1. Osnovno o mrežama

1.1 Uvod

Nerijetko je pojam elektroenergetska mreža kolokvijalni sinonim za elektroenergetski sustav (EES) koji smo opisali ranije govoreći o elektroenergetskim postrojenjima. Kada smo govorili o elektroenergetskom sustavu, opisali smo njegovu mrežu kao karakterističan podsustav veza izmeñu pojedinih prostorno udaljenih dijelova sustava, koje još sačinjavaju elektrane, transformatorske stanice, razdjelne stanice (mjesta) i potrošači. Oblik i način prostorne povezanosti naziva se konfiguracija ili topologija mreže, a pojedine veze mogu imati različite napone i tada su spojene preko transformatora. Prijenos veće snage u pojedinim vezama (granama) mreže iz ekonomskih razloga upućuje na korištenje viših napona.

Zbog nemogućnosti akumuliranja energije na putu izmeñu generatorâ i potrošačâ, predstavlja EES tipično dinamički sustav uslovljen nizom karakteristika svojih pojedinih dijelova. Posebnu poteškoću u izračunima stanja u sustavu unose interakcije koje se pojavljuju izmeñu dijelova sustava kod brzih promjena ili poremećaja. Kako nas za sada interesira elementarno premoštavanje udaljenosti u prijenosu električne energije, promatrat ćemo mrežu samo u trajnim (stacionarnim) stanjima pogona. To podrazumijeva i različite promjene u radu mreže radi kvarova, ali bez izračuna prijelaznih stanja.

Napon je bitan element kvalitete električne energije koju dobavljamo potrošaču i mreža ne smije biti ograničavajući faktor u regulaciji napona za bilo koju njezinu točku potrošnje. Zato izračuni pojedinih dijelova mreže moraju točno predvidjeti neizbježne padove napona kod zadanih opterećenja, a naponi na mjestu potrošnje moraju trajno biti unutar propisanih granica.

1.1.1 Razvrstavanje mreža

Ne postoji strogo odreñeni način razvrstavanja električnih mreža, pa se one mogu razvrstavati prema različitim svojstvima, kako primjerice slijedi.

1. Prema vrsti struje: mreže izmjenične i istosmjerne struje. Mreže izmjenične struje su najčešće trofazne mreže s nul-vodičem ili bez njega. Kao jednofazne mreže se pojavljuju obično kao ogranci trofaznih vodova. Mreže istosmjerne struje su male (po snazi i konfiguraciji) i imaju specifične namjene (uglavnom nužno napajanje). Postoje takoñer mreže izmjenične i istosmjerne struje za vuču (željeznice i sl.) koje ovdje nećemo razmatrati.

2. Prema nazivnom naponu: mreže niskog i visokog napona. Mreže niskog napona imaju ograničenje da na mjestu potrošnje napon izmeñu bilo koje faze i zemlje ne smije biti veći od 250 V. Sve ostale mreže spadaju u visokonaponske. U praksi se pojavljuje slučaj da se zbog ispitnih napona opreme i neki drugi rijetko korišteni naponi ispod 1 kV (500, 600 i 900 V) tretiraju kao naponi niskonaponske mreže.

Danas je uobičajeno da se visokonaponske mreže razvrstavaju još na mreže srednjeg napona, visokog napona i vrlo visokog napona, u jednakim razredima kako smo naveli kod elektroenergetskih postrojenja za opremu (samo se kod opreme uzima kao podatak najviši napon u okviru dopuštenih odstupanja). U nas se u nacionalnoj mreži koriste linijski naponi 10, 20, 35, 110, 220 i 380 kV, a u tvorničkim mrežama još 3 i 6 kV radi visokonaponskih potrošača. Na razini sadašnjeg stanja i budućeg razvoja mreže, ekonomski bi opravdan niz napona bio 380-110-20-0,4 kV i tomu se postupno teži kroz obnavljanje i proširenje mreže.

3. Prema svrsi: prijenosne i distributivne mreže. Podjela se mijenja ovisno o razini i prostornoj gustoći potrošnje u pojedinim EES. Mreže napona do uključivo 110 kV smatrat ćemo kod nas distributivnim mrežama, a prijenosnim mrežama one iznad tog napona.

4. Prema konfiguraciji: otvorene (radijalne) i zatvorene (prstenaste, dvostrano napajane, zamkaste, složene) mreže. Zatvorene mreže su zahtjevnije ali imaju povećanu sigurnost opskrbe u slučaju kvarova.

5. Prema konstrukciji: vanjske i unutarnje mreže odnosno zračni vodovi, kabeli ili plinom izolirani vodovi.

1.1.2 Izračuni mreža

U projektiranju i izvedbi mreža moraju se zadovoljiti osnovni zahtjevi na ekonomsko-tehničku opravdanost, kvalitetu i utjecaj na okoliš. Ekonomsko-tehnička opravdanost znači da mreža mora biti izvedena na način da u investiciji, eksploataciji i održavanju postigne maksimalnu opravdanost rješenja koje nude projektant i izvoñač. Kvaliteta opreme se osigurava ISO standardima, a kvaliteta isporučene energije uključuje sigurnost napajanja i promjene napona isključivo u propisanim (i ugovorenim) granicama. Utjecaj na okoliš prvenstveno podrazumijeva bezopasnost po okoliš. Povremeni proboji i preskoci mogu prouzročiti zapaljenja, a u odnosu na druge ureñaje i žive organizme bezopasnost nije apsolutna nego je propisana vrijednostima dopuštenih jakosti polja u promatranim područjima.

Kod projektiranja električne mreže (ili njenih dijelova) prave se detaljni izračuni koje treba poznavati projektant našeg profila. To znači da moraju biti uključeni svi aspekti rješenja a posebno:

1. Razlike i promjene napona u odreñenim točkama mreže. Zadatak je obično da se odredi presjek vodiča prema dopuštenoj razlici napona. Istodobno se može riješavati regulacija napona (primjerice na otcjepima transformatora) ako se izlazi iz dopuštenih okvira.

2. Toplinsko opterećenje i zagrijavanje pojedinih vodova. Zadatak je da se provjeri dopuštena jakost struje kod najvećih opterećenja voda i njegovo zagrijavanje u okolišu u kojem se nalazi.

3. Mehanička čvrstoća vodova. Zadatak je da se kontrolira opterećenje i naprezanje vodiča i svih mehaničkih dijelova u najnepovoljnijim uvjetima pogona i okoliša, te da se izbjegnu nedopuštena mehanička naprezanja, a takoñer pomaci i promjene koje bi mogle ugroziti sigurnosne razmake i dopuštena opterećenja (vjetar, led, kidanje vodiča i dr.).

4. Podnosivost struja kratkog spoja.

5. Efikasnost uzemljenja.

6. Zaštita od atmosferskih ili sklopnih prenapona i dr.

Obujam i sadržaj izračuna ovisi o veličini projekta i ovdje ćemo se zadržati na sadržajima vezanim za točke 1÷3. Sadržaji vezani za točke 4 i 5 su prošli semestar izloženi u okviru predavanja o elektroenergetskim postrojenjima.

Pored toga što valja izraditi navedene izračune i pridržavati se propisanih normi i standarda, treba kod projektiranja i pogona elektroenergetskih mreža ispunjavati i sve zakonske propise iz područja ove djelatnosti.

1.2 Osnovno o izvedbama mreža

Unutarnje mreže, smještene u zgradama, izvode se u pravilu pomoću izoliranih vodiča koji se polažu u cijevi, na police ili odgovarajuće držače. U mnogim slučajevima koriste se kabeli koji se takoñer postavljaju u posebne kanale, tunele ili vertikalne prodore. Velike zgrade imaju često dijelove katova ili čak meñukatove (smanjene visine) koji sadrže svu potrebnu elektroenergetsku (uz strojarsku, protupožarnu i dr.) opremu, uključujući transformatore s niskonaponskim razvodom. Ponekad su u tvorničkim halama priključci električnih motora izvedeni zaštićenim dovodnim tračnicama radi fleksibilnosti razmještaja radnih strojeva.

Vanjske mreže izvode se većim dijelom kao nadzemne, a u nekim slučajevima kao podzemne. Uobičajene nadzemne mreže sastoje se od zračnih (ili zračnih) vodova s neizoliranim vodičima pričvršćenim pomoću izolatora na visoke stupove. Dio visokonaponskih mreža u zemljama s izuzetno teškim klimatskim uvjetima izveden je pomoću plinom izoliranih vodova koji se postavljaju uglavnom nadzemno. Podzemne mreže izvode se kabelima ili plinom izoliranim vodovima (u najgušće naseljenim gradovima) koji se polažu u zemlju. U posebnim prilikama specijalni kabeli se polažu po morskom dnu. Kabeli i plinski vodovi su višestruko skuplji od zračnih vodova, a polaganje u zemlju samo još podiže cijenu investicije.

1.3 Zračni vodovi

Zračni vodovi su najzastupljeniji u prijenosu električne energije. U odnosu na kabele normalno imaju prednost u cijeni i održavanju (popravkama kvarova). Nedostatci su izloženost klimatskim (led, vjetar, grom) i slučajnim (letjelice, neovlaštene osobe) oštećenjima. Razvrstavanje zračnih vodova može se provesti po više kriterija od kojih su neki:

- nazivni napon voda, - broj strujnih krugova voda, - materijal i konstrukcija vodiča, - materijal i konstrukcija stupova.

Osnovni elementi zračnog voda, poredani po redoslijedu izvoñenja radova, su: - temelji s uzemljivačem, - stupovi s uzemljenjem, - izolatori s ovjesnim, spojnim i zaštitnim priborom,

- vodiči i zaštitna užad.

Temelji prenose sile sa stupa na tlo i osiguravaju stabilnost voda kao grañevinskog objekta. Uzemljenje osigurava da naponi koraka i dodira ostanu u dopuštenim granicama kod bilo kakvih pogonskih stanja, a takoñer je važno za pogonsku sigurnost voda.

Stupovi osiguravaju vodičima odgovarajuće sigurnosne razmake i visinu nad tlom. Dimenzioniraju se na osnovu mehaničkih opterećenja kao grañevinski objekti.

Izolatori imaju ulogu da električki izoliraju vodiče od stupa i da ih drže u odreñenim položajima koji osiguravaju sigurnosne razmake. Opterećeni su mehanički i električki, a kod pojave luka i termički. Ovjesni pribor preuzima mehanička opterećenja povezivanja vodiča i izolatora sa stupom. Spojni pribor služi za osiguranje prolaza struje kod nastavljanja vodiča i opterećen je termički (Jouleova toplina) a nerijetko i mehanički. U zaštitni pribor možemo svrstati one dijelove voda koji se koriste za zaštitu od prevelikih vibracija, otklanjanje luka od vodiča i izolatora, oblikovanje električnog polja radi manjeg naprezanja izolatora i dr.

1.3.1 Vodiči

Vodiči zračnih vodova i njihova zaštitna užad rade općenito pod teškim uvjetima jer su izloženi djelovanju klimatskih uvjeta (led, vjetar, ekstremne temperature) i lokalnih kemijskih onečišćenja zraka. Uz dobru vodljivost, od njih se traže zahtjevna mehanička svojstva i kemijska površinska otpornost. U osnovi imamo vodiče s bakrom (i njegovim slitinama) i vodiče s aluminijem (i njegovim slitinama i u kombinaciji s čelikom). Iz podataka za specifičnu masu i električnu vodljivost se vidi da je aluminijski vodič jednake dužine i otpora dva puta lakši od bakrenog, a i cijena mu je više nego dvostruko niža. Aluminij ima više od dva puta veću specifičnu toplinu, ali slično manju mehaničku čvrstoću. Posebice ima lošiju žilavost i loše vodljiv oksid.

Kod zračnih vodova promjer vodiča je značajan samo zbog sila vjetra. Kako je bakreni vodič (jednakog otpora po jedinici dužine) manjeg promjera i veće težine, bit će njegovo njihanje uslijed vjetra manje amplitude i sigurnosni razmaci mogu biti manji (jeftinija glava stupa). Aluminijski vodič će pak imati manju težinu (manje opterećenje stupa) i veći promjer (manji efekt korone). U kombinaciji s čelikom (alučel) imat će takoñer manji provjes užeta (niži stup) kod jednakog raspona.

Prema konstrukciji vodiča razlikujemo nekoliko tipova vodiča:

1. Jednožični vodiči. Sastoje se od samo jedne žice punog profila. Izrañuju se od čelika ili bakra (do 80m raspona i 16 mm2 presjeka).

2. Višežični jednovrsni vodiči. Ovisno o presjeku, sastoje se obično od 7, 12, 19, 37 ili 61 usukanih žica jednakog presjeka. Prednost je u boljoj savitljivosti u odnosu na puni profil posebice kod većih presjeka, ali usukanost donosi 2÷3% povećanje dužine žica u odnosu na vodič. Izrañuju se od bakra, aluminija, čelika, aldreja (aluminijska slitina s malim udjelom mangana, silicija i željeza) i bronze (bakrena slitina s kositrom i silicijem). Standardni presjeci (10, 16, 25, 35, 70, 95, 120, 150, 185, 240 i 300 mm2) u stvarnosti se malo razlikuju od navedenih i treba koristiti točnije podatke proizvoñača.

3. Višežični vodiči od dva metala. Dijele se na vodiče s dvije grupe homogenih žica i na jednake žice od dva materijala. Osnovni primjer prvih je alučel sastavljen od pocinčanih željeznih žica jezgre i aluminijskih žica omotača. U prvoj aproksimaciji pretpostavlja se da čelik preuzima sva mehanička opterećenja, a aluminij svu struju. Zato je presjek aluminija jedan od standardnih iz gore navedenog niza, a presjek čelika se iskazuje u omjeru prema njemu (obično 6:1, ali takoñer 8:1 i 2,2:1). U USA se koristi prošireni alučel, gdje se izmeñu

jezgre i omotača nalaze umetci od katraniziranog papira, što povećava vanjski promjer užeta u svrhu smanjenja gubitaka korone. Ovdje spadaju takoñer vodiči s bronzanom jezgrom i bakrenim omotačem te vodiči s čeličnom jezgrom i omotačem iz aldreja, koji se koriste za vrlo velike raspone (500÷1000 m).

Užeta s jednakim žicama iz dva materijala izvode se usukavanjem čeličnih žica obloženih bakrom (copperweld) ili aluminijem (aluweld). Prednost je dobra zaštita čelika od korozije i bolja vodljivost aluminija.

Bojenje vodiča specijalnom crnom bojom je noviji tehnološki postupak posebno interesantan za alučel jer, uz izvrsnu kemijsku zaštitu, omogućava bolju emisiju Jouleove topline iz vodiča. Za jednak provjes je opteretivost crnog vodiča kod 80°C veća za oko 15%. Noviji trend su ovdje vrući vodiči koji trajno podnose 150°C (crno obojeni aluminij je legiran cirkonijem, a čelične žice obložene njime), kod kojih treba pažljivo odmjeriti ekonomske efekte ne samo zbog njihove cijene nego i povećanog otpora i provjesa pri takvoj temperaturi. Pitanje provjesa tehnički se rješava korištenjem invara (slitina čelika s blizu 40% nikla i malo molibdena, kod koje toplinsko rastezanje izuzetno malo u rasponu radnih temperatura) u jezgri umjesto čelika.

Sl. 1.1- Presjeci vodiča

4. Šuplji vodiči primjenjuju se kod napona 220 kV i više radi smanjenja gubitaka korone. Mogu biti izvedeni s unutarnjim pojačanjem držanja žica ili bez njega. Žice su plosnatog oblika s perom i utorom na užim staranama. Nekoliko takvih profila usukuje se na način da se dobije točno okrugli vanjski profil vodiča koji je lagan i relativno velikog promjera, ima veliku mehaničku čvrstoću i ne oštećuje se bilo u nategnutom ili nenategnutom stanju.

Zaštitno uže (jedno ili dva za napone 35 kV i više) ima primarnu ulogu da zaštiti fazne vodiče od atmosferskih pražnjenja. Postavlja se u nosne stezaljke koje su učvršćene direktno va vrhu stupa. Kako je u pravilu uzemljeno preko stupa, ono takoñer osigurava dovoljno nisku nultu impedanciju poželjnu radi zaštite od jednopolnog kratkog spoja. Izvodi se obično pomoću vodiča dobre vodljivosti kakav je alučel, ali u specijalnoj izvedbi s optičkim kabelom u čeličnoj jezgri. Optički kabeli omogućavaju korištenje računalnog sustava za praćenje i upravljanje u EES. Još preostaje veliki broj telekomunikacijskih kanala za iznajmljivanje i oni značajno podižu komercijalnu vrijednost voda kroz iskorištenje u drugom gospodarskom segmentu.

Vodiči se isporučuju u ograničenim dužinama i potrebno ih je nastavljati koristeći odgovarajuće spojnice. Po izvedbi su spojnice (kao i stezaljke) vijčane, zakovične zarezne ili kompresijske. Danas se pretežito koriste kompresijske spojnice radi kvalitete i pouzdanosti. Spojnice kraće izvedbe koriste se za popravak oštećenog vodiča. Za meñusobno spajanje aluminijskih i bakrenih vodiča koriste se spojnice s prireñenim kontaktnim spojevima aluminija i bakra.

