Középfeszültségû tervezési segédlet
Tartalomjegyzék Ismertetés 3. Fémtokozású gyártott berendezés 3. Feszültség 4. Áramerôsség 6. Frekvencia 7. A kapcsolókészülékek feladatai 7. Tokozási típusok 8. Tervezési szabályok 9. Zárlati teljesítmény 9. Zárlati áram 10. Transzformátor 11. Szinkrongenerátor (váltakozó áramú generátorok és motorok) 12. Aszinkron motor 12. A háromfázisú zárlati áramerôsség számítási módjának felidézése 13. Példák háromfázisú számításokra 15. Gyûjtôsín-számítások 19. Hôállóság 22. Elektrodinamikai szilárdság 25. Rezonáns önfrekvencia 27. Gyûjtôsín-számítási példa 28. Szigetelési szilárdság 36. A közeg szigetelési szilárdsága 36. Az alkatrészek alakja 37. Az alkatrészek közti távolság 37. Védettségi fokozat 39. IP kód 39. IK kód 41. Kapcsolókészülékek kiválasztása 43. Középfeszültségû megszakító 43. Áramváltó 52. Feszültségváltó 59. A névleges értékek csökkentése 62. Mértékegységek 64. Alap mértékegységek 64. Származtatott jellemzôk és mértékegységek 64. Az angol és a nemzetközi mértékegységek (SI) közti összefüggések 66. Szabványok 67. Az idézett szabványok 67. IEC - ANSI összehasonlítások 68. CEI ANSI összehasonlítások 72. Betûrendes névmutató 77. Schneider Electric 1
0Tervezési segédlet Ez a segédlet mûszaki megoldások katalógusa a középfeszültségû berendezések tervezôi számára. Célunk b Szemléltetve segíteni a középfeszültségû berendezések szabványoknak megfelelô kiválasztását. b Tervezési szabályokat szolgáltatni a középfeszültségû cellasor méreteinek és névleges értékeinek kiszámításához. Hogyan? b Egyszerû és érthetô számítási sémákkal vezetve a tervezôt, lépésrôl lépésre. b A témákhoz kapcsolódó számítási példák bemutatásával. b Információkat szolgáltatva a mértékegységekrôl és a nemzetközi szabványokról. b A nemzetközi szabványokhoz történô viszonyításokkal. Összegezve: A segédlet segítséget nyújt a berendezés méreteinek kiszámításához és hasznos információkkal szolgál a középfeszültségû kapcsolóberendezés megtervezéséhez. 2 Schneider Electric
Ismertetés 0Fémtokozású gyártott berendezés Indulásként, íme néhány alapvetô információ a középfeszültségû kapcsolóberendezésekrôl! A hivatkozások az International Electrotechnical Commission (IEC) szabványainak megfelelnek. Bevezetés A középfeszültségû cellák tervezéséhez ismerni kell az alábbi alapvetô értékeket: b feszültség b áramerôsség b frekvencia b zárlati teljesítmény A feszültség, a névleges áramerôsség és a frekvencia értékét általában ismerjük, vagy könnyen meg tudjuk állapítani. Hogyan tudjuk kiszámítani a zárlati teljesítményt vagy áramerôsséget a berendezés egy adott pontján? A hálózati rendszer zárlati teljesítményének ismeretében ki tudjuk választani a cellasor azon részeit, amelyeknek jelentôs hômérsékletemelkedést és elektrodinamikus hatást kell elviselniük. A feszültség (kv) ismeretében meg tudjuk határozni, hogy mekkora legyen az egyes részek szigetelési ellenállása. (Például: megszakítók, szigetelôk, áramváltók.) A villamos hálózatok lekapcsolása, vezérlése és védelme kapcsolókészülékek használatával valósítható meg. b A fémvázas kapcsolóberendezések három alcsoportba sorolhatók: v tokozott v rekeszelt v egyterû Schneider Electric 3
Ismertetés 0Fémtokozású gyártott berendezés Feszültség U (kv) üzemi feszültség Ez a feszültség található a berendezés kivezetésein. Rated voltage Ur (kv) névleges feszültség A névleges feszültség azon feszültség effektív értékének a maximuma, amelyet a berendezés normál üzemeltetési körülmények között el tud viselni. A névleges feszültség mindig magasabb az üzemi feszültségnél, és egy szigetelési szint tartozik hozzá. Ud (kv eff. 1 perc) és Up (kv csúcs) szigetelési szint Ez határozza meg a berendezés szigetelési ellenállását a kapcsolási túlfeszültségekkel vagy az impulzusszerû túlfeszültségekkel szemben. b Ud: belsô