FI95632B - Suurjännitejohdon johdin n. 60 kV ja sitä korkeampijännitteisiä ilmajohtoja varten - Google Patents

Description

1 95632

Suurjännitejohdon johdin n. 60 kV ja sitä korkeampijännitteisiä ilmajohtoja varten Tämän keksinnön kohteena on suurjännitejohdon joh-5 din n. 60 kV ja sitä korkeampi jännitteisiä ilmajohtoja varten.

Tähän astiset suurjänniteavojohdot, joiden vaihe-johtimien jännite ylittää n. 20 kV muodostuvat kirkkaista, eli olennaisesti päällystämättömistä johtimista. Tällöin 10 johtimia on sijoitettava pylväsrakenteisiin siten, että johtimien väliin jää riittävä etäisyys johtimien yhteen-lyönnin estämiseksi.

Toisaalta 20 kV ns. PAS-johdin on yksinkertaisella muovipäällysteellä varustettu ilmajohdin, jota käytetään 15 tällä jännitealueella paljaiden johtimien sijasta. Eris-tysaine on usein ristisilloitettua polyeteeniä XLPE (PEX). Eristys mitoitetaan kestämään johtimien yhteenlyönneistä aiheutuvia jänniterasituksia, mutta ei eristämään johdinta täydellisesti kaapeleiden tapaan. Usein PAS-johdin onkin 20 vaihtoehto paljon kalliimmalle maakaapeliratkaisulle.

Yli n. 60 kV johtimissa ja erityisesti 110 kV ja sitä suuremmissa suurjännitejohtimissa ei käytetä eristeitä tai päällysteitä, koska tunnettujen avojohdoissa käytettyjen eristekerrosten tulisi olla erittäin paksuja • 25 riittävän eristyksen aikaansaamiseksi. Siten nykyisin käy tössä olevat pylväsrakenteet, eristimet ja eristin- sekä johdinvarusteet on suunniteltu lähinnä kirkkaita johtimia varten.

Viimeisen vuosikymmenen aikana on yhä enemmän kiin-30 nitetty huomiota voimajohtojen synnyttämiin sähkö- ja mag-: neettikenttiin ja niiden mahdollisiin vaikutuksiin lähellä asuvien ihmisten terveydelle. Voimajohdoille on jo määrätty magneetti- ja sähkökenttiä koskevia raja-arvoja joissakin USA:n osavaltioissa ja Italiassa.

35 Avojohtojen synnyttämiin sähkö- ja magneettikent- 1 · m 2 95632 tiin voidaan vaikuttaa johtojen keskinäisellä sijoituksella poikkitasossa. Mahdollisimman pienet kentät saadaan silloin, kun johtimet sijoitetaan mahdollisimman lähelle toisiaan, esim. tasasivuisen kolmion kärkiin. Lähemmäksi 5 toisiaan sijoitetuille johtimille riittää myös kapeammat johtokadut, jolloin syntyisi säästöä ainakin maahankin-noissa. Suurjännitteisissä, paljaissa johdoissa oikosulun, ylilyöntien ja koronailmiöiden välttämiseksi tarvittavat minimietäisyydet ovat kuitenkin käytännössä estäneet säh-10 kö- ja magneettikenttien olennaista vähentämistä johtokaduilla ja niiden välittömässä ympäristössä.

Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada suur-jännitejohdin, jonka avulla voidaan toteuttaa mm. kapeampiin johtokatuihin sopivia ja pienempiä sähkö- ja magneet-15 tikenttiä kehittäviä ilmajohtoja. Tämän aikaansaamiseksi keksinnön mukaiselle suurjännitteiselle johtimelle on tunnusomaista se, että johdin on eristepäällysteinen ja suojattu toisen johtimen kosketuksen aiheuttamaa läpilyöntiä vastaan siten, että johtimen eristepäällystys muodostuu 20 sitä ympäröivästä puolijohtavasta kerroksesta ja uloimpana olevasta pintaeristyskerroksesta, sekä näiden välissä olevasta varsinaisesta eristekerroksesta.

