FI92773C - Päällystetty avojohto suurjännitteelle - Google Patents

Description

92773 Påallystetty avojohto suurjannitteelle

Taman keksinnon kohteena on suurjånnitteinen avojohto, joka soveltuu yli 40 kV jannitteelle, erityisesti 5 yli 100 kV jånnitteelle, ja jonka vaihejohtimet kulkevat ilmassa pylvåsrakenteen tukemina.

Paallystetyllå suurjånniteavojohdolla eli ns. PAS-johdolla on muovipaallysteiset johtimet, joita kåytetMan perinteisten paljaiden johtimien sijasta. Eristysaine on 10 usein ristisilloitettua polyeteenia, XLPE (PEX). Ohut eristys mitoitetaan keståmåån johtimien yhteenlyonneistå aiheutuvia jånniterasituksia ja keskijannitteisiin asti myos jonkin aikaa puun kosketusta tms.

PAS-johtoja on rakennettu Suomessa 20 kV jånnit-15 teella 80-luvun alusta lahtien. Usein PAS-johto on vaih-toehto paljon kalliimmalle maakaapeliratkaisulle. 20 kV PAS-johdot ovat lisåksi tavallisia avojohtoja kåyttovar-mempia, sillå johtimien yhteenlyonnit eivat yleensa aiheu-ta hairioitS eivatkM johdinvaurioita.

20 Sahkotarkastuskeskuksen (SETI) tiedonannossa T 68- 91 mMåritellåån vaatimukset 20 kV jannitteelle tarkoite-tuille metallivaipattomille muovipaallysteisille ilmajoh-doille. Tiedonannon mukaan PAS-johdon johtimiin sovelle-taan yleensS samoja etåisyysvaatimuksia kuin paljaalla 25 avojohdolla, koska johtimen paSllyste ei tayta kosketus-suojausvaatimuksia. Kuitenkin joissain kohdissa em. måå-rayksista saadaan poiketa PAS-johtoa kaytettåesså. Nåista poikkeuksista tSrkein on johtimien kiinnityskohtien våhim-måisvali, joka saa olla kolmasosa nykymaaråysten maaritte-30 lemastå etaisyydesta. Lisåksi etaisyys puista saa olla runsaat 50 % pienempi kuin tavallisilla johdoilla, koska johtimen eristys keståH kaatuneen puun nojaamista jopa kuukausien ajan. Tama kaventaa tarvittavaa johtokatua ja siten maahankinnan kustannuksia. 110 kV ja sitå suuremmil-35 le suurjannitejohdoille ei ole olemassa vastaavia maarayk- 2 92773 siå, koska eristettyjå 110 kV ja tåtå suurempia (esim. 220 kV, 400 kV) avojohtoja ei ole kåytosså. Nykyisin kåytosså olevat pylvåsrakenteet, eristimet ja eristin- sekå johdin-varusteet on suunniteltu låhinnå kirkkaita johtimia var-5 ten. Vaikka esim. 110 kV PAS-johdin keståisikin puun no-jaamista siihen parin tunnin ajan, ei puukosketusta johti-meen voida sallia suuren vuotovirran ja radiohåirioiden takia. Salamaniskun aiheuttamaa ylilydntiå tai koronail-midtå ei ole aikaisemmin tarkasteltu nåillå jånnitetasoil-10 la ja johtimilla lainkaan, koska suurjånnitteisten johto-jen eriståmisen ei sellaisenaan katsottu ratkaisevan muita kuin korkeintaan johtimien kosketuksesta syntyvån oikosul-kuongelman, jos johtimia tuodaan nykyistå låhemmås toisi-aan ja ympårdivåå metsåå.