eredetû túlfeszültség, amely az áramkörben történô minden változást kísér: egy áramkör nyitását vagy zárását, egy szigetelés letörését vagy lecsökkenését, stb. Ezt laboratóriumban állítják elô névleges frekvenciájú, 1 percig tartó próbafeszültséggel. b Up: külsô vagy légköri eredetû túlfeszültség, amely akkor keletkezik, ha villám csap a hálózatba vagy annak közelébe. Az ennek eredményeként keletkezô feszültséghullámot laboratóriumban képezik le, és névleges lökô próbafeszültségnek nevezzük. Megjegyzés: az IEC 694 szabvány 4. cikkelye fekteti le a különbözô feszültségértékeket, a 6. cikkelyben lefektetett szigetelési vizsgálati feltételekkel együtt. Példa: b Üzemi feszültség: 20 kv b Névleges feszültség: 24 kv b Ipari frekvenciás szigetelési próbafeszültség 50 Hz 1 mn: 50kV eff. b Lökô-próbafeszültség 1.2/50 µs: 125 kv csúcs. 4 Schneider Electric
Ismertetés 0Fémtokozású gyártott berendezés Szabványok Különleges esetektôl eltekintve a MERLIN GERIN berendezések kielégítik az IEC 60 071 és 60 298 szabványok 1. sorozat táblázatának két listájában felsoroltakat. Névleges feszültség Névleges ívelési lökô próbafeszültség 1.2/50 µs Ipari frekvenciás névleges szigetelési feszültség 50 Hz Normál üzemi feszültség kv eff. kv csúcs 1 perc kv eff. kv eff. 1. lista 2. lista 7.2 40 60 20 3.3 6.6 12 60 75 28 10 11 17.5 75 95 38 13.8 15 24 95 125 50 20 22 36 145 170 70 25.8 36 Ezek a szigetelési feszültségszintek fémtokozású kapcsolóberendezésekre 1000 méter tengerszint fölötti magasságig, 20 C-nál, 11g/m 3 páratartalom és 1013 mbar légnyomás mellett alkalmazhatók. Ezen határok felett a szintértékek csökkentésével kell számolni. Minden szigetelési szinthez tartozik egy levegôben mért szigetelési távolság, amely próba nélkül is garantálja a berendezés szigetelési ellenállását. Névleges feszültség kv eff. Névleges szigetelési lökô-próbafeszültség 1.2/50 µs kv csúcs 7.2 60 10 12 75 12 17.5 95 16 24 125 22 36 170 32 Földtôl mért távolság levegôben cm IEC szabvány szerinti feszültségek Um U 0,5 Um Névleges ipari frekvenciás szigetelési feszültség 50Hz 1 perc 20 28 38 50 70 Névleges feszültség 7,2 12 17,5 24 36 60 75 95 125 170 Ud Ur Up 0 1,2 µs 50 µs Névleges szigetelési lökôfeszültség t Schneider Electric 5
Ismertetés 0Fémtokozású gyártott berendezés Áramerôsség Ir (A) névleges áramerôsség Ez annak az áramerôsségnek az effektív értéke, amelyet a zárt berendezés képes elviselni a szabványokban megengedett hômérsékletemelkedési érték meghaladása nélkül. Az alábbi táblázat tartalmazza az IEC által megengedett hômérsékletemelkedési értékeket az érintkezôtípusok függvényében. Névleges áramerôsség: Az anyag felépítése Maximális értékek A vezetô max. hômérséklete ( C) érintkezés levegô közegben csupasz réz vagy rézötvözet 75 35 ezüst- vagy nikkelbevonat 105 65 ónozott 90 50 csavarozott vagy ezzel egyenértékû érintkezések csupasz réz, réz- vagy alumíniumötvözet 90 50 ezüst- vagy nikkelbevonat 115 75 ónozott 105 65 Megjegyzés: a MERLIN GERIN általában az alábbi névleges áramerôsség-értékeket használja: 400, 630, 1250, 2500 és 3150A Max hômérsékletemelkedés t. max. - 40 C Példák: b Az elosztószekrény egy 630 kw-os motor és egy 1250kVA-s transzformátor leágazást lát el 5,5kV üzemi feszültségen. v a transzformátor leágazás üzemi áramerôsségének kiszámítása: Látszólagos teljesítmény: S = UI 3 I (A) üzemi áramerôsség Ez az érték a szóban forgó áramkörre kapcsolt készülékek fogyasztásából számítható ki. Ez az áram folyik át ténylegesen a berendezésen. Ha nem rendelkezünk a számításokhoz szükséges adatokkal, akkor a megrendelônek kell azokat szolgáltatnia. Akkor számítható ki az üzemi áramerôsség, ha ismerjük a fogyasztó készülékek teljesítményét. S 1 250 I = ---------- = ------------------------- = 130A U 3 55, p 1, 732 v a motoros leágazás üzemi áramerôsségének kiszámítása: cosϕ = teljesítménytényezô = 0.9 η = hatásfok = 0.9 I = P 630 ---------------------------- = ---------------------------------------------------------- = 82 A U 3cosϕη 5.5 1.732 0.9 0.9 6 Schneider Electric