Keksinnön mukaisen johtimen eristekerroksen sopivalla valinnalla sekä huomattavalla panostuksella erilai- • 25 siin kokeisiin johdinten turvallisuuden ja kestävyyden selvittämiseksi, ollaan yllättäen aikaansaatu ohut ja valmistuskustannuksiltaan edullinen suurjännitejohdin, joka ratkaisee useimmat perinteisten voimajohtojen ongelmat. Keksinnön mukaista johdinta käyttämällä johtokadut voidaan 30 esim. 110 kV:n tapauksessa pienentää nykyisestä n. 15 met-' rin leveydestä noin puoleen (pystysijoitus), ja mm. mag neettikentän voimakkuudet pienenevät merkittävästi nykyisten johtojen kenttävoimakkuuksista.

Keksinnön muille edullisille sovellutusmuodoille on 35 tunnusomaista se, mitä jäljempänä olevissa patenttivaati- 1

II

· 3 95632

Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin esimerkkien avulla viittaamalla oheiseen kuvioon, joka esittää keksinnön mukaista johdinta.

Kuviossa 1 on esitetty esimerkki keksinnön mukai-5 sesta 110 kV johtimesta, jossa on pyöreä, halkaisijaltaan noin 20 mm oleva kierretyistä metallilankakerroksista 3 muodostettu alumiiniseosjohdin, jonka kerrosten välissä veden eteneminen on esim. rasvalla tai kosteudesta paisuvan pulverin avulla estetty. Johdinsuoja 4 on puolijohta-10 vaa muovi- tai kumimateriaalia. Puolijohtavuus on yleensä aikaansaatu seostamalla ristisilloitettavaan eristemateriaaliin nokea noin 30...40 % (erityisnokea käytettäessä puolijohtavuus voidaan saavuttaa jo noin 10 %:n seostuksella). 110 kV eristepäällystetyssä johtimessa johdinsuo-15 jakerros on noin 1...2 mm paksu. Johdinsuojan tehtävänä on tasoittaa metallilangoista kerratun johtimen pinnalle, pinnan epätasaisuuksista aiheutuvia jännitehuippuja ja estää osittaispurkauspaikkojen syntyä.

Puolijohtavaa kerrosta 4 ympäröivä varsinainen 20 eristekerros 1 on erikoispuhdasta XLPE-muovia, jonka paksuus 110 kV tapauksessa on esim. noin 5 mm. Erikoispuh-tautta vaaditaan eristemateriaalista korkeilla jännitteillä tapahtuvien läpilyöntien riskin minimoimiseksi. Ris-tisilloitettua polyeteeniä käytetään lähinnä sillä saavu-25 tettavan puhtausasteen, lämmönsietokyvyn, lujuuden ja * eristysominaisuuksien takia. Ulkokerros on n. 1,5 mm pak su esim. noella säänkestäväksi seostettu eristekerros. Nokipitoisuus on edullisesti 2...3 %, joka takaa kerrokselle riittävät suojaominaisuudet esim. UV-säteilyä vas-30 taan aiheuttamatta kuitenkaan johtimen pintakerrokseen liian suurta johtokykyä.

Raaka-aineena voidaan ristisilloitettavan polyetee-nin (XLPE CPEX) sijasta käyttää myös eteenipropeenikumia eli EP-kumia (EDPM tai EPR).

35 Muista keksinnön mukaisen 110 kV esimerkkijohtimen tiedoista mainittakoon ulkohalkaisija n. 39 mm, massa 1730

» · V

4 95632

Muista keksinnön mukaisen 110 kV esimerkkijohtimen tiedoista mainittakoon ulkohalkaisija n. 39 mm, massa 1730 kg/km, murtokuorma 108 kN ja kuormitettavuus 660 A. Keksinnön mukaista johdinta voidaan paitsi vaihtovirtajoh-5 doissa, käyttää yhtä hyvin tasavirtavoimansiirtoon, jolloin kolme vaihejohdinta korvataan esim. kahdella johtimella (jännite + maa).

