A villamosenergetika II. Második rész
Villamoshálózat rendszere Hálózati feszültségszintek: Alaphálózat, nagyfeszültség 400, 220, 120 kv Középfeszültségű elosztóhálózat: 35, 20, 10, 6 kv Kisfeszültségű hálózat: 0,4 kv Tóth Ferenc Villamosenergetika 2015 2
A villamosenergia rendszer első szintje az MVM országos alaphálózata, amelyet elősorban a 400 kv (1 kilovolt = 1000 Volt) feszültségű távvezetékek és a kapcsolódó alaperőművek alkotnak. A második szint az áramszolgáltató vállalatok által üzemeltetett főelosztó hálózat, amely 120 kv feszültségű, biztosítja az energia szállítását a fogyasztói csomópontokhoz (városokhoz, kerületekhez, nagyfogyasztókhoz). Az alállomások a 120 kv-os nagyfeszültség átalakítását végzik a harmadik szint, a helyi elosztóhálózatok feszültségszintjére, amely a 20 és 10 kv-os középfeszültség. A középfeszültségű hálózatról üzemelnek az általában utcai elhelyezésű elosztóhálózati transzformátorok, amelyek a kisfeszültségű elosztóhálózat, a lakosság és más fogyasztók számára a 400/230 V-os feszültségszintet biztosítják. Tóth Ferenc Villamosenergetika 2015 3
Az erőművekből távvezetékek szállítják el a villamos energiát azokra a nagy hálózati csomópontokra (transzformátor állomások), amelyek segítségével a termelő berendezések, illetve ma már a szomszédos országok kölcsönös együttműködése is megvalósul. Hazánkban ezek az ún. alaphálózati (átviteli hálózati) vezetékek 750, 400 és néha 220 kv feszültségűek. Ez a hálózat táplálja azután a 120 kv feszültségű főelosztóhálózatot, amely a fogyasztás súlypontjaiba juttatja a villamos energiát. A nagyfeszültségű hálózatokat (alap- és főelosztó hálózat, 400 kv, 220 kv, 120 kv) nagy teljesítmények nagy távolságra történő energia szállítására létesítik. Ezek a hálózatok táplálják meg a nagy/középfeszültségű transzformátor állomásokat. A középfeszült hálózatok (elosztó hálózatok, 10 kv, 20 kv és 35 kv-os hálózatok) a fogyasztók közelében létesített közép/kisfeszültségű transzformátor állomásokat látják el villamosenergiával. A kisfeszültségű hálózatok (0,4 kv-os hálózatok) a fogyasztók közvetlen energia ellátását szolgálják. A villamosenergia hálózatok lehetnek közcélú villamos hálózatok, vagy egy meghatározott üzem, berendezéshez kapcsolódó saját tulajdonú hálózat. Tóth Ferenc Villamosenergetika 2015 4
Országos alaphálózat: A nagy erőműveket és állomásokat nagyfeszültségű hurkolt hálózattal kötik össze, ez az un. országos alaphálózat. Ez teszi lehetővé a nagy villamos teljesítmények szállítását. Az alaphálózatra csatlakoznak az országos alállomások, amelyek a főelosztó hálózat táppontjai. Az itt használatos feszültségszintek: 220 kv és 400 kv. A nagyfeszültségű hálózattal létrejövő művi, állomási kapcsolatok hozzák létre a villamosenergia rendszert. A vezetékhálózat különböző feszültségű szakaszainak összekapcsolása, az egyes szakaszok ki-, bekapcsolása, az energiaelosztás, a hálózat megfelelő helyein telepített alállomások feladata. Az alállomásokon transzformátorok és megfelelő kapcsolóberendezések üzemelnek. Főelosztóhálózat: Rendeltetése a villamosenergia szállítása az alaphálózati csomópontoktól a főbb körzetekben lévő elosztóhálózatok táppontjaihoz. A tápponti alállomások általában a körzetek fogyasztói súlypontjában helyezkednek el. A feszültségszint: 35 kv, 120 kv. Elosztóhálózat: A főelosztó hálózatra csatlakozó állomások az elosztóhálózat táppontjai, amelyek a kisebb körzeteket, pl.: falvakat látják el energiával. Feszültségszintek: 20 kv, 10 kv. Tóth Ferenc Villamosenergetika 2015 5
Tóth Ferenc Villamosenergetika 2015 6