Pokazat ćemo kasnije da je najveće mehaničko opterećenje vodiča na mjestu spoja sa stezaljkama. Usto je zapažena pojava titranja vodiča u vertikalnoj ravnini pri malim brzinama vjetra (amplitude titranja su reda nekoliko centimetara a frekvencije izmeñu 10 i 100 Hz). Zbog toga dolazi do odvijanja matica potpornja, mehaničkog kvara na izolatorskim lancima,

pa čak i prekida vodiča usljed zamora materijala u stezaljci. Ovo se spriječava protutitrajnim stezaljkama ili prigušivačima. U nas se koriste prigušivači, koji se montiraju na vodič na odreñenim razmacima od stezaljke kako bi preuzeli najveći dio titrajnog opterećenja.

Treba spomenuti i pojavu njihanja vodiča s velikom amplitudom (otklon do 6 m a frekvencija manja do 1 Hz u velikim rasponima). Da se smanji amplituda njihanja izolatorskog lanca dopušteno je na njega montirati dodatni teret, ali tako da ne premaši ukupno dopušteno opterećenje.

Kod vodiča u snopu treba osigurati da uzajamnim trenjem ne bi jedan drugoga oštetili, te se koriste odstojnici različitih izvedbi (uobičajeni razmak je 400 mm). Obično su kružnog oblika s odgovarajućim brojem stezaljki za vodiče i montiraju se okomito na smjer vodiča (izuzetak je slučaj dva vodiča, kada se montiraju u njihovoj ravnini) na više mjesta u rasponu.

U blizini letališta obvezno je na vodiče u rasponima dalekovoda postaviti propisane velike plastične lopte bijele i crvene boje.

1.3.2 Izolatori

Izolatori nose vodiče i fiksiraju njihovo mjesto u rasporedu razmaka vodiča samih i sa užetima i dijelovima stupa, a osiguravaju dobru izolaciju vodiča pri najvećim pogonskim naponima. Njihova funkcija zahtijeva sigurna i trajna mehanička i izolacijska svojstva. Vrste, karakteristike i izbor smo već razmatrali u okviru kolegija iz elektroenergetskih postrojenja.

U mrežama su u najširoj primjeni porculanski izolatori. Do napona 35 kV koriste se potporni zvonoliki izolatori. Za učvršćenje na stup koriste se potpornji na koje se niskonaponski izolatori navijaju (srednjenaponski izolator ima već zacementiran potporanj). Za željezne stupove koriste se ravni, a za drvene stupove savinuti potpornji.

(1) (2) (3) (4) (5)

Sl. 1.2 - Izolatori: (1) NN potporni, (2) SN potporni, (3) VK tip, (4) štapni (L tip), (5) kompozitni

Starija rješenja izolatora su steatitni masivni izolatori i porculanski štapni izolatori. Štapni izolatori dalekovoda se danas rade iz kompozitnih materijala. Jezgru čini štap iz staklenim vlaknima armirane poliesterske smole koja osigurava mehanička svojstva, a omotač rebrasto profilirana silikonska guma. Metalna ovjesišta moraju biti pažljivo izvedena da svojim završetcima pokriju silikon i osiguraju kliznu stazu. Tehnološki proces mora osigurati kontakt silikona i poliestera bez uključaka zraka. Kompozitni izolatori imaju prednost u težini, elastičnosti te odbojnosti na vodu i nečistoće iz zraka. Ovdje je samočišćenje izuzetno važno jer nemamo mogućnost pranja kao kod postrojenja.

(1) (2) (3) (4)

Sl. 1.3- Izolatorski članci: (1) porculanski, (2) stakleni magleni, (3) stakleni, (4)aerodinamični

Kod 35 kV i iznad toga koriste se ovjesni izolatori. Ovjesni izolatori se obično izvode kao lančani izolatori sastavljeni od kapastih članaka. Alternativni materijal porculanu je kaljeno staklo, gdje se mogu vidjeti oštećenja. Broj kapastih članaka u izolatorskom lancu ovisi o najvišem naponu i otpornosti na bočna naprezanja (vjetar). Pojedini članci izolatora spajaju se umetanjem batića u zdjelicu te osiguranjem spoja odgovarajućim zatikom. Lako sastavljanje i rastavljanje kapastih članaka bitno je za montažu i zamjenu (pod naponom) oštećenih dijelova, pa je preciznost obrade spojnih dijelova izuzetno važna. Radi boljeg održavanja sigurnosnih razmaka kod najjačih vjetrova koriste se zavješenja u obliku slova V s dva izolatora (a nagnutost izolatora doprinosi boljem samočišćenju). Za sastavljanje u kompletan lanac koristi se ovjesni i zaštitni pribor. Kada se zbog velikih vertikalnih opterećenja koriste dvostruki izolatorski lanci, oni se na krajevima povezuju odstojnicima. Na krajevima lanace se postavljaju rogovi koji osiguravaju da eventualni proboj odvede luk kroz zrak bez oštećenja površine izolatora. Kod viših napona se takoñer postavljaju torusni potencijalni prsteni koji onemogućavaju visoke jakosti polja na metalnim dijelovima ovjesa koji su obuhvaćeni prstenom. Na donjem dijelu izolatora nalazi se stezaljka za vodič. Stezaljka može biti po funkciji nosna ili otponska. Nosne (čvrste) stezaljke fiksno drže vodič, ali su najčešće gibljivo ovješene o izolatorski lanac. Otponske (otpusne) stezaljke dopuštaju vodiču da proklizne iz utvrñene pozicije kad nateg vodiča s jedne strane premaši odreñenu vrijednost i povuče izolatorski lanac. Radi toga se smanjuju sile koje djeluju na nosne stupove. Postoje i klizne stezaljke koje dopuštaju vodiču proklizavanje i potpuno uzdužno rasterećenje nosnih stupova, ali se u nas ne koriste. Na zateznim (rasteretnim) stupovima izolatorski lanci vise gotovo vodoravno, a zatezna stezaljka čvrsto drži vodič. Vodič tu prelazi u kratki spojni vodič koji slobodno visi ispod izolatora. Pri tome se vodi računa o sigurnosnom rasporedu spojnih vodiča u glavi zateznog stupa.

1.3.3 Pribor

Osnovni pribor za montažu vodova dijelimo u spojni (spojnice za galvansko spajanje vodiča), potporno-ovjesni (podupore ili zavješenja izolatora i vodiča) i zaštitni (električki i mehanički) pribor. Izrañuje se od kovanog čelika, tempernog lijeva i aluminijskih slitina (za željezo je obvezno antikorozijsko pocinčavanje).

(1) (2)

(3)

Sl. 1.4 - Spojnice: (1) stezna, (2) zarezna, (3) kompresijska

Prema izvedbi, spojnice mogu biti rastavljive (stezne vijčane) ili nerastavljive (zakovične, zarezne ili kompresijske). Za nerastavljive spojnice su potrebni specijalni alati. Za meñusobno spajanje bakrenih i aluminijskih vodiča koriste se bimetalni Cu-Al spojevi kako bi se izbjeglo elektrolitsko oštećenje kontaktnih površina tijekom vremena. Za spajanje alučel vodiča koriste se spojnice koje su sastavljene iz dva dijela: unutarnje spojnice čeličnog užeta i vanjske spojnice aluminijskog opleta.

(1) (2)

Sl. 1.5 - Stezaljke: (1) nosna, (2) otponska

Vodiči se smještaju u nosne ili otponske stezaljke zavješene na krajevima izolatora (fazni vodiči) ili učvršćene na vrhovima stupova (zaštitni vodiči). Otponske stezaljke fiksiraju vodič u normalnom stanju a imaju svojstvo da, kod graničnog kuta vodiča koji izlazi iz njih (primjerice kod prekida vodiča na trasi), puste vodič da klizi kao kod nosne stezaljke i time onemogućuje preopterećenje svoga stupa. Ležište vodiča u nosnoj ili otponskoj stezaljki je pažljivo oblikovano, jer se na tim mjestima pojavljuju najveća naprezanja u vodiču, kako ćemo vidjeti kod kasnijih izračuna. Kod izolatorskih lanaca se mogu primijeniti i produžnici za slučaj potrebe, a kod dvostrukih ili višestrukih lanaca koriste se odstojnici montirani na krajeve lanaca.

Podupore izolatora koriste se kod srednjeg i niskog napona, a obično su zacementirane u izolatore (kod starih rješenja za niski napon koristi se i navijanje izolatora pomoću impregnirane kudelje).

Ovjesni izolatori ('lanci') koriste pribor za zavješenje u kombinaciji sa zaštitnim priborom (iskrišta u obliku 'rogova' za odvoñenje prenapona koji se mogu pojaviti na vodu, te torusni (ili slično oblikovani) prsteni za 'zasjenjenje' oštrih dijelova pribora koji bi mogli prouzročiti previsoka lokalna električna polja). Ovdje su iskrišta samo lokala mogućnost rasterećenja i ne mogu zamijeniti puno sigurnije i točnije odvodnike prenapona.

(1) (2)

Sl. 1.6 - Nosni izolatorski lanac: (1) jednostruki, (2) dvostruki

(1) (2)

Sl. 1.7 - Nosni izolatorski lanac za snop od dva vodiča: (1) jednostruki, (2) dvostruki

Sl. 1.8 - Zatezni izolatorski lanac: dvostruki za snop od dva vodiča

Sl. 1.9 - Zaštitno uže s nosnom stezaljkom i uzemljenjem preko stupa

Za učvršćenje zaštitnog užeta koriste se stezaljke postavljene na vrhu stupova. Jednako kao kod faznih vodiča, postavljaju se nosne odnosno otponske stezaljke. Kod čelično-rešetkastih stupova uzemljenje zaštitnog užeta se izvodi preko konstrukcije stupa, čiji otpor treba kontrolirati.

(1) (2)

Sl. 1.10 - (1) odstojnik za dva užeta u snopu, (2) prigušivač vibracija

U mehanički zaštitni pribor ubrajaju se prigušivači vibracija, odstojnici vodiča i dodatni utezi. Prigušivači vibracija montiraju se na užad u blizini ovjesnih stezaljki prema preporukama proizvoñača. Obično se montiraju po dva prigušivača na jednakim udaljenostima od nosne odnosno otponske stezaljke. Odstojnici vodiča od prstenasto formiranog užeta osiguravaju elastičan razmak (obično 40 cm) vodiča u snopu, jer bi uzajamno dodirivanje vodiča vodilo oštećenju vanjskih žica použenja. Razmještaju se unutar raspona ovisno o njegovoj duljini i predviñenom njihanju. Dodatni utezi na krajevima izolatorskih lanaca (olovo, lijevano željezo) koriste se za smanjenje amplitude njihanja vodiča usljed bočnog vjetra.

1.3.4 Stupovi

Materijali koji se koriste za izradu stupova su drvene grede, čelični profili i armirani beton. Drvo se koristi za napone do 10 kV. Prednost mu je u maloj težini i brzoj montaži. Jeftiniji su u gradnji, ali im je trajnost mala unatoč impregnaciji. Po trajnosti se koriste pitomi kesten, bor, jela i smreka, a za pojedine piljene ili tesane elemente takoñer hrast. Kako je truljenju najizloženiji dio pri zemlji, trajnost se povećava korištenjem armirano-betonskih temeljnih stupova, na koje se učvršćuju čeličnim obujmicama iznad zemlje.

(1) (2) (3) (4) (5)

Sl. 1.11 - Primjeri drvenih stupova: (1) niskonaponski linijski, (2) kutni A-stup 10-20 kV, (3) nosni X-stup 35 kV, (4) nosni portalni stup 110 kV, (5) zatezni kutni stup 35-110 kV

Pocinčani čelik je dominantan materijal u gradnji dalekovodnih stupova (dodatno bojadisanje povećava trajnost zaštite). Osim cijevnih profila za napone do 10 kV, koriste se redovito kutni profili za rešetkaste konstrukcije ukrućene dijagonalnim štapovima. Spojevi se izvode vijcima, zakovicama ili zavarivanjem. Na temelje se postavljaju i učvršćuju obično

ponoću sidrenih svornjaka. Najlakše konstrukcije su s vrlo malom temeljnom površinom i nategnutim čeličnim sidrenim užetima, o kojima ovisi stabilnost stupa. Prednost konstrukcije je da može odgovoriti vrlo različitim opterećenjima uz minimalnu težinu stupa.

Armirano-betonski stupovi prihvatljive kvalitete rade se industrijski centrifugiranim lijevanjem betona. Obzirom na relativno veliku težinu i probleme u transportu i montaži, primjenjuju se za napone do 10 kV.

(1) (2) (3) (4) (4)

Sl. 1.12 - Primjeri betonskih stupova: (1) niskonaponski stup, (2) ‘jela’ 10-20 kV, (3) portalni stup 110 kV, (4) dvostruka ‘jela’ 35-110 kV, (5) ‘bačva’ 35-110 kV

(1) (2) (3) (4) (5)

Sl. 1.13 - Primjeri jednostrukih čelično-rešetkastih stupova: (1) ‘jela’ , (2) Y-stup, (3) ‘mačka’, (4) sidreni ‘finski’ stup, (5) sidreni V-stup

(1) (2) (3) (4)

Sl. 1.14 - Primjeri dvostrukih čelično-rešetkastih stupova: (1) ‘Dunav’ , (2) ‘jela’, (3) ‘bačva’, (4) modificirana ‘mačka’

Na konstrukciju stupa utječe veličina nazivnog napona voda, materijal, presjek i broj vodiča. Uvjeti rada zračnih vodova ovise puno o klimatskim uvjetima i o mjestu kuda prolaze (polja, šume, naselja, rijeke, brda, klanci i dr.) i sa čime se križaju (ceste, pruge, cjevovodi, drugi vodovi i sl.). Zbog toga se upotrebljavaju različiti tipovi stupova duž trase dalekovoda.

Trasa dalekovoda se odabire tako da vod bude što kraći i jeftiniji. Skupe prijelaze i križanja treba maksimalno smanjiti. Prema odabranoj trasi će biti odreñen broj stupova po vrsti (nosni, zatezni, kutni, rasteretni, krajnji, križišni, prepletni, preponski i meñustup).

Sl. 1.15 - Primjer rasporeda stupova

Nosni (linijski) stupovi služe za nošenje vodiča na ravnim odsječcima voda, normalno im izolatorski lanci (s nosnim stezaljkama) vise vertikalno (jer ne postoje horizontalne sile u smjeru voda), obično ih ima najviše, konstrukcijski su najmanje zahtjevni i stoga najjeftiniji. Za razliku od njih, zatezni stupovi se dimenzioniraju na preuzimanje opterećenja u smjeru voda uslijed različitih horizontalnih sila (natega) i kod prekida pojedinih vodiča u vodu (njihovi izolatori imaju otpusne stezaljke).

Rasteretni stupovi imaju svrhu da fiksiraju vodiče u odreñenim točkama dalekovoda. Izolatorski lanci s čvrstim stezaljkama primaju cjelokupni nateg vodiča i nalaze se u skoro vodoravnom položaju, kao da su produžetak vodiča. Dimenzionirani su da podnesu prekid svih užeta s jedne strane stupa kod vodiča i užeta opterećenih ledom. Kada treba povećati sigurnost dalekovoda, koriste se takoñer dvostruki izolatorski lanci. Manje su zahtjevi na opterećenja kutnih stupova kod kojih trasa mijenja smjer i koji su jednako opremljeni. Veličina opterećenja ovisi o kutu promjene smjera tako da za male kutove (do 3°) možemo koristiti tip nosnog stupa, a za veće kutove tip rasteretnog stupa.

Krajnji stupovi postavljaju se kod ulaza ili izlaza iz postrojenja elektrane ili transformatorske stanice. Ovaj stup prima sve sile koje djeluju u vodičima voda do najbližeg rasteretnog stupa, jer su kratki vodiči u krugu postrojenja vrlo slabo nategnuti.

Križišni stupovi su po opremi rasteretni i upotrebljavaju se kod križanja s drugim vodom (ili vrlo velikih raspona) te moraju biti vrlo visoki.

Prepletni stup ima karakteristike rasteretnog stupa i koristi se na onim mjestima gdje svi vodiči ili dio njih moraju promijeniti svoja mjesta u rasporedu radi postizanja električne simetrije voda.

Preponski stup se postavlja tamo gdje zbog promjene presjeka ili dopuštenog naprezanja vodiča nateg nije jednak s obje strane (kod prijelaza dalekovoda preko rijeka, prometnica, klanaca i dr.) i po opremi je rasteretni. Ako se radi o visokom i skupom stupu, može se

Plovna rijeka 1 2 3 5 3 3 3 3

4

5

1 - izlazni portal postrojenja 3 - nosni stup 2 - zatezni, rasteretni, krajnji stup 4 - meñustup 5 - zatezni, rasteretni, preponski, kutni stup

Otponsko polje Al/Če 6:1 Preponsko otponsko polje Al/Če 3:1

koristiti manje visine preponskih (rasteretnih) stupova uz umetanje visokog meñustupa u preponsko-rasteretni raspon.

Meñustup je visoki spup koji je po opremi i konstrukciji nosni stup, pa je prema tome jeftiniji od stupova te visine otpornih na horizontalna opterećenja uzduž voda (rasteretni, preponski).

1.4 Kabeli Kabeli su izolirani vodovi u kojima su vodiči (aluminij ili bakar) zasebno izolirani i

smješteni u jedan zajednički omotač koji ih štiti od vanjskih mehaničkih i kemijskih utjecaja. Pojedini konstruktivni elementi kabela bit će prilagoñeni ovisno o nazivnom naponu i kojem je okolišu namijenjen.