Ismertetés 0Fémtokozású gyártott berendezés Minimális zárlati áramerôsség: Isc (kaeff) (tárgyalását lásd a Zárlati áramok fejezetben) A maximális zárlati áram effektív értéke: Ith (kaeff 1 s vagy 3 s) (tárgyalását lásd a Zárlati áramok fejezetben) A maximális zárlati áram csúcsértéke: I dyn (kacsúcs) (a kezdeti csúcsérték a tranziens szakaszban) (tárgyalását lásd a Zárlati áramok fejezetben) Frekvencia fr (Hz) b világszerte általában két féle frekvenciát használnak: v 50 Hz-et Európában v 60 Hz-et Amerikában. Némely országok mindkét frekvenciát használják megkülönböztetés nélkül. A kapcsolókészülékek feladatai Megnevezés és jelkép szakaszoló feladat leválasztás Áram kapcsolása üzemszerûen hiba esetén földelô szakaszoló kapcsoló leválasztás kapcsolás nem választ le 4 (zárlatra kapcsolási teljesítôképesség) teljesítménykapcsoló kapcsolás leválasztás 4 rögzített megszakító kocsizható megszakító rögzített kontaktor kapcsolás védelem nem választ le kapcsolás védelem kikocsizva leválasztás kapcsolás nem választ le 4 4 4 4 4 kocsizható kontaktor kapcsolás kikocsizva leválasztás 4 biztosító védelem nem választ le (egyszeri) = IGEN Schneider Electric 7
Ismertetés 0Fémtokozású gyártott berendezés Tokozási típusok Jellemzôk Fémtokozott Rekeszelt Egyterû Cellák Külsô falazás fém és mindig földelt A középfeszültségû fülkék száma 3 3 2 Belsô elválasztások fém és mindig földelt mindegy, hogy fém vagy nem az mindegy, hogy fém vagy nem az Átvezetô szigetelôk alkalmazása lehetséges Feszültség alatti tereket leválasztó redônyök Feszültség alatti kezelhetôség Ívmozgás a cellán belül nehéz, de lehetséges = IGEN 8 Schneider Electric
Tervezési szabályok 0Zárlati teljesítmény E 1. példa: 25 ka 11kV üzemi feszültség mellett Zcc R L A Icc Ssc = 3 U Isc B U Zs Bevezetés b A zárlati teljesítmény a hálózat kialakításától és összetevôinek impedanciájától függ: a vezetékek, kábelek, transzformátorok, motorok impedanciájától; azokétól, amelyeken a zárlati áram áthalad. b Ez egy MVA-ben vagy az adott üzemi feszültséghez tartozó kaeff-ben kifejezett maximális teljesítmény, amellyel a hálózat táplálni képes egy berendezést a meghibásodás idôtartama alatt. U : üzemi feszültség (kv) Isc : zárlati áram (kaeff). Lásd a következô oldalakon. A zárlati teljesítmény látszólagos teljesítményként fejezhetô ki. b A megrendelô általában megadja a zárlati teljesítmény értékét, mivel mi ritkán rendelkezünk az annak kiszámításához szükséges adatokkal. A zárlati teljesítmény meghatározásához elemezni kell a hibahelyet tápláló zárlati teljesítményt a legkedvezôtlenebb esetben. A lehetséges tápforrások: b Hálózati betáplálás erôátviteli transzformátoron keresztül. b Generátorról történô betáplálás. b Teljesítmény-visszatáplálás forgó készülékeken (pl. motorokon) vagy közép-/kisfeszültségû transzformátoron keresztül. 63 kv 2. példa: b Az Isc5 általi kisfeszültségû visszatáplálás csak akkor lehetséges, ha a T4 transzformátort egy másik tápforrás táplálja. T1 A T2 Icc1 Icc2 Icc3 A B C D1 D2 D3 b A cellasor három tápforrással rendelkezik (T1-A-T2). v D1 megszakító (zárlat az A helyen) Isc1 + Isc2 + Isc3 + Isc4 + Isc5 v D2 megszakító (zárlat az B helyen) Isc1 + Isc2 + Isc3 + Isc4 + Isc5 v D3 megszakító (zárlat az C helyen) Isc1 + Isc2 + Isc3 + Isc4 + Isc5 D6 MT T3 Icc5 BT 10 kv D4 D5 D7 M Icc4 BT T4 MT Minden egyes Isc áramot ki kell számítanunk. Schneider Electric 9