A villamos hálózatokkal valósítják meg az erőművek együttműködését, a termelt energia országon belüli elosztását, valamint az egyes országok villamosenergia-rendszerei közötti kapcsolatot, azaz együttműködést (kooperációt). A villamos energia előállítására, átvitelére és elosztására szolgáló berendezések összességét villamos műveknek nevezzük, ezek együttműködő rendszerét pedig villamosenergia-rendszernek. A jelenlegi villamosenergia-rendszer nemzetközi összeköttetésekkel is rendelkezik. Ezek segítségével lehetőség van szerződés szerinti energiaforgalomra, amelyet ugyancsak az érintett országok országos teherelosztóinak együttműködése tesz lehetővé. Ez azzal az előnnyel jár, hogy egy-egy országban kevesebb erőművi termelő berendezés tartalékolására van szükség, mert számítani lehet az országhatáron túlról érkező kisegítésre, akár üzemzavaros helyzetben is. Villamos távvezeték oszlopok Tóth Ferenc Villamosenergetika 2015 7
Az erőművek transzformátorai táplálják az alaphálózatot. Az alaphálózat feszültsége 220, 330 (Oroszországban), 400 vagy 750 kv (régebben Magyarországon 120 kv volt). Az alaphálózat látja el a jelentősebb csomópontokban lévő transzformátorállomásokat. Ezek az állomások látják el a főelosztó - és elosztóhálózatokat. A főelosztó hálózat feszültsége 120 vagy 220 kv, az elosztóhálózatoké pedig 10, 20 és 35 kv. A főelosztó hálózathoz kapcsolódnak a nagy ipari üzemek is. Az elosztóhálózathoz csatlakoznak a kisebb ipari fogyasztók és a fogyasztói transzformátorállomások, amelyek a kisfeszültségű elosztóhálózatot táplálják. A kisfeszültségű elosztóhálózat látja el a kisfogyasztókat és a kisebb üzemeket energiával, valamint erről a hálózatról üzemel a közvilágítás is. A kisfeszültségű elosztóhálózat 0,4 kv-os (3 x 400/230 V). A villamos energiát hálózatokon keresztül szállítjuk a termelőktől a fogyasztókig. A hálózatok lényegében vezetékek, amelyek csomópontokat kötnek össze, vagy egy fogyasztót látnak el. A hálózatokat gyűjtősínek, szabadvezetékek és kábelek alkotják. A hálózatokat csoportosíthatjuk rendeltetésük, feszültségük és alakzatuk szerint. A villamos hálózatok frekvenciája általában 50 Hz, viszont Amerikában a 60 Hz terjedt el. Tóth Ferenc Villamosenergetika 2015 8
Nagyfeszültségű, egyenáramú energiaátvitel. A nagy távolságú, nagyfeszültségű váltakozó áramú energiaátvitel hátrányi, hogy a vezeték kapacitása miatt és a nagy térerősség általi kisugárzás miatt nagy a levezetési veszteség. Az áram a vezető felületén fénysebességgel terjed, ezért pl. az 50 Hz-es váltakozófeszültség 750 km-re a tápponttól már 1 periódussal marad le. Tehát az induktív feszültség összetevőnek az üzemi feszültséghez, valamint a kapacitív töltőáramnak a terhelőáramhoz viszonyított nagy értékei veszélyeztetik az átvitel stabilitását és gazdaságosságát. Egyenáram alkalmazása esetén ezek a veszteségek elmaradnak, és ráadásul a vezetékelrendezés és a kapcsoló berendezések kialakításai is egyszerűbbek, mint háromfázisú átvitel esetén. Tehát a műszaki és gazdasági szempontokat figyelembe véve a nagytávolságú, transzkontinentális energiaátvitel egyenáram segítségével oldható meg. Tóth Ferenc Villamosenergetika 2015 9
Egyenáramú energiaátvitel A gyakorlatban már régóta alkalmazzák a nagyfeszültségű, egyenáramú átvitelt. Napjainkban erre a célra egyenirányítókat és tirisztorokat használnak. Az első közüzemi egyenáramú átvitel az 1950-es években készült, és a Balti-tengeren fekvő Gotland szigetet látja el energiával, amely a szárazföldtől 100 km-re található. A sziget 30 kv-os háromfázisú hálózatát 100 kv-os, egyenáramú tengeralatti kábellel kötötték össze a szárazföld 132 kv-os háromfázisú energiarendszerével. Tóth Ferenc Villamosenergetika 2015 10
A hálózatok szabványos feszültségei az MSZ 1 szerint: -törpefeszültségű hálózat: 50 V alatt -kisfeszültségű hálózat: 0,4 kv (3 x 400/230 V) - -ipari üzemek belső elosztóhálózata: 1, 6, 10, 20 kv - -elosztóhálózat: 10, 20, 35 kv - -főelosztóhálózat: 120, 220, 330 kv - -országos alaphálózat: 330, 400, 750 kv - nemzetközi kooperációs hálózat: 120, 220, 400, 750 kv Tóth Ferenc Villamosenergetika 2015 11
A hálózatokat különböző csoportokba sorolhatjuk aszerint, hogy milyen célból létesítették őket. Alaphálózaton azon hálózatok összességét értjük, amelyek az erőművekben termelt villamos energia összegyűjtésére, az erőművek együttműködésére, valamint az összegyűjtött energiának a nagy fogyasztói súlypontokba szállítására szolgálnak. Ezek a hálózatok alkotják az országos villamosenergiarendszer gerincét. Nemzetközi kooperációs hálózaton azokat a hálózatokat értjük, amelyek a szomszédos országok alaphálózatait kötik össze. A nemzetközi kooperáció villamosenergia-import illetve -export céljára szolgálnak. Főelosztóhálózaton azon hálózatokat értjük, amelyek feladata a villamos energia szállítása az alaphálózati csomópontokból az elosztóhálózat táppontjaiba. Elosztóhálózatnak nevezzük azokat a középfeszültségű (10-35 kv) hálózatokat, amelyek a főelosztóhálózatból táplált transzformátorállomásokat kötik össze a fogyasztói transzformátorállomásokkal vagy a középfeszültségű fogyasztókkal. Fogyasztói elosztóhálózatnak nevezzük azokat a kisfeszültségű hálózatokat, amelyek a fogyasztók közvetlen ellátására szolgálnak. A hálózatok kialakítását, alakzatát megszabja a hálózat rendeltetése és a táplált fogyasztók energiaellátásának üzembiztonsága. Néhány tipikus alakzat: Tóth Ferenc Villamosenergetika 2015 12
Célvezeték (tápvezeték): az olyan vezeték, amely az elosztóhálózat táppontjaiból indul, és egyetlen fogyasztót lát el úgy, hogy a vezetékhez más fogyasztói leágazások nem kapcsolódnak. Párhuzamos vezeték: nagy fontosságú csomópontokat vagy üzemeket köt össze két vagy több vezetéken keresztül. Ilyen lehet például a kétrendszeru távvezeték vagy két párhuzamosan lefektetett kábel. Ezek egymás tartalékául szolgálnak. Sugaras hálózat: egy pontból táplált, többszörösen szétágazó nyitott vezetékrendszer, amelyben az energia a fogyasztókhoz csak egy úton juthat el. Előnye, hogy a hálózat jól áttekinthető, a hibahely könnyen meghatározható, védelme egyszerű. Hátránya, hogy üzemzavar esetén nagy terület maradhat energia nélkül, valamint a legutolsó fogyasztónál nagy a feszültségesés. Gyűrűs hálózat: egyetlen táppontból kiinduló és oda visszatérő gerincvezetékből, valamint a hozzá kapcsolódó leágazásokból áll. Előnye, hogy a fogyasztók két irányból kapnak villamos energiát, így meghibásodás esetén a megfelelő szakasz kizárható, és a többi fogyasztó ellátható. Hátránya, hogy a táppont kiesése esetén az összes fogyasztó energia nélkül marad, valamint a hálózat védelme bonyolultabb. Tóth Ferenc Villamosenergetika 2015 13
Tóth Ferenc Villamosenergetika 2015 14
Több pontban táplált hálózat: lényegében olyan gyűrűs hálózat, amely két vagy több, egymástól független táppontba csatlakozik. A gerincvezeték megszakítókkal több részre osztható, így üzemzavar vagy karbantartás miatt az egyes szakaszok kizárhatók. Bármely táppont kiesése esetén is biztosítható a fogyasztók energiaellátása. Hátránya, hogy az ilyen hálózat már bonyolult védelmet igényel, ezért célszerű, hogy normál üzemállapotban a gerincvezetéket két sugaras hálózatra osztjuk, és csak üzemzavar esetén kapcsoljuk össze. Ezáltal a hálózat egyszerűen védhető. Körvezeték: olyan zárt vezetékhálózat, amely a táppontból kiindulva az összes fogyasztó érintése után visszatér a táppontba. A körvezeték kialakítható két táppontból indítva is. Az egyes fogyasztói gyűjtősíneket összekötő vezetékszakaszokról további leágazások nincsenek. A körvezetékre csatlakozó fogyasztó üzemszerűen mindig két irányból kap táplálást, ami az energiaellátás minőségét és biztonságát növeli. Hátránya a nagyobb beruházási költség, valamint a táppontok kiesése az összes fogyasztót érinti. Hurkolt hálózat: a vezetékek egymással összekapcsolt, bonyolult, zárt rendszert alkotnak. A vezetékek több csomópontot és fogyasztói táppontot kötnek össze, ezért ez a hálózat a legüzembiztosabb. Mivel a fogyasztókhoz egyidejűleg több úton juthat el az energia, ezért itt a legkisebb a feszültségesés. Hátránya, hogy bonyolult védelmet igényel és a létesítési költsége nagy. Ilyen kialakítású általában az elosztóhálózat, az alaphálózat és a Tóth városi Ferenc középfeszültségű kábelhálózat. Villamosenergetika 2015 15
Tóth Ferenc Villamosenergetika 2015 16
A nagyfeszültségű hálózat elemei Vezetékek. Feladata a villamos erőátvitel. A hálózatok kialakítása történhet szabadvezetékek vagy kábelek alkalmazásával. A nagyfeszültségű hálózatok túlnyomórészt mégis szabadvezetékes kialakításúak, mivel a csupasz vezetékek távvezetékoszlopokra való szerelése jóval olcsóbb, mint a kábelvonalak létesítése. Hazánkban csak néhány nagyfeszültségű kábel (120 kv-os) üzemel, mindegyik Budapest területén. Gázszigetelésű kábelek Tóth Ferenc Villamosenergetika 2015 17
Kábelek szerkezete Tóth Ferenc Villamosenergetika 2015 18
Szabadvezetékeinken csupasz alumínium sodronyokat használnak, amelyek megfelelnek mind a villamos, mechanikai, vegyi, valamint a gazdasági követelményeknek is. A 400 illetve 750 kv-os hálózatokon a nagyobb energiaátvitel biztosítása érdekében a vezetékeket kötegelik, ilyenkor 3-4 sodrony is lehet egymás mellett. Ezáltal nő a vezeték keresztmetszet, csökken az ellenállás és csökken a vezeték sugárzása is. Tóth Ferenc Villamosenergetika 2015 19
Szigetelők. Feladata a vezeték tartása és a földtől való elszigetelése. A szigetelők anyaga általában porcelán, de lehet még üveg vagy műgyanta is. A nagyfeszültségű hálózatokon szabadtéri szigetelőket használnak. Tóth Ferenc Villamosenergetika 2015 20
ES típusú egysapkás szigetelő. Korong alakú, felső részén fémsapka, alsó részén pedig csatlakozó szerelvény található. Láncokba szerelve alkalmazzák. Mivel a szigetelő viszonylag kicsi, ezért a lánc rendkívül mozgékony lesz. KS típusú kétsapkás szigetelő. Henger alakú, két ernyővel, és mindkét végén öntöttvas sapkával ellátott szigetelő. Láncokba szerelve alkalmazzák. Nagy a villamos és a mechanikai szilárdsága. HR típusú hosszúrúd-szigetelő. Tömör hengeres testű szigetelő, amelyen sűrű bordázat és a végein öntöttvas sapka található. Többféle méretben készül, szigetelőláncokba fűzve használják. Jól bírja a húzási igénybevételt, viszont nagyon merev. ES KS HR Támszigetelőket: akkor használnak nagyfeszültségű hálózatokon, ha azt a nagy zárlati igénybevételek indokolják. Tóth Ferenc Villamosenergetika 2015 21
A megfelelő mechanikai illetve villamos tulajdonságok elérése miatt a szigetelőket láncokba fűzik. Ezek tartják a sodronyokat. A szigetelőláncokat ívterelő szerelvényekkel is ellátják, így az átívelés nem a szigetelő felülete mentén következik be. Tóth Ferenc Villamosenergetika 2015 22
Oszlopok. A nagyfeszültségű szabadvezetékes hálózatokon acéloszlopokat használnak a vezetők elhelyezésére. Az acéloszlopoknak több típusa is létezik, három ismertebbet mutatnak a. A távvezetéken 3-5 km-enként, illetve nyomvonaltöréseknél feszítőoszlopokat alkalmaznak, amelyek a vezetékek megfelelő feszítését biztosítják. Tóth Ferenc Villamosenergetika 2015 23
Tóth Ferenc Villamosenergetika 2015 24
Tóth Ferenc Villamosenergetika 2015 25