15 Viimeisen vuosikymmenen aikana on myds yhå enemmån kiinnitetty huomiota voimajohtojen synnyttåmiin såhkd- ja magneettikenttiin. Voimajohdoille on jo mååråtty kenttiå koskevia raja-arvoja joissakin USA:n osavaltioissa seka Italiassa. Avojohtojen synnyttSmiin sahkd- ja magneetti-20 kenttiin voidaan vaikuttaa johtojen keskinåisella sijoi-tuksella. Mahdollisimman pienet kentåt saadaan silloin, kun johtimet sijoitetaan mahdollisimman låhelle toisiaan, esim. tasasivuisen kolmion kårkiin. Såhkdjohdoilla paljai-den johtimien yhteenlydnti aiheuttaa oikosulun. Yhteen-25 lyOntien ja koronailmididen vålttåmiseksi tarvittavat mi-nimietåisyydet sekå sopivien ja keståvien eristeiden puute ovat kåytånnosså eståneet muiden kuin perinteisten joh-dinasennustapojen kåytdn. Yleisimmin Suomessa kåytetty asennustapa on vaaka-asennus portaaleihin, joilla saavute-30 taan matalat pylvåsrakenteet. Johtimien minimietåisyys on 110 kV:n tapauksessa luokkaa 3,5 m, jolloin johtoaukean leveydeksi 200 metrin jånnepituuksia kåytettåesså tulee våhintåån 16 m. Kåytånnosså kuitenkin tavallisen johdon vaihe-etåisyys on n. 4,5 m ja sen tarvitsema johtoaukea 26 35 m.

1/ 3 92773

Ylla mainituista syistM ollaan siis jouduttu tilan-teeseen, jossa ainakin keski- ja suurjannitteisisså avo-johdoissa johtimien tuominen låhemmaksi toisiaan olisi erittåin toivottavaa ja edullista seka kustannussyistå 5 (mm. johtokatujen kaventaminen) ettå ympariston kannalta (sahko- ja magneettikenttien vaikutusalueen pienentami-nen), muuta jonka toteuttaminen on nykytekniikalla risti-riidassa suurjannitejohtojen rakentamisperiaatteiden kans-sa.

10 Tåman keksinnon tarkoituksena on aikaansaada suur- jannitteinen avojohto, joka oleellisesti vahentaa vaihe-johtimien valilla tarvittavaa etaisyytta ja joka siten muodostaa nykyisiin avojohtoihin verrattuna kapeampaan johtokatuun sopivan ja pienempia sShkd- ja magneettikent-15 tia kehittåvSn avojohdon. TSmSn aikaansaamiseksi keksinnon mukaiselle suurjannitteiselle avojohdolle on tunnusomaista se, etta johtimet ovat eristettyjå, ettå niiden vålinen etSisyys pylvaiden tukipisteissa on pienempi kuin johtimien vålisen kosketuksen vålttamiseksi tarvittava minimi-20 etaisyys, ja etta ainakin kaksi johdinta on sijoitettu pystysuunnassa eri korkeudelle.

Keksinnon mukaisella avojohdon vaihejohtimien sopi-valla valinnalla ja sijoituksella, seka huomattavalla pa-nostuksella erilaisiin kokeisiin sopivan johdintyypin 15y-* 25 tåmiseksi, on saavutettu keksinnon mukainen suurjånnittei- nen avojohto, joka ratkaisee useita perinteisellå tavalla rakennettujen· voimajohtojen ongelmia. Johtokadut voidaan esim. 110 kV:n portaalijohdon tapauksessa pienentaa nykyi-sestå 16 metrin minimileveydesta 10 metriin (delta-asen-30 nus). Johtimien pystysijoituksessa paåståan puolestaan merkittavSan pylvaskorkeuden madaltumiseen. Myos sahko- ja magneettikenttien voimakkuudet pienenevat merkittSvasti nykyisten johtojen kentMnvoimakkuuksista, kuten jaljempanS nahdSan.

35 Keksinnon muille edullisille sovellutusmuodoiIle on ··# 4 92773 tunnusomaista se, mita jåljempanå olevissa patenttivaati-muksissa on esitetty.

Keksintoa selostetaan seuraavassa tarkemmin esi-merkkien avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, jois-5 sa kuvio 1 esittaa esimerkin keksinnossa kaytettavastå pSallystetysta johtimesta, kuvio 2 esittaa kåyråstoå, jossa on vertailtu eri johtimien pintakentanvoixnakkuuden suhdetta koronan sytty-10 miskentanvoimakkuuteen vaihevalin funktiona, kuvio 3 esittaa sahkokentan voimakkuutta maan pin-nalla eri johtokonfiguraatioita kåytettåessa, kuvio 4 esittaa magneettivuon tiheytta maan pinnal-la eri johtokonfiguraatioita kaytettaesså, ja 15 kuviot 5-8 esittavat esimerkkejå eri avojohtojen pylvasrakenteista.