Tervezési szabályok 0Zárlati áram Kivétel nélkül valamennyi áramkört védeni kell zárlat ellen, még elektromos folyamatossági törés esetén is, amely legtöbbször vezeték-keresztmetszet változásnál fordul elô. A zárlati áramot a hálózaton belüli minden lehetséges összeállítási változatra ki kell számolni annak érdekében, hogy meg tudjuk határozni azokat a jellemzôket, amelyekkel a berendezésnek rendelkeznie kell a hibaáram megszakítása vagy elviselése érdekében. b Háromféle zárlati áramerôsség értéket kell ismernünk ahhoz, hogy ki tudjuk választani a megfelelô kapcsolót (megszakító vagy biztosító) és be tudjuk állítani a védelmeket: v minimális zárlati áramerôsség: Isc = (kaeff) (például: 25 ka rms) Ez egy olyan zárlatnak felel meg, amelyiknél a hiba a védelmi lánc egyik végén következik be [a leágazás végén bekövetkezô hiba (lásd az 1.ábrát)] és nem közvetlenül a megszakító után. Ez az érték szolgál alapul a túláramvédelmi készülékek és biztosítók küszöbértékeinek beállításához, különösen hosszú kábelek vagy nagyobb impedanciájú tápforrások (generátor) esetén. v a maximális zárlati áramerôsség effektív értéke: Ith = (kaeff. 1 s vagy 3 s) (például: 25 ka rms. 1 s) Ith Icc Ez egy olyan zárlatnak felel meg, amelyiknél a hiba a kapcsolókészülék bejövô ági kapcsainak közvetlen közelében keletkezik (lásd az 1.ábrát). Ezt 1 vagy 3 másodperces ka értékben határozzák meg, és a berendezés termikus szilárdságának meghatározására használják. v a maximális zárlati áramerôsség csúcsértéke: (a kezdeti csúcsérték a tranziens szakasz elején) 1. ábra R X középfeszültségû kábel Idyn = (kaeff) (például: 2.5 25 ka = 63.75 ka csúcs IEC 60 056 vagy 2.7 25 ka = 67.5 ka csúcs ANSI ) - Idyn értéke: 2.5 Isc, 50 Hz (IEC) esetén vagy, 2.6 Isc, 60 Hz (IEC) vagy, 2.7 Isc (ANSI) esetén a hálózat egy adott pontjára vonatkoztatva. Áramerôsség Ez határozza meg az áramkör megszakítóinak és kapcsolóinak megszakítási és rákapcsolási teljesítôképességét, valamint a gyûjtôsínek és a kapcsoló elektrodinamikai szilárdságát. 2rIcc Áram csúcsérték= Idyn Egyenáramú összetevô 2rIcc Idô - Az IEC az alábbi értékeket használja: 8-12.5-16 - 20-25 - 31.5-40 kaeff. Az elôírásokban is általában ezek az értékek szerepelnek. Megjegyzés: b az elôírás tartalmazhat kaeff vagy MVA értéket az alábbiak szerint: Isc = 19 kaeff vagy 350MVA 10kV-nál v Számoljuk ki a 350MVA-nek megfelelô áramerôsséget: 350 I sc = ----------------- = 20.2 kaeff 3 p 10 A különbség oka a kerekítési módokban és a helyi szokásokban keresendô. Valószínûleg a 19 ka érték a reálisabb. v Másik lehetséges magyarázat: közép- és nagyfeszültségen az IEC 909 a maximális Isc meghatározásához egy 1,1 értékû szorzót alkalmaz. U E I sc = 11, p----------------------- =--------- 3 p Z cc Z cc (Rövidítésekhez lásd az elôzô oldal 1.példáját). Ez az 1,1-es szorzó 10%-os feszültségeséssel számol a meghibásodott rész kábeleinél. 10 Schneider Electric
Tervezési szabályok 0Zárlati áram Transzformátor A transzformátor kapcsain átfolyó zárlati áram meghatározásához ismerni kell a zárlati feszültséget (Usc %). b Az Usc % az alábbi módon határozható meg: A zárlati áram értéke a hálózatba beépített készülékek típusától függ (transzformátorok, generátorok, motorok, vezetékek, stb). feszültségosztó U: O - Ucc V primer szekunder A I: O - Ir Példa: b Transzformátor 20 MVA b Feszültség 10 kv b Usc = 10 % b Bejövô ági teljesítmény: meghatározatlan Sr 20 000 Ir = ------------------------------------- = -----------------= 1 150 A 3 U terheletlen 3 p 10 Ir Isc = -------- = -------------------- 1 150 = 11 500 A = 11.5 ka Usc 10 100 1 2 a transzformátor nincs feszültség alatt: U = 0 a szekunder tekercset zárjuk rövidre folyamatosan növeljük az U feszültséget a primer tekercsnél addig, 3 ameddig a szekunder tekercsben az áramerôsség el nem éri a névleges Ir értéket. A primer kapcsokon ekkor mérhetô U érték egyenlô az Usc-vel. b A ka-ben kifejezett zárlati áramot az alábbi képlet segítségével számíthatjuk ki: Ir Isc= --------- Usc Schneider Electric 11
