Nejc Mašek NUMERIČNI IZRAČUNI ELEKTROMAGNETNEGA POLJA 400 kv STIKALIŠČA IN ANALIZA VPLIVA NA OKOLJE IN LJUDI Diplomsko delo Maribor, september 2011
Diplomsko delo univerzitetnega - visokošolskega strokovnega študijskega programa NUMERIČNI IZRAČUNI ELEKTROMAGNETNEGA POLJA 400 kv STIKALIŠČA IN ANALIZA VPLIVA NA OKOLJE IN LJUDI Študent: Študijski program: Smer: Mentor: Somentor: Lektorica: Nejc Mašek Univerzitetni, elektrotehnika Močnostna elektrotehnika doc. dr. PETER KITAK, univ. dipl. inž. elektrot. red. prof. dr. IGOR TIČAR, univ. dipl. inž. elektrot. JANJA KOROŠEC, prof. slov. Maribor, september 2011
ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju, doc. dr. Petru Kitaku, za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela. Prav tako se zahvaljujem somentorju dr. Igorju Tičarju. Zahvaljujem se tudi ge. Janji Korošec, ki je lektorirala diplomsko delo. Posebna zahvala velja moji družini, ki mi je omogočila študij, me podpirala ter mi stala ob strani. I
NUMERIČNI IZRAČUNI ELEKTROMAGNETNEGA POLJA 400kV STIKALIŠČA IN ANALIZA VPLIVA NA OKOLJE IN LJUDI Ključne besede: stikališče, električno polje, magnetno polje, metoda končnih elementov UDK: 621.317(043.2) Povzetek V diplomski nalogi je prikazan primer sodobnega 400 kv zračno izoliranega stikališča ter numerični izračun elektromagnetnega polja kot rezultata obratovanja le-tega. Predstavljene so tudi posamezne komponente stikališča ter njihovi nazivni podatki. V nadaljevanju je s programskim orodjem EleFanT narejen poenostavljen 3D model stikališča, kamor se vstavijo podatki stikališča in se opravita simulacija ter izračun. Dobljeni rezultati so ovrednoteni z določenimi vrednostmi glede na Uredbo o elektromagnetnem sevanju v naravnem in življenjskem okolju, ki je bila potrjena s strani vlade Republike Slovenije. II
NUMERICAL CALCULATION OF THE 400KV SUBSTATION AND ITS IMPACT ON THE ENVIRONMENT AND HUMANS Key words: Substation, electric field, magnetic field, finite element method UDK: 621.317(043.2) Abstract The bachelor s degree presents the example of the modern 400 kv air insulated substation and electromagnetic field as a result of the operation of the substation. Separate components of the substation and their rated values are also introduced. EleFanT programming tool was used to make the simplified 3D model of the substation. The data of the substation was inserted followed by a simulation and calculation. Gained results were compared with the appointed values in the regulation of the electromagnetic radiation in the natural and living environment issued by the government of the Republic of Slovenia. III
KAZALO VSEBINE 1 UVOD... 1 2 400 KV STIKALIŠČA... 2 2.1 NOTRANJA IN ZUNANJA IZVEDBA... 2 2.1.1 Visoka izvedba... