. Nykyisin käytössä olevat pylväsrakenteet, eristimet ja eristin- sekä johdin-varusteet on suunniteltu lähinnä kirkkaita johtimia var-5 ten. Vaikka esim. 110 kV PAS-johdin kestäisikin puun nojaamista siihen parin tunnin ajan, ei puukosketusta johti-meen voida sallia suuren vuotovirran ja radiohäiriöiden takia. Salamaniskun aiheuttamaa ylilyöntiä tai koronail-miötä ei ole aikaisemmin tarkasteltu näillä jännitetasoil-10 la ja johtimilla lainkaan, koska suurjännitteisten johtojen eristämisen ei sellaisenaan katsottu ratkaisevan muita kuin korkeintaan johtimien kosketuksesta syntyvän oikosul-kuongelman, jos johtimia tuodaan nykyistä lähemmäs toisiaan ja ympäröivää metsää.

15 Viimeisen vuosikymmenen aikana on myös yhä enemmän kiinnitetty huomiota voimajohtojen synnyttämiin sähkö- ja magneettikenttiin. Voimajohdoille on jo määrätty kenttiä koskevia raja-arvoja joissakin USA:n osavaltioissa sekä Italiassa. Avojohtojen synnyttämiin sähkö- ja magneetti-20 kenttiin voidaan vaikuttaa johtojen keskinäisellä sijoituksella. Mahdollisimman pienet kentät saadaan silloin, kun johtimet sijoitetaan mahdollisimman lähelle toisiaan, esim. tasasivuisen kolmion kärkiin. Sähköjohdoilla paljai-den johtimien yhteenlyönti aiheuttaa oikosulun. Yhteen-25 lyöntien ja koronailmiöiden välttämiseksi tarvittavat minimietäisyydet sekä sopivien ja kestävien eristeiden puute ovat käytännössä estäneet muiden kuin perinteisten joh-dinasennustapojen käytön. Yleisimmin Suomessa käytetty asennustapa on vaaka-asennus portaaleihin, joilla saavute-30 taan matalat pylväsrakenteet. Johtimien minimietäisyys on 110 kV:n tapauksessa luokkaa 3,5 m, jolloin johtoaukean leveydeksi 200 metrin jännepituuksia käytettäessä tulee vähintään 16 m. Käytännössä kuitenkin tavallisen johdon vaihe-etäisyys on n. 4,5 m ja sen tarvitsema johtoaukea 26 35 m.

1/ 3 92773

Yllä mainituista syistä ollaan siis jouduttu tilanteeseen, jossa ainakin keski- ja suurjännitteisissä avo-johdoissa johtimien tuominen lähemmäksi toisiaan olisi erittäin toivottavaa ja edullista sekä kustannussyistä 5 (mm. johtokatujen kaventaminen) että ympäristön kannalta (sähkö- ja magneettikenttien vaikutusalueen pienentäminen) , muuta jonka toteuttaminen on nykytekniikalla ristiriidassa suurjännitejohtojen rakentamisperiaatteiden kanssa .

10 Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada suur- jännitteinen avojohto, joka oleellisesti vähentää vaihe-johtimien välillä tarvittavaa etäisyyttä ja joka siten muodostaa nykyisiin avojohtoihin verrattuna kapeampaan johtokatuun sopivan ja pienempiä sähkö- ja magneettikent-15 tiä kehittävän avojohdon. Tämän aikaansaamiseksi keksinnön mukaiselle suurjännitteiselle avojohdolle on tunnusomaista se, että johtimet ovat eristettyjä, että niiden välinen etäisyys pylväiden tukipisteissä on pienempi kuin johtimien välisen kosketuksen välttämiseksi tarvittava minimi-20 etäisyys, ja että ainakin kaksi johdinta on sijoitettu pystysuunnassa eri korkeudelle.

Keksinnön mukaisella avojohdon vaihe johtimien sopivalla valinnalla ja sijoituksella, sekä huomattavalla panostuksella erilaisiin kokeisiin sopivan johdintyypin löy-* 25 tämiseksi, on saavutettu keksinnön mukainen suurjännittei nen avojohto, joka ratkaisee useita perinteisellä tavalla rakennettujen· voimajohtojen ongelmia. Johtokadut voidaan esim. 110 kV: n portaalijohdon tapauksessa pienentää nykyisestä 16 metrin minimileveydestä 10 metriin (delta-asen-30 nus). Johtimien pystysijoituksessa päästään puolestaan merkittävään pylväskorkeuden madaltumiseen. Myös sähkö- ja magneettikenttien voimakkuudet pienenevät merkittävästi nykyisten johtojen kentänvoimakkuuksista, kuten jäljempänä nähdään.

35 Keksinnön muille edullisille sovellutusmuodoille on ··# 4 92773 tunnusomaista se, mitä jäljempänä olevissa patenttivaatimuksissa on esitetty.

Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin esimerkkien avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, jois-5 sa kuvio 1 esittää esimerkin keksinnössä käytettävästä päällystetystä johtimesta, kuvio 2 esittää käyrästöä, jossa on vertailtu eri johtimien pintakentänvoimakkuuden suhdetta koronan sytty-10 miskentänvoimakkuuteen vaihevälin funktiona, kuvio 3 esittää sähkökentän voimakkuutta maan pinnalla eri johtokonfiguraatioita käytettäessä, kuvio 4 esittää magneettivuon tiheyttä maan pinnalla eri johtokonfiguraatioita käytettäessä, ja 15 kuviot 5-8 esittävät esimerkkejä eri avojohtojen pylväsrakenteista.

Kuviossa 1 on esitetty Nokia SAX-355 -johdinta, jota voidaan käyttää keksinnön mukaisessa päällystetyssä suurjänniteavojohdossa. Johtimen virtaa kuljettava osa on 20 pyöreä, langoista 3 kerrattu ja tiivistetty alumiiniseos-johdin. Johdinsuoja 1 on puolijohtavaa muovia sähkökentän tasaamiseksi ja osittaispurkauspaikkojen synnyn estämiseksi metallijohtimen pinnalla. Eristyskerros 2 on erityises-, , ti korkeajännitekaapeleissa käytettävää, ristisilloitetta- 25 vaa XLPE-muovia (PEX-muovia), josta uloin kerros, paksuudeltaan n. 1,5 mm on noella seostettua säänkestoisuuden saavuttamiseksi. Muita johtimen tietoja ovat: sään- ja UV-säteilyn kestävä rakenne, ulkohalkaisija 39 mm, massa 1730 kg/km, murtokuorma 108 kN ja kuormitettavuus 660 A. 110 kV 30 SAX-johdin on päällystetty normaaliin kaapelirakenteeseen verrattuna huomattavasti ohuemmalla eristysmuovikerroksel-la. Eristys on mitoitettu kestämään jänteessä tapahtuvat vaihejohtimien väliset yhteenlyönnit. Kokeessa, jossa kahden johtimen välillä vaikutti 120 kV jännite, niitä lyö-35 tiin yhteen 540000 kertaa ilman läpilyöntiä. Lisäksi suo- 5 92773 ritettiin samoilla johtimilla 17 vrk. kestävä nojauskoe, jossa johdot nojasivat toisiinsa, ilman läpilyöntiä.

Keksinnön mukaisilla eristettyjen johtimien välisillä minimietäisyyksillä johtimien siis sallitaan iskey-5 tyä toisiinsa esim. tuulen tai oikosulkuvoimien vaikutuksesta. Tarvittavat minimietäisyydet on siten laskettava muilla asiaan vaikuttavilla perusteilla kuin oikosulkuta-pauksen kriteereillä. Eräs lähtökohta johtimien (ilmaeris-tys) minimietäisyyden tarkastelulle muodostaa sähköturval-10 lisuusmääräykset, Suomessa Sähkötarkastuskeskuksen julkai su A4-86, Helsinki 1986, jossa on esitetty jäykkiä rakenteita koskevat vähimmäisetäisyysvaatimukset, jotka ovat arvoltaan 1,15 m paljaille 110 kV:n johtimille.

Keksinnön mukaisen, eristetyistä vaihejohtimista 15 muodostetun avo johdon eristyskoordinaatiotarkastelu lähtee kahdesta olettamuksesta: - pylvään latvarakenteet suojaavat koko jänteen; ja - ylilyönti vaiheesta maahan tapahtuu kestotason mukaisella syöksyjännitteellä todennäköisyydellä 10 %, 20 jännitelujuuden hajonnan ollessa 3 %.

Tarkoituksena on mitoittaa vaiheiden välinen ilma-väli siten, että vaihe-maa välissä tapahtuva ylilyönti on riittävän paljon todennäköisempi kuin vaiheiden välisessä ilmavälissä tapahtuva ylilyönti. Em. olettamusten mukaiset • 25 laskelmat osoittivat, että vaiheiden välisen ilmavälin tulee olla vain 3 % suurempi kuin vaiheen ja maan välisen ilmavälin, jotta todennäköisyys vaiheen ja maan välillä tapahtuvaan ylilyöntiin on 10-kertainen verrattuna vaiheiden välillä tapahtuvaan ylilyöntiin. Mikäli haluttu toden-30 näköisyys on 100-kertainen, tulee vaiheiden välisen ilma-välin olla vastaavasti 6 % suurempi.