Keksinnön mukainen johdin on siis päällystetty normaaliin kaapelirakenteeseen nähden huomattavasti ohuemmal-10 la eristekerroksella, joka nimenomaan on mitoitettu kestämään jänteessä tapahtuvat vaihejohtimien väliset yhteen-lyönnit. Eristekerroksella siten ei edes pyritä eristämään johdinta täydellisesti, vaan ulkokerroksen pinnalla on mA-luokkaa olevia vuotovirtoja, joten esim. 110 kV johtimen 15 koskettaminen paljain käsin on hengenvaarallista.

Kokeissa, joissa kahdessa johtimessa vaikutti 120 kV jännite, johtimia lyötiin yhteen 540000 kertaa ilman läpilyöntiä. Lisäksi suoritettiin samoilla johtimilla 17 vrk. kestävä nojauskoe, jossa johdot nojasivat toisiinsa, 20 ilman että läpilyöntiä esiintyi. Siten keksinnön mukaisten johtimien sallitaan iskeytyä toisiinsa esim. tuulen ja oikosulkuvoimien vaikutuksesta. Johtimien tarvittavat minimietäisyydet on siten laskettava muilla asiaan vaikuttavilla perusteilla kuin oikosulkutapauksen kriteereillä. On • 25 osoittautunut mahdolliseksi vähentää 110 kV vaihejohtimien välejä nykyisestä n. 2 metristä noin puoleen.

Joka tapauksessa on siis osoittautunut, että keksinnön mukaiset päällystetyt johtimet mahdollistavat vai-hevälien huomattavan pienennyksen ja johtokatujen kaventa-30 misen. Seurauksena tästä on päällystetyistä johtimista ♦ : muodostetun johdon synnyttämien sähkö- ja magneettikent tien kentänvoimakkuuksien pienuus verrattuna tavallisiin johtoihin. 1

II

· = 95632

JOHTO Bmax 0.1 uT 0.2 uT

Kirkas vaaka 1 33 23 5 Kirkas pysty 0,68 33 21

Kirkas kolmio 0,45 25 16 Pääll. kolmio 0,39 21 13 Pääll. vaaka 0,33 16 10 Pääll. pysty 0,32 18 11 10 Pääll. delta 0,21 13 6

Bmax = magneettikentän vuontiheyden suhteellinen maksimiarvo Ο,ΙμΤ ja 0,2μΤ = vuontiheys pienenee ko. tasolle 15 taulukon osoittaman metrimäärän etäisyydellä johdon keskilinjasta TAULUKKO 1

Taulukosta 1 käy ilmi suurjänniteavojohdon magneet-20 tivuon tiheydet maan pinnalla eri johtotyypeille. Vertailussa mukana on tavallinen eristämätön johto vaaka-, kolmio- ja pystykonfiguroinnilla normaaleilla 2 m vaihevä-leillä, sekä keksinnön mukainen päällystetty johto vaaka-, pysty-, kolmio- ja deltakonfiguraatioilla ja 1,15 m vaihe-25 väleillä. Lähtötietoarvot taulukossa l esitetyille mittaustuloksille ovat seuraavat:

- U = 123 kV

- Kuormitusvirta 100 A, P = 18 MW

- päällystetty johdin: SAX 355, σ0 = 40 N/mm2 > 30 - Paljas johdin: Duck, σ0 = 40 N/mm2 • . 2 - Ukkosjohdm: Sustrong, σ0 = 60 N/mm

- Virtajohtimen lämpötila +15°C

- Ukkosjohtimen lämpötila +5°C

- Alimman virtajohtimen korkeus maan pinnasta 5,9 m 35 lämpötilassa +70 C (sallittu minimikorkeus) : - Jänne ae = a = 200 m

Magneettikentän suhteen voidaan taulukon 1 perusteella tehdä seuraavat havainnot: - kun johtimilla on vaakasijainti, PAS-johdolla 40 vuontiheyden maksimiarvo pienenee noin kolmanteen osaan 1 · 6 95632 vastaavaan eristämättömään johtolinjaan verrattuna. Vuon-tiheys pienenee taustasäteilyn tasolle (=0,1 μΤ) etäisyyksillä 33 m vast. 16 m johdon keskilinjasta.