Po broju vodiča su kabeli jednožilni (visoki i vrlo visoki naponi, posebne namjene), trožilni (srednji i visoki naponi) i četvorožilni (niski napon). Vodiči su puni (mali presjek) ili použeni. Zbog bolje popunjenosti se do 10 kV koriste sektorska umjesto okruglih použenja (ti kabeli su manjeg promjera i cijene), a kod viših napona stlačeni vodiči gdje su se žice u okruglom presjeku žile deformirale i popunile prazne prostore. Kod viših napona se jakost električnog polja na površini užeta smanjuje tako da se uže glatko omota poluvodljivim slojem (papir ili plastika s dodatkom grafita i dr.).

Izolacija vodiča se izvodi od uljem impregniranog papira, gume, plastomera (polietilen PE/XLPE i polivinil-klorid PVC) i elastomera (etilen-propilen i butil). Papirna izolacija (uljni kabeli) ima nedostatak radi osjetljivosti na vlagu te složenije kabelske glave i nastavka. Probojna čvrstoća je izmeñu 8 kV/mm (PVC) i 45 kV/mm (papir), a neumreženi polietilen PE podnosi 30 kV/mm (PE je lako zapaljiv, a PVC izgaranjem stvara otrovne plinove).

Kabeli za srednji napon i više imaju preko izolacije vodiča aluminijske folije kao vodljive zaslone na potencijalu zemlje. Neki višežilni kablovi za srednji napon imaju vodljivi zaslon zajednički za sve vodiče. Vanjski presjek kabela je uvijek kružnica, pa se meñuprostor ispunjava popunom od materijala sličnog izolaciji. Ako je izolacija ulje ili plin, koriste se elastične spirale u aksijalnom smjeru da osiguraju razmake. Omotač aktivnog dijela kabela kod papirne izolacije je bešavni olovni plašt (rjeñe aluminijski, čelični ili bakreni), a kod ostalih je to plastična izolacija ili metal. Ako treba kompenzirati unutarnje tlakove (primjerice kod vertikalne montaže kabela) koristi se bandaža od pocinčane čelične vrpce omotane (s preklopom) oko plašta. Ukoliko se očekuju značajna mehanička naprezanja kabela, iznad bandaže se postavlja armatura u obliku spiralno ovijenih pocinčanih čeličnih žica u jednom ili dva sloja. Kod jednožilnih kabela bandaža i armatura donose gubitke zbog feromagnetskih svojstava čelika, pa se uzima primjerice vrpca od slitine bakra. Izmeñu plašta, bandaže i armature umeću se meki slojevi koji onemogućavaju njihovo kontaktno trenje i štiti od korozije. Na kraju se izvodi antikorozijski zaštitni sloj iz opleta jute natopljene katranom, bitumenom ili asfaltom kod uljnih kabela odnosno neprekinuti sloj od PE ili PVC kod ostalih.

1.4.1 Niskonaponski kabeli

Kod niskonaponskih kabela imamo kao podvrstu izolirane vodove koji se ne smiju polagati u zemlju jer nemaju mehaničku zaštitu, a glavnu primjenu imaju u objektima. Izolacija im je od PVC, gume ili kombinirano.

Kod prijenosa većih snaga i mogućeg polaganja u zemlju koriste se kabeli s papirnom, gumenom ili plastomernom izolacijom te s metalnim plaštom. Kod četverožilnog kabela jedna žila može biti manjeg presjeka ako služi kao povratni vodič. Ako postoji aluminijski plašt

onda on može preuzeti funkciju povratnog vodiča i dovoljne su tri žile. U nulovanim mrežama su obično sve žile jednakog presjeka, a uvjete nulovanja treba posebno provjeriti.

Za zračne kabelske vodove koriste se samonosivi kabeli. Obično se sastoje od tri fazna vodiča (iz aluminija) i nul-vodiča (iz aluminijske slitine) koji ima i funkciju nosivog užeta. Kabelska izolacija je obično polietilen.

1.4.2 Srednjenaponski kabeli

Kod srednjenaponskih kabela su zbog cijene najzastupljeniji maseni kablovi. Obzirom na konstrukciju razlikujemo tri vrste ovih kablova sizolacijom od papira impregniranom kabelskom masom. Prvi su pojasni kabeli koji pored posebne izolacije svake žile imaju zajedničku pojasnu izolaciju na koju dolazi metalni plašt. Drugi su H-kabeli kod kojih izolacija vodiča ima zaslone od metaliziranog ili grafitnog papira koji su meñusobno spojeni. Prostor do metalnog plašta ispunjen je papirnom popunom. Treći su troolovni kabeli s olovnim plaštevima na zaslonima svakog od vodiča, a popuna je juta. Maseni kablovi imaju bandažu (čelična traka) i antikorozijsku zaštitu (impregnirana juta). Pojasni kabeli se izrañuju za napone do 15 kV, a H- i troolovni kabeli do 40 kV.

(1)

(3)

(2)

Sl. 1.16 - Maseni kabeli: (1) pojasni kabel, (2) H-kabel, (3) tro-olovni kabel

(1) (2)

Sl. 1.17 - PVC/PE kabeli: (1) srednjenaponski jednožilni, (2) srednjenaponski trožilni

Kabeli s izolacijom iz plastomera imaju PE ili PVC izolaciju vodiča i na njoj vodljivi sloj Popuna je iz PVC omotana bakrenom folijom, na koju dolazi meki sloj i PVC omotač. Vodiči i popuna su obloženi poluvodljivim slojem radi izbjegavanja pojave šupljina kod velikih savijanja. PVC kabeli se koriste za napone do 20 kV, skuplji su od masenih ali jeftiniji od kabela s izolacijom od gume. Imaju prednost pred masenim kablovima kod kratke trase

Vodič Papirna izolacija Papirna ispuna Olovni plašt Impregnirana papirna traka Čelična traka Impregnirana juta

Vodič Papirna izolacija Metalizirani papir Papirna ispuna Olovni plašt Impregnirana papirna traka Čelična traka Impregnirana juta

Vodič Poluvodljivi papir Papirna izolacija Metalizirani papir Olovni plašt Impregnirana papirna traka Impregnirana jutana ispuna Papirna traka Čelična traka Impregnirana juta

Vodič Poluvodljivi sloj PVC/PE izolacija Poluvodljivi sloj Cu folija Elastična ispuna PVC omotač

Vodič Poluvodljivi sloj PVC/PE izolacija Vodljivi sloj PVC ispuna Poluvodljivi sloj Cu folija Elastična ispuna PVC omotač

(jeftinije i sigurnije glave), strme trase (nema impregnacijske mase koja se cijedi) i oštrih savijanja, a lakši su, savitljiviji i otporniji na kemijske utjecaje.