Tervezési szabályok 0Zárlati áram G Szinkrongenerátor (váltakozó áramú generátorok és motorok) Egy szinkrongenerátor kapcsain áthaladó zárlati áram kiszámítása igen nehéz, mivel a generátor belsô impedanciája az idôtôl függôen változik. b Ha fokozatosan növeljük a teljesítményt, az áram csökkenése három jellemzô szakaszra osztható: v szubtranziens állapot, (lehetôséget ad a megszakító rákapcsolási teljesítményszükségletének és elektrodinamikai igénybevételének meghatározására), az átlagos idôtartam 10 ms v tranziens állapot, (megadja a berendezés termikus igénybevételét), átlagos idôtartam 250 ms v állandósult állapot, (ez a zárlati áram értéke állandósult állapotban). b A zárlati áramot ugyanúgy kell kiszámítani, mint a transzformátoroknál, de a különbözô állapotokat figyelembe kell venni. Példa: Számítási mód egy szinkrongenerátor vagy szinkron motor esetében b Generátor 15 MVA b Feszültség U = 10 kv b X'd = 20 % áramerôsség Sr 15 Ir = ---------------- = ---------------------------- = 870 A 3 p U 3 p 10 000 Ir 870 Isc= ---------------------- = ---------------= 4 350 A = 4.35 ka Xcc trans. 20/100 a hiba megjelenik Ir hibátlan állapot szubtranziens állapot tranziens állapot Icc idô állandósult állapot zárlat b A zárlati áram az alábbi képlettel számítható ki: 1 Ir Isc = --------- Xsc Xsc : zárlati áramkör reaktanciája b Egy szinkrongenerátor jellemzô értékei: Állapot Szubtranziens X''d Tranziens X'd Állandósult Xd Xsc 10-20 % 15-25 % 200-350 % M Aszinkron motor b Aszinkron motoroknál v a sorkapcsokon mérhetô zárlati áram azonos az indítási árammal: Isc z 5-8 Ir v a motorok hozzájárulása (áram-visszatáplálás) a zárlati áramerôsséghez: I 3 Σ Ir z A 3-as együttható azt veszi figyelembe, hogy a motorok megállásakor az önindukció a hibaáramot erôsíti. 12 Schneider Electric
Tervezési szabályok 0Zárlati áram A háromfázisú zárlati áramerôsség számítási módjának felidézése b Háromfázisú zárlat U 2 Ssc = 1.1 U Isc p 3 =-------- Zsc 1.1 U Isc = -------------------- ahol Zsc = R 2 + X 2 3 Zsc b Betápláló hálózat Z = U --------- 2 Ssc 0.3 6 kv-nál R --- = 0.2 20 kv-nál X { 0.1 150 kv-nál b Betápláló vezetékek R = ρ L S --- X = 0.4 Ω/km nagyfeszültség X = 0.3 Ω/km közép-/kisfeszültség ρ = 1.8.10-6 Ω cm réz ρ = 2.8.10-6 Ω cm alumínium ρ = 3.3.10-6 Ω cm almélec b Szinkrongenerátorok Z( Ω) = X() Ω = U 2 Xsc (%) ----- ---------------- Sr 100 Xsc Szubtranziens Tranziens Állandósult hengeres forgórész 10-20 % 15-25 % 200-350 % kiképzett pólus 15-25 % 25-35 % 70-120 % b Transzformátorok (nagyságrendek: fogadjuk el a gyártó adatait) Például: 20 kv/410 V transzformátornál; Sr = 630 kva; Usc = 4 % 63 kv/11 V transzformátornál; Sr = 10 MVA; Usc = 9 % Z() U Ω 2 Usc % = () ------ ---------------- Sr 100 b Kábelek Sr (kva) 100-3150 5000 to 5000 Usc (%) 4-7.5 8-12 közép- / kisfesz. nagy- / középfesz X = 0.10-0.15 Ω/km három- vagy egyfázisú b Gyûjtôsínek X = 0.15 Ω/km Schneider Electric 13
Tervezési szabályok 0Zárlati áramok b Szinkronmotorok és kompenzátorok Xsc Szubtranziens Tranziens Állandósult nagysebességû motorok 15 % 25 % 80 % kissebességû motorok 35 % 50 % 100 % kompenzátorok 25 % 40 % 160 % b Aszinkronmotorok Ir Z() U 2 Ω = ---- ------ Id Sr csak szubtranziens Isc z z 5-8 Ir Isc 3 Σ Ir, növeli az Isc zárlati áramot Ir mértékû visszatáplálással b Íves zárlat Isc Id = ----------------- 1.3 2 b Transzformátor és egy sorba kötött elem eredô impedanciája v Például, a kisfeszültségû oldal meghibásodása esetén a nagy- /kisfeszültségû transzformátor nagyfeszültségû tápkábelén átfolyó zárlati áram számításához az eredô impedancia az alábbi: U2 R2 = R1( ) 2 U1 és U2 X2 = X1 ( ) 2 U1 azaz U2 Z2 = Z1 ( ) 2 U1 Ez az egyenlet igaz a kábelre bármely feszültségszinten, más szavakkal: igaz bármilyen szériagyártású transzformátorra. Tápforrás Ra, Xa nagyfesz. kábel R1, X1 n transzformátor primer impedanciája: RT, XT kisfesz. kábel R2, X2 A v az impedancia az A hibahelyrôl nézve: RT R1 Ra XT X1 Xa ΣR= R2 + ------- n 2 + ------ n 2 + ------ n 2 ΣX= X2 + ------- n 2 + ------ n 2 + ------ n 2 n: a transzformátor áttétele b Az impedancia-háromszög Z = ( R 2 + X 2 ) Z X ϕ R 14 Schneider Electric
Tervezési szabályok 0Zárlati áram Példák háromfázisú számításokra A háromfázisú zárlati áramerôsség kiszámításánál a fô nehézséget a hibahely elôtti hálózati impedancia értékének meghatározása okozza. Impedancia módszer A hálózat minden része (táphálózat, transzformátor, generátor, motorok, kábelek, sínek, stb.) egyetlen (Z) impedanciával jellemezhetô, amely egy ohmos (R) és egy induktív (X) úgynevezett reaktancia összetevôbôl áll. Az X, R és Z értékét ohmban fejezzük ki. b Ezen összetevôk közti összefüggést az alábbi képlet adja meg: Z = ( R 2 + X 2 ) (lásd 1. példát szemben) b A módszer lényege: v a hálózatot részekre kell osztani v minden tagra külön ki kell számítani az R és X értéket v a hálózati adatok kiszámítása: - az eredô R vagy X kiszámítása - az eredô impedancia-érték kiszámítása -a zárlati áram kiszámítása. 1. példa: b A háromfázisú zárlati áram: A hálózat kapcsolása Isc = U -------------------- 3 Zsc A Tr1 Tr2 Eredô kapcsolások Zr Zt1 Zt2 Za Isc : zárlati áramerôsség (ka-ben) U : vonali feszültség (kv) a kérdéses helyen a hiba megjelenése elôtt Zsc : zárlati impedancia (ohm-ban) (lásd a 2. példát lent) Z = Zr + Zt1xZt2 Z = Zr + Zt1 Zt2 Zt1 + Zt2 Za Zcc = Zx/Za Zcc = Z Za Z + Za 2. példa: b Zsc = 0.72 ohm b U = 10 kv 10 Isc = ------------------ 3 0, 27 = 21.38 ka Schneider Electric 15
Tervezési szabályok Zárlati áram Itt van egy megoldandó probléma A feladat kiinduló adatai Tápfeszültség 63 kv A tápforrás zárlati teljesítôképessége: 2 000 MVA b A hálózat elrendezése: Két párhuzamosan kapcsolt transzformátor és egy generátor b A készülékek jellemzô adatai: v Transzformátorok: - feszültség 63 kv / 10 kv - látszólagos teljesítmények: 1-15 MVA, 1-20 MVA - zárlati feszültség: U sc = 10 % v Váltakozó áramú generátor: - feszültség: 10 kv - látszólagos teljesítmény: 15 MVA - X'd tranziens: 20 % - X"d szubtranziens: 15 % b Feladat: v meghatározandók a zárlati áramerôsség-értékek a gyûjtôsíneken, v meghatározandók a D1 D7 megszakítók megszakító- és bekapcsolási képessége. Egyvonalas rajz Generátor 15 MVA X'd = 20 % X''d = 15 % G1 T1 Transzformátor 15 MVA Usc = 10 % 63 kv T2 Transzformátor 20 MVA Usc = 10 % D3 D1 10 kv D2 Gyûjtôsínek D4 D5 D6 D7 16 Schneider Electric
Tervezési szabályok Zárlati áram Íme a feladat megoldása a számítási módszer bemutatásával A feladat megoldása b A különbözô zárlati áramok meghatározása Három tápforrás képes a zárlatot táplálni: a két transzformátor és a generátor. Tegyük fel, hogy a D4, D5, D6 és D7 megszakítókon keresztül nem lehetséges visszatáplálás. Abban az esetben, ha a zárlat az egyik megszakító (D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7) bejövô ágában van, akkor ezen átfolyik a T1, T2 és G1 által táplált zárlati áram. b Eredô kapcsolási ábra Mindegyik elem tartalmaz egy ohmos és egy induktív reaktancia értéket, amelyeket egyenként ki kell számítanunk. A hálózat az alábbi ábra szerint képezhetô le: Zr = a hálózat impedanciája Za = a generátor impedanciája, amely az állapot függvényében változó (tranziens vagy szubtranziens) Z15 = a transzformátor impedanciája 15 MVA Z20 = a transzformátor impedanciája 20 MVA gyûjtôsínek A tapasztalat azt mutatja, hogy az ellenállás értéke kisebb, mint a reaktanciájé, ebbôl következôen feltételezhetjük, hogy a reaktancia egyenlô az impedanciával (X = Z). b A zárlati teljesítmény meghatározásához ki kell számítanunk az egyes ellenállások és reaktanciák értékeit, majd külön-külön ki kell számítanunk számtani összegüket: Rt = R Xt = X b Rt és Xt értékét ismerve, ki tudjuk számítani Zt értékét az alábbi összefüggés segítségével: Z = ( ΣR 2 + ΣX 2 ) Megjegyzés: Mivel R értéke elhanyagolható X-hez képest, mondhatjuk, hogy Z=X. Schneider Electric 17