- kun johtimilla on pystysijainti, PAS-johtolinjan 5 vuontiheyden maksimiarvo putoaa noin puoleen tavalliseen johtoon verrattuna. Vuontiheys pienenee taustasäteilyn tasolle etäisyyksillä 33 m vast. 18 m johdon keskilinjasta.

- kun johtimilla on kolmiosijainti, johdon vuonti-10 heyden maksimiarvo ei kovinkaan paljon poikkea tavallisen johdon arvosta. Vuontiheys pienenee kuitenkin PAS-johdoilla taustasäteilyn tasolle etäisyydellä 21 m johdon keskilinjasta, kun se vastaavan eristämättömän johdon tapauksessa on 25 m. Suhteellisen vaatimaton ero johtuu siitä, 15 että muut tekijät kuin johtimien välinen etäisyys, mm. vapaa ilmaväli, määräävät johtimien sijainnin. Näin ollen rakenne molemmilla johdoilla on likimain sama. Sähkökentän voimakkuuden mittauksissa todettiin kuitenkin PAS-johdoil-la saavutetaan kenttävoimakkuuden huippuarvon puolittumi-20 nen.

- PAS-johdon deltasijainti (tasasivuinen kolmio) on kenttien kannalta selvästi paras ratkaisu. Verrattuna tavalliseen eristämättömään portaalivaakajohtoon vuontiheyden maksimiarvo on vain noin viidennes ja taustasäteilyn • 25 tasolle vuontiheys pienenee jo 13 m etäisyydellä johdosta.

Keksinnön mukaista johdinta voidaan valmistaa tunnetulla tavalla ilman suuria muutoksia esim. maakaapelin eristyslinjoissa. Kolmoispuristustekniikalla voidaan johtimen kaikki päällystyskerrokset aikaansaada yhdessä työ-30 vaiheessa.

! Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellutusmuodot eivät rajoitu yllä esitettyihin esimerkkeihin, vaan että ne voivat vapaasti vaihdella jäljempänä olevien patenttivaatimusten puitteissa. 1

II

Claims (5)

95632

1. Suur jännite johdin n. 60 kV ja sitä korkeampi jännitteisiä ilmajohtoja varten, tunnettu siitä, että 5 johdin (3) on eristepäällysteinen ja suojattu toisen johtimen kosketuksen aiheuttamaa läpilyöntiä vastaan siten, että johtimen (3) eristepäällystys muodostuu sitä ympäröivästä puolijohtavasta kerroksesta (4) ja uloimpana olevasta säänkestävästä pintaeristyskerroksesta (2), sekä 10 näiden välissä olevasta varsinaisesta eristekerroksesta (1).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen johdin, tunnettu siitä, että eristemateriaalina käytetään ristisi Iloittuvaa polyeteeniä (XLPE).

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen johdin, tun nettu siitä, että eristemateriaalina käytetään EP-kumimateriaalia (EPDM tai EPR).

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen johdin, tunnettu siitä, että säänkestävä pintaeristyskerros (2) 20 on aikaansaatu lisäämällä eristemateriaaliin noin 2...3 % nokea.

5. Eristepäällysteinen ja toisen johtimen kosketuksen aiheuttamaa läpilyöntiä vastaan suojatun johtimen (3) käyttö, jonka eristepäällystys muodostuu ympäröivästä puo- • 25 lijohtavasta kerroksesta (4) ja uloimpana olevasta pinta eristyskerroksesta (2), sekä näiden välissä olevasta varsinaisesta eristekerroksesta (1), n. 60 kV ja sitä kor-keampijännitteisissä vaihtovirta- ja tasavirtailmajohdoissa. 1 . · β 95632