Kuviossa 1 on esitetty Nokia SAX-355 -johdinta, jota voidaan kayttaa keksinnon mukaisessa paallystetyssa suurjånniteavojohdossa. Johtimen virtaa kuljettava osa on 20 pyoreå, langoista 3 kerrattu ja tiivistetty alumiiniseos-johdin. Johdinsuoja 1 on puolijohtavaa muovia sahkokentån tasaamiseksi ja osittaispurkauspaikkojen synnyn estamisek-si metallijohtimen pinnalla. Eristyskerros 2 on erityises-, , ti korkeajannitekaapeleissa kaytettåvaa, ristisilloitetta- 25 vaa XLPE-muovia (PEX-muovia), josta uloin kerros, paksuu-deltaan n. 1,5 mm on noella seostettua sMMnkestoisuuden saavuttamiseksi. Muita johtimen tietoja ovat: saån- ja UV-sateilyn kestava rakenne, ulkohalkaisija 39 mm, massa 1730 kg/km, murtokuorma 108 kN ja kuormitettavuus 660 A. 110 kV 30 SAX-johdin on paallystetty normaaliin kaapelirakenteeseen verrattuna huomattavasti ohuemmalla eristysmuovikerroksel-la. Eristys on mitoitettu kestamaan janteessM tapahtuvat vaihejohtimien valiset yhteenlyonnit. Kokeessa, jossa kah-den johtimen valillS vaikutti 120 kV jannite, niitM ly6-35 tiin yhteen 540000 kertaa ilman lapilyontia. Lisaksi suo- 5 92773 ritettiin samoilla johtimilla 17 vrk. kestavå nojauskoe, jossa johdot nojasivat toisiinsa, ilman lapilyontia.

Keksinnon mukaisilla eristettyjen johtimien vali-sillå minimietSisyyksillå johtimien siis sallitaan iskey-5 tyS toisiinsa esim. tuulen tai oikosulkuvoimien vaikutuk-sesta. Tarvittavat minimietaisyydet on siten laskettava muilla asiaan vaikuttavilla perusteilla kuin oikosulkuta-pauksen kriteereillå. Eras lahtokohta johtimien (ilmaeris-tys) minimietMisyyden tarkastelulle muodostaa sahkoturval-10 lisuusmåaraykset, Suomessa Sahkotarkastuskeskuksen julkai- su A4-86, Helsinki 1986, jossa on esitetty iavkkia raken-teita koskevat våhimmaisetåisyysvaatimukset, jotka ovat arvoltaan 1,15 m paljaille 110 kV:n johtimille.

Keksinnon mukaisen, eristetyista vaihejohtimista 15 muodostetun avojohdon eristyskoordinaatiotarkastelu lahtee kahdesta olettamuksesta: - pylvaån latvarakenteet suojaavat koko janteen; ja - ylilydnti vaiheesta maahan tapahtuu kestotason mukaisella sySksyjannitteellM todennakoisyydella 10 %, 20 jannitelujuuden hajonnan ollessa 3 %.

Tarkoituksena on mitoittaa vaiheiden valinen ilma-vali siten, etta vaihe-maa vMlissa tapahtuva ylilyonti on riittavSn paljon todennåkoisempi kuin vaiheiden vålisesså ilmavalissS tapahtuva ylilyonti. Em. olettamusten mukaiset • 25 laskelmat osoittivat, etta vaiheiden valisen ilmavalin tulee olla vain 3 % suurempi kuin vaiheen ja maan valisen ilmavalin, jotta todennakoisyys vaiheen ja maan vålillå tapahtuvaan ylilydntiin on 10-kertainen verrattuna vaiheiden valilla tapahtuvaan ylilyontiin. Mikali haluttu toden-30 nSkdisyys on 100-kertainen, tulee vaiheiden vålisen ilma-vSlin olla vastaavasti 6 % suurempi.