Koska hakijan käyttämien 110 kV eristinketjujen ylilyöntietäisyys on 87 cm ja vapaa ilmaväli tällä jännitteellä on 90 cm, on suunnittelussa lähdetty siitä, että 35 vaiheiden välillä jännitteisten osien minimietäisyys on • · • l 6 92773 100 cm eli yli 10 % suurempi kuin vaihe-maa ilmaväli. Tätä mitoitusta noudattamalla salaman synnyttämä ylijännite johtaa erittäin suurella todennäköisyydellä yksivaiheiseen maasulkuun kaksivaiheisen oikosulun sijasta.

5 Koska keksinnön mukaisessa eristetyistä vaihejohti- mista muodostetussa avojohdossa sallitaan tavallista pienemmät vaihevälit, on tarkasteltava myös johdinkoronasta mahdollisesti aiheutuvia ongelmia 110 kV jännitteellä. Tämän vuoksi laskettiin johtimen pintakentänvoimakkuuden 10 suhde koronan syttymiskentänvoimakkuuteen vaihevälin funktiona jännitteen ollessa 123 kV. Tulokset on esitetty kuviossa 2. Hakijan käyttämien mitoituskriteerien mukaan kyseinen suhde saa olla taajama-alueilla korkeintaan 0,72 ja muilla alueilla korkeintaan 0,77.

15 Laskennan tulos riippuu käytetystä johtimesta. Kah desta testatusta johtimesta, ACSR 305/39 Duck ja ACSR 152/25 Ostrich, havaittiin että käytettäessä Duck-johdinta vaiheväli voidaan pienentää jopa arvoon 60 cm, ilman että ongelmia koronan suhteen esiintyy. Sama pätee suurin piir-20 tein myös Nokian SAX 355 -johtimelle. Ostrich-johtimella vaiheväli on suurennettava arvoon 130 cm, jotta pintaken-tänvoimakkuus olisi samaa luokkaa. Käyrästöstä ilmenee myös, että johtimien ollessa sijoitettuina pystyyn (Don), ; saavutetaan koronan kannalta edullisempia vaiheväliarvoja 25 kuin niiden ollessa sijoitettuina vaakatasoon (Port).

Johtopäätöksenä voidaan siis esittää, että eristettyjen vaihejohtojen välinen minimietäisyys voi ainakin 110 kV avojohdon tapauksessa olla samaa luokkaa kuin jäykissä rakenteissa käytettävä vähimmäisetäisyys.

30 Keksinnön mukaan on siis osoittautunut, että pääl lystetyt johtimet mahdollistavat vaihevälien huomattavan pienennyksen ja johtokatujen kavennuksen tai vaihtoehtoisesti pylväsrakenteen madaltamisen. PAS-johdon tärkeimpiä etuja on myös sen synnyttämien sähkö- ja magneettikenttien 35 kentänvoimakkuuksien pienuus verrattuna tavallisiin joh-

II

7 92773 töihin pienemmistä vaiheväleistä johtuen. Kuviossa 3 on esitetty käyrät, joista käyvät ilmi suurjänniteavojohdon sähkökentänvoimakkuudet maan pinnalla eri johtotyypeille. Kuviossa 4 on esitetty vastaavat magneettivuon tiheydet.

5 Vertailussa mukana on taulukon 1 mukaisesti tavallinen eristämätön johto vaaka-, kolmio- ja pystykonfiguraatiolla normaaleilla 3...3,5 m vaiheväleillä, sekä PAS-johto vaaka-, pysty-, kolmio- ja deltakonfiguraatioilla ja 1,15 m vaiheväleillä. Esimerkkejä konfiguraatioista on esitetty 10 kuvioissa 5-8. Kuviossa 5 johtimilla on pystysijainti, kuvioissa 6 ja 7 deltasijainti (johtimet sijaitsevat ta-sasivuisen kolmion kärjissä) ja kuviossa 8 tavanomainen vaakasijainti. Vaihejohtimien tukipisteet rakenteissa on kaikissa kuvioissa merkitty viitenumerolla 4. Vaihejohti-15 mien kiinnitys pylväs- tai portaalirakenteisiin on joustava, mikä eliminoi johtojen värähtelyongelmia. Vaihejohtimien eristimet voivat muodostua lyhyempiin vaiheväleihin sovitetuista standardieristimistä.