1.4.2 Visokonaponski kabeli

Kabeli za visoke i vrlo visoke napone zahtijevaju termički stabilne izolacije kakve su papir impregniran uljem pod trajnim tlakom, papir u plinu pod trajnim tlakom, novi neumreženi polietilen (PE) i SF6 plinom izolirani vodovi.

Niskotlačni uljni kabel ima uzdužnu šupljinu (jednožilni u sredini vodiča, a trožilni u meñuprostoru oko žila) koja je ispunjena uljem male viskoznosti pod pretlakom 0,03÷0,6 MPa. Ovo ulje je zapaljivo i ekološki štetno. Kod zagrijavanja se ulje širi i višak ulazi u posude za izjednačenje tlaka na krajevima kabela. Razmak izmeñu posuda je nekoliko kilometara, ukopane su uz kabel i dostupan je samo manometar za kontrolu tlaka ulja. Trožilni kabeli se proizvode za napone do 132 kV. Kabeli su u normalnoj izvedbi neprikladni za veće visinske razlike, pa se dodaju vanjske bandaže zbog povećanja tlaka na manjoj visini. Za visinske razlike preko 250 m koriste se zaporne spojke za ulje koje dijele kabel na manje sektore u kojima visinska razlika ne prelazi navedenu granicu. Kod podmorskih kabela ovog tipa nema takvih problema ako dubine ne prelaze cca 1500 m, jer se tlak ulja dobrim dijelom kompenzira tlakom morske vode.

(2)

(1)

(3)

Sl. 1.18 - Uljni kabeli: (1) jednožilni, (2) armirani niskotlačni trožilni, (3) visokotlačni cijevni trožilni

Visokotlačni uljni kabeli imaju veće tlakove ulja (1÷2,5 MPa) i jače bandaže, ali veći razmak izmeñu posuda za izjednačenje tlaka. Tlak se održava povećanim posudama za izjednačenje tlaka ili automatskim pumpama. Povećanje tlaka ulja povećalo je malo podnosivi udarni napon kabela.

Plinski kabeli su slično grañeni a koriste se tamo gdje se ne mogu koristiti uljni kabeli zbog posuda za izjednačenje. Kod plina (dušik, sumporni heksafluorid ili njihova mješavina) su dovoljne posude na krajevima, praktično bez obzira na dužinu kabela. Jasno je da plinski kabel nema visinskih ograničenja kao uljni. Tlak plina je 1÷1,5 MPa, a umjesto bandaža se može koristiti ojačani aluminijski plašt. Izvode se i kao trožilni cijevni kabeli (tlak u čeličnoj cijevi iznosi oko 1,5 MPa). Plinski kabeli se koriste za napone do 300 kV.

PE kabeli polako ulaze u područje visokih napona, a prednost im je da su suhi i ne trebaju složeno održavanje i trajan nadzor.

Šupljina s uljem Vodič od použenih Cu žica Poluvodljivi sloj Impregnirani papir Uljno-propusni dielektrički zaslon Olovni plašt Protutlačna bandaža Antikorozijska zaštita

Vodič (Cu ili Al) Poluvodljivi sloj Impregnirani papir Uljno-propusni dielektrički zaslon Šupljina s uljem Olovni plašt Protutlačna bandaža Armatura Antikorozijska zaštita

Vodič (Cu ili Al) Poluvodljivi sloj Impregnirani papir Uljno-propusni dielektrički zaslon Šupljina s uljem Čelična cijev Antikorozijska zaštita

SF6 plinom izolirani vodovi nisu kabeli u klasičnom smislu, a u nas se ne koriste. Konstruirani su na istim principima kao sabirnice u plinom izoliranim postrojenjima a koriste se i za najviše napone. Vodiči su aluminijske cijevi učvršćene su u aluminijskom oklopu pomoću aralditnih izolatora. Razmak izolatora ograničen je progibom vodiča zbog vlastite težine. Vod je podijeljen na plinonepropusne sektore koje se nadzire na visinu tlaka plina (računalni monitoring). Kod vrlo niskih temperatura postoji mogućnost kondenzacije plina, što se spriječava dodavanjem dušika sumpornom heksafluoridu. Antikorozijska zaštita oklopa ovisi o načinu polaganja voda. Polaganje ovih vodova je tehnički vrlo zahtjevan posao, posebice što treba osigurati besprijekornu čistoću unutar oklopa i punjenje plina na terenu.

(1)

(3)

(2)

Sl. 1.19 - Plinski kabeli: (1) jednožilni, (2) trožilni s plaštom, (3) cijevni trožilni

Sl. 1.20 - Jednožilni polietilenski kabel

Vodič (Cu ili Al) Poluvodljivi sloj Impregnirani papir Plinoprop. dielektr. zaslon Šupljina s plinom Cu ili Al plašt Protutlačna bandaža Antikorozijska zaštita

Vodič (Cu ili Al) Poluvodljivi sloj Impregnirani papir Plinoprop. dielektr. zaslon Šupljina s plinom Olovni plašt Protutlačna bandaža Armatura Antikorozijska zaštita

Vodič (Cu ili Al) Poluvodljivi sloj Impregnirani papir Plinoprop.dielektr. zaslon Šupljina s plinom Čelična cijev Antikorozijska zaštita

Vodič (Cu ili Al) Poluvodljivi PE sloj PE izolacija (XLPE) Vodljivi PE sloj Olovni plašt PVC omotač