Koska hakijan kåyttåmien 110 kV eristinketjujen ylilybntietaisyys on 87 cm ja vapaa ilmavali tallS jSnnit-teellM on 90 cm, on suunnittelussa lShdetty siitS, etta 35 vaiheiden valilla jannitteisten osien minimietaisyys on • · • l 6 92773 100 cm eli yli 10 % suurempi kuin vaihe-maa ilmavåli. TåtS mitoitusta noudattamalla salaman synnyttama ylijannite johtaa erittåin suurella todennåkoisyydella yksivaiheiseen maasulkuun kaksivaiheisen oikosulun sijasta.

5 Koska keksinnon mukaisessa eristetyista vaihejohti- mista muodostetussa avojohdossa sallitaan tavallista pie-nemmåt vaihevålit, on tarkasteltava my os johdinkoronasta mahdollisesti aiheutuvia ongelmia 110 kV jannitteellå. Taman vuoksi laskettiin johtimen pintakentanvoimakkuuden 10 suhde koronan syttymiskentanvoimakkuuteen vaihevalin funk-tiona jannitteen ollessa 123 kV. Tulokset on esitetty ku-viossa 2. Hakijan kayttamien mitoituskriteerien mukaan kyseinen suhde saa olla taajama-alueilla korkeintaan 0,72 ja muilla alueilla korkeintaan 0,77.

15 Laskennan tulos riippuu kSytetysta johtimesta. Kah- desta testatusta johtimesta, ACSR 305/39 Duck ja ACSR 152/25 Ostrich, havaittiin etta kaytettSessa Duck-johdinta vaihevali voidaan pienentåå jopa arvoon 60 cm, ilman etta ongelmia koronan suhteen esiintyy. Sama patee suurin piir-20 tein myos Nokian SAX 355 -johtimelle. Ostrich-johtimella vaihevali on suurennettava arvoon 130 cm, jotta pintaken-tanvoimakkuus olisi samaa luokkaa. Kayrastosta ilmenee myos, etta johtimien ollessa sijoitettuina pystyyn (Don), ; saavutetaan koronan kannalta edullisempia vaihevaliarvoja 25 kuin niiden ollessa sijoitettuina vaakatasoon (Port).

Johtopaåtoksenå voidaan siis esittaa, etta eristet-tyjen vaihejohtojen vålinen minimietaisyys voi ainakin 110 kV avojohdon tapauksessa olla samaa luokkaa kuin jaykissa rakenteissa kSytettava vahimmaisetaisyys.

30 Keksinnon mukaan on siis osoittautunut, ettå pSSl- lystetyt johtimet mahdollistavat vaihevalien huomattavan pienennyksen ja johtokatujen kavennuksen tai vaihtoehtoi-sesti pylvasrakenteen madaltamisen. PAS-johdon tarkeimpiM etuja on myos sen synnyttamien sahko- ja magneettikenttien 35 kentSnvoimakkuuksien pienuus verrattuna tavallisiin joh- li 7 92773 toihin pienemmista vaihevåleistå johtuen. Kuviossa 3 on esitetty kåyråt, joista kayvat ilmi suurjånniteavojohdon såhkokentånvoimakkuudet maan pinnalla eri johtotyypeille. Kuviossa 4 on esitetty vastaavat magneettivuon tiheydet.

5 Vertailussa mukana on taulukon 1 mukaisesti tavallinen eriståmåton johto vaaka-, kolmio- ja pystykonfiguraatiolla normaaleilla 3...3,5 m vaihevåleillå, sekå PAS-johto vaaka-, pysty-, kolmio- ja deltakonfiguraatioilla ja 1,15 m vaihevåleillå. Esimerkkejå konfiguraatioista on esitetty 10 kuvioissa 5-8. Kuviossa 5 johtimilla on pystysijainti, kuvioissa 6 ja 7 deltasijainti (johtimet sijaitsevat ta-sasivuisen kolmion kårjisså) ja kuviossa 8 tavanomainen vaakasijainti. Vaihejohtimien tukipisteet rakenteissa on kaikissa kuvioissa merkitty viitenumerolla 4. Vaihejohti-15 mien kiinnitys pylvas- tai portaalirakenteisiin on jousta-va, mikå eliminoi johtojen våråhtelyongelmia. Vaihejohtimien eristimet voivat muodostua lyhyempiin vaihevaleihin sovitetuista standardieristimistå.

Låhtotietoarvot 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 lampotila +15°C

- Ukkosjohtimen lampotila +5°C

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

MagneettikentSn suhteen voidaan kuvioiden 3 ja 4 sekå taulukon 1 perusteella tehdå seuraavat havainnot: - kun johtimilla on vaakasijainti, PAS-johdolla 35 (kuvio 8) vuontiheyden maksimiarvo pienenee noin kolman- 92773 δ teen osaan vastaavaan eristamattomaan johtoon verrattuna. Vuontiheys pienenee taustasateilyn tasolle (=0,1 μΤ) etai-syyksillå 16 m (PAS) ja 33 m (tav.) johdon keskilinjasta (kayrat 1 ja 6).

5 - kun johtimilla on pystysijainti, PAS-johdon (ku- vio 5) vuontiheyden maksimiarvo putoaa noin puoleen taval-liseen johtoon verrattuna. Vuontiheys pienenee taustasateilyn tasolle etSisyyksillå 18 m (PAS) ja 33 m (tav.) johdon keskilinjasta (kMyrat 2 ja 7).

10 - kun johtimilla on kolmiosijainti, johdon vuonti heyden maksimiarvo ei kovinkaan paljon poikkea tavallisen johdon arvosta (kSyråt 3 ja 4) . Vuontiheys pienenee kui-tenkin PAS-johtimilla taustasateilyn tasolle etSisyydella 21 m johdon keskilinjasta, kun se vastaavan eristamSttdman 15 johdon tapauksessa on 25 m. Suhteellisen vaatimaton ero johtuu siitS, ettS muut tekijat kuin johtimien valinen etaisyys, mm. vapaa ilmavaii, maaraa johtimien sijainnin. Nain olien rakenne molemmilla johdoilla on likimain sama. Sahkokentan voimakkuudessa (kuvio 3) PAS-johdolla saavu-20 tetaan kuitenkin kentanvoimakkuuden huippuarvon puolittu-minen.

- PAS-johdon deltasijainti (kuviot 6 ja 7) on kent-tien kannalta selvasti paras ratkaisu. Verrattuna tavalli-seen eristamattomaan portaalijohtoon vuontiheyden maksi-25 miarvo on vain noin viidennes ja taustasateilyn tasolle vuontiheys pienenee jo 13 m etaisyydelia johdosta (kayra 8) .

II

9 92773 JOHTO LUTE- LUTE 12 0,1 μΤ 0,2 μΤ __NO. KAYRANO.___(m)__(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.

Magneettikenttahavainnot. Β^χΔ magneettikentan vuontiheyden suhteellinen maksimiarvo, 0,1 μΤ (0,2 μΤ) Δ vuontiheys pienenee 0,1 μΤ (0,2 μΤ) tasolle 5 ko. xnatkan etaisyydellå johdon keskilinjasta.

Alan ammattimiehelle on selvaa, etta keksinnon eri sovellutusmuodot eivat rajoitu ylla esitettyihin esimerk-keihin, vaan etta ne voivat vapaasti vaihdella jaljempana 10 olevien patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (4)

92773

1. Suurjånnitteinen avojohto, erityisesti yli 100 kV johto, jonka vaihejohtimet kulkevat ilmassa pylvåsra- 5 kenteen tukemina, tunnettu siitå, etta johtimet ovat eristettyjå, ettå niiden valinen etåisyys pylvaiden tukipisteisså (4) on pienempi kuin johtimien valisen kos-ketuksen valttamiseksi tarvittava minimietaisyys, ja ettS ainakin kaksi johdinta on sijoitettu pystysuunnassa eri 10 korkeudelle.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen suurjSnnitteinen avojohto, tunnettu siita, etta johtimien valinen etåisyys pylvaiden tukipisteissa (4) on n. 1,15 metria 110 kV:n jånnitteellå.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen suurjånnit teinen avojohto, tunnettu siitå, ettå johtimet on jårjestetty avojohdon poikittaistasossa påållekkåin.

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen suurjånnitteinen avojohto, tunnettu siitå, ettå johtimet on 20 jårjestetty avojohdon poikittaistasossa kolmion kårkiin. • · « II 92773