Lähtötietoarvot kuvioissa 3 ja 4 esitetyille mit-20 taustuloksille ovat seuraavat:

- U = 123 kV

- Kuormitusvirta 100 A, P = 18 MW

- PAS-johdin: SAX 355, σ0 = 40 N/mm2 - Paljas johdin: ACSR 305/39, σ0 = 40 N/mm2 25 - Ukkosjohdin: AACSR 106/25, σ0 = 60 N/mm2

- Virtajohtimen lämpötila +15°C

- Ukkosjohtimen lämpötila +5°C

- Alimman virtajohtimen korkeus maan pinnasta 5,9 m lämpötilassa +70 C (sallittu minimikorkeus) 30 - Jänne ae = a = 200 m

Magneettikentän suhteen voidaan kuvioiden 3 ja 4 sekä taulukon 1 perusteella tehdä seuraavat havainnot: - kun johtimilla on vaakasijainti, PAS-johdolla 35 (kuvio 8) vuontiheyden maksimiarvo pienenee noin kolman- 92773 δ teen osaan vastaavaan eristämättömään johtoon verrattuna. Vuontiheys pienenee taustasäteilyn tasolle (=0,1 μΤ) etäisyyksillä 16 m (PAS) ja 33 m (tav.) johdon keskilinjasta (käyrät 1 ja 6) .

5 - kun johtimilla on pystysijainti, PAS-johdon (ku vio 5) vuontiheyden maksimiarvo putoaa noin puoleen tavalliseen johtoon verrattuna. Vuontiheys pienenee taustasäteilyn tasolle etäisyyksillä 18 m (PAS) ja 33 m (tav.) johdon keskilinjasta (käyrät 2 ja 7).

10 - kun johtimilla on kolmiosijainti, johdon vuonti heyden maksimiarvo ei kovinkaan paljon poikkea tavallisen johdon arvosta (käyrät 3 ja 4) . Vuontiheys pienenee kuitenkin PAS-johtimilla taustasäteilyn tasolle etäisyydellä 21 m johdon keskilinjasta, kun se vastaavan eristämättömän 15 johdon tapauksessa on 25 m. Suhteellisen vaatimaton ero johtuu siitä, että muut tekijät kuin johtimien välinen etäisyys, mm. vapaa ilmaväli, määrää johtimien sijainnin. Näin ollen rakenne molemmilla johdoilla on likimain sama. Sähkökentän voimakkuudessa (kuvio 3) PAS-johdolla saavu-20 tetaan kuitenkin kentänvoimakkuuden huippuarvon puolittuminen.

- PAS-johdon deltasijainti (kuviot 6 ja 7) on kenttien kannalta selvästi paras ratkaisu. Verrattuna tavalliseen eristämättömään portaalijohtoon vuontiheyden maksi-25 miarvo on vain noin viidennes ja taustasäteilyn tasolle vuontiheys pienenee jo 13 m etäisyydellä johdosta (käyrä 8) .

II

9 92773 JOHTO LIITE- LIITE 12 0,1 μΤ 0,2 μΤ __NO. KÄYRÄNO.___[mj__(m)

Tav, vaaka__8__1__1__33__23

Tav, pysty__9__2__0,68__33__21

Tav, kolmio__-__3__0,45__25__16 PAS-kolmio__7/6__4__0,39__21__13 PAS-vaaka__7/1__6__0,33__16__10 PAS-pysty__7/2__7__0,32__18__11 PAS-delta__7/3__8__0,21__13__6

Taulukko 1.

Magneettikenttähavainnot. Β^χΔ magneettikentän vuontiheyden suhteellinen maksimiarvo, 0,1 μΤ (0,2 μΤ) Δ vuontiheys pienenee 0,1 μΤ (0,2 μΤ) tasolle 5 ko. matkan etäisyydellä johdon keskilinjasta.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellutusmuodot eivät rajoitu yllä esitettyihin esimerkkeihin, vaan että ne voivat vapaasti vaihdella jäljempänä 10 olevien patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (4)

92773

1. Suurjännitteinen avojohto, erityisesti yli 100 kV johto, jonka vaihejohtimet kulkevat ilmassa pylväsra- 5 kenteen tukemina, tunnettu siitä, että johtimet ovat eristettyjä, että niiden välinen etäisyys pylväiden tukipisteissä (4) on pienempi kuin johtimien välisen kosketuksen välttämiseksi tarvittava minimietäisyys, ja että ainakin kaksi johdinta on sijoitettu pystysuunnassa eri 10 korkeudelle.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen suurjännitteinen avojohto, tunnettu siitä, että johtimien välinen etäisyys pylväiden tukipisteissä (4) on n. 1,15 metriä 110 kV:n jännitteellä.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen suurjännit teinen avojohto, tunnettu siitä, että johtimet on järjestetty avojohdon poikittaistasossa päällekkäin.

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen suurjännitteinen avojohto, tunnettu siitä, että johtimet on 20 järjestetty avojohdon poikittaistasossa kolmion kärkiin. • · « II 92773