Tervezési szabályok Zárlati áram Íme az eredmények! Áramköri elem Számítás Z = X (ohm) Hálózat U 2 10 2 Ssc = 2 000 MVA Zr = -------- = -------------- U op. = 10 kv Ssc 2 000 0.05 Transzformátor, 15 MVA (Usc = 10 %) U 2 10 U op. = 10 kv Z15 ---- 2 10 = Usc = ------ ------ 0.67 Sr 15 100 Transzformátor, 20 MVA (Usc = 10 %) U op. = 10 kv Z20 = U 2 ---- Usc Sr = 10 ------ 2 20 10 ------ 100 0.5 Generátor, 15 MVA U op. = 10 kv Tranziens állapot (Xsc = 20 %) Szubtranziens állapot (Xsc = 15 %) Gyûjtôsínek A transzformátorokkal párhuzamosan kötve A hálózattal és a transzformátor impedanciával sorba kötve Za = U----- 2 Xsc Zat = Zas = Sr 10 2 -------- 15 10 2 -------- 15 20 ------ 100 15 ------ 100 Z15 Z15 Z20 0.67 0.5 Z20 = --------------------------- = ------------------------- Z15 + Z20 0.67 + 0.5 Zr + Zet = 0.05 + 0.29 Zat = 1.33 Zas = 1 Zet = 0.29 Zer = 0.34 A párhuzamosan kötött generátor egység Tranziens állapot Zer Zer Zat Zat = ------------------------- = Zer + Zat 0.34 1.33 ----------------------------- 0.34 + 1.33 z 0.27 Szubtranziens állapot Zer Zer Zat Zat = ------------------------- = Zer + Zat 0.34 1 --------------------- 0.34 + 1 z 0.25 Megjegyzés: a megszakítóhoz tartozik egy állandósult állapotbéli bizonyos megszakítóképesség effektív értékben és a váltakozó áramú összetevô százalékos értékében kifejezve, amely függ a nyitás idôtartamától és a hálózat értékétôl (kb. 30 %). --- R X Generátoroknál az aperiodikus összetevô igen magas, a számításokat laboratóriumi kísérletekkel kell alátámasztani. Megszakító D4 - D7 Zr Za Z15 Z20 Zt = [Zr + (Z15//Z20)]//Za D3 a generátoré Zr Z15 Z20 Az áramkör eredô impedanciája Megszakító képesség Bekapcsoló képesség Z (ohm) ka eff. 2.5 Isc (ka csúcs) Icc = U ---------------------- 2 10 1 = ------ -------- 3 Zsc tranziens állapot Z = 0.27 szubtranziens állapot Z = 0.25 Z = 0.34 3 Zsc 21.40 17 21.40 2.5 = 53.15 17 2.5 = 42.5 Zt = Zr + (Z15//Z20) D1 a 15 MVA transzformátoré Zr tranziens állapot Z = 0.39 Za Z20 szubtranziens állapot Z = 0.35 Zt = (Zr + Z20)//Za D2 a 20 MVA transzformátoré Za Zr Z15 Zt = (Zr + Z15)//Za tranziens állapot Z = 0.47 szubtranziens állapot Z = 0.42 17.9 12.4 14.9 2.5 = 37.25 12.4 2.5 = 31 18 Schneider Electric
Tervezési szabályok 0Gyûjtôsín-számítások Bevezetés b A gyûjtôsín méreteit normális üzemeltetési körülményeket alapul véve kell meghatározni. A létesítmény üzemi feszültsége (kv) meghatározza a fázistávolságot, valamint a támszigetelôk alakját és magasságát. A gyûjtôsíneken átfolyó névleges áramerôsség alapján kell megválasztani a vezetôk fajtáját és keresztmetszetét. b Ezek után gyôzôdjünk meg arról, hogy a támszigetelôk elviselik azt a mechanikai, a gyûjtôsínek pedig azt a mechanikai és termikus igénybevételt, amelyet a zárlati áram kifejt. Azt is ellenôrizni kell, hogy a síneken megjelenô vibráció periódusa nem rezonáns-e az áram frekvenciájával. b Egy gyûjtôsín-számítás elvégzéséhez az alábbi mechanikai és villamos adatokra van szükségünk: A gyûjtôsín villamossági jellemzôi Ssc : a hálózat zárlati teljesítménye* MVA Ur : névleges feszültség kv U : üzemi feszültség kv Ir : névleges áram A A gyûjtôsín-számítás valójában annak ellenôrzésére szolgál, hogy sínek kellô termikus és elektrodinamikai szilárdsággal rendelkeznek-e, és nem rezonánsak-e. * Megjegyzés: ezt általában a megrendelô szolgáltatja, de kiszámíthatjuk mi is, ha ismerjük az Isc zárlati áramot és az U üzemi feszültséget: (Ssc = 3 Isc U; lásd a zárlati áramok fejezetben). A gyûjtôsín mechanikai jellemzôi S : a gyûjtôsín keresztmetszete cm 2 d : fázistávolság cm l : szigetelôk távolsága azonos fázison belül cm θn : környezeti hômérséklet (θn 40 C) C (θ - θn) : megengedett hôfokemelkedés* C profil : lapos anyag : réz alumínium elrendezés : lapjára állított élére állított sínek mennyisége fázisonként: * Megjegyzés: lásd az IEC 60 694 szabvány V táblázatait a következô két oldalon. Összefoglalás: db sín / fázis X cm keresztmetszet Schneider Electric 19
Tervezési szabályok 0Gyûjtôsín-számítások Hômérsékletemelkedés Az IEC 60 694 szabvány V táblázatából merítve. A készülék, az anyag és a szigetelôközeg típusa (Lásd: 1, 2 és 3) Hômérséklet θ ( C) Hômérsékletemelkedés (θ - θn) θn = 40 C esetén Csavaros készülék-csatlakozások (lásd: 7) csupasz réz, csupasz réz-ötvözet vagy alumínium-ötvözet sínekkel az alábbi szigetelô közegekben levegô 90 50 SF6 * 105 65 olaj 100 60 Csatlakozás ezüstözött vagy nikkelezett sínfelületekkel az alábbi szigetelô közegekben levegô 115 75 SF6 115 75 olaj 100 60 Csatlakozás horganyzott sínfelületekkel az alábbi szigetelô közegekben levegô 105 65 SF6 105 65 olaj 100 60 * SF6: kénhexafluorid 1 2 3 7 Feladatától függôen ugyanaz a készülék a V táblázatban megadott kategóriák közül többen is szerepelhet. Ilyen esetben megengedhetô hômérséklet és hômérséklet-emelkedés értékként a szóba jövô kategóriák közül a legalacsonyabb értékeket kell figyelembe venni. Vákuumos kapcsoló-készülékeknél ezek a megengedhetô hômérséklet és hômérséklet-emelkedés értékek nem alkalmazhatók. A többi készüléknél be kell tartani a V táblázatban megadott határokat. Minden szükséges intézkedést meg kell tenni annak érdekében, hogy a szigetelô közeg egyáltalán ne sérülhessen meg. Ha az érintkezô felületek eltérô bevonatúak, akkor megengedhetô hômérséklet és hômérséklet-emelkedés értékként annak az értékeit kell a V táblázatból figyelembe venni, amelyiknél az engedélyezett értékek a legalacsonyabbak. 20 Schneider Electric
Tervezési szabályok 0Gyûjtôsín-számítások Hômérsékletemelkedés Kivonat az IEC 60 694 szabvány V táblázatából. A készülék, az anyag és a szigetelô közeg típusa (Lásd 1, 2 és 3) Hômérséklet θ ( C) A bevonat minôsége olyan legyen, hogy a védôréteg ép maradjon az érintkezési zónában a következô esetekben: - rákapcsolási és megszakítási próbák után (ha vannak ilyenek), - rövid idejû hôállósági vizsgálat után, - a mechanikai élettartam vizsgálatok után, a berendezés minden egyes alkatrészére vonatkozó elôírás szerint. Ha ez nem így történik, akkor az érintkezési felületeket csupasz -nak kell tekinteni. Hômérsékletemelkedés (θ - θn) θn = 40 C esetén Sínérintkezések (Lásd: 4) csupasz réz vagy csupasz réz-ötvözet sínekkel az alábbi szigetelô közegekben levegô 75 35 SF6 * 90 50 olaj 80 40 Csatlakozás ezüstözött vagy nikkelezett sínfelületekkel (lásd: 5) az alábbi szigetelô közegekben levegô 105 65 SF6 105 65 olaj 90 50 Csatlakozás horganyzott sínfelületekkel (lásd: 5 és 6) az alábbi szigetelô közegekben levegô 90 50 SF6 90 50 olaj 90 50 * SF6: kénhexafluorid 1 2 3 Feladatától függôen ugyanaz a készülék a V táblázatban megadott kategóriák közül többen is szerepelhet. Ilyen esetben megengedhetô hômérséklet és hômérséklet-emelkedés értékként a szóba jövô kategóriák közül a legalacsonyabb értékeket kell figyelembe venni. Vákuumos kapcsolókészülékeknél ezek a megengedhetô hômérséklet és hômérséklet-emelkedés értékek nem alkalmazhatók. A többi készüléknél be kell tartani a V táblázatban megadott határokat. Minden szükséges intézkedést meg kell tenni annak érdekében, hogy a szigetelô közeg egyáltalán ne sérülhessen meg. 4 Ha az érintkezô felületek eltérô bevonatúak, akkor megengedhetô hômérséklet és hômérséklet-emelkedés értékként annak az értékeit kell a V táblázatból figyelembe venni, amelyiknél az engedélyezett értékek a legalacsonyabbak. 5 6 Biztosítók érintkezôinél a hômérsékletemelkedésnek összhangban kell lennie a nagyfeszültségû biztosítókra vonatkozó elôírásokkal. Schneider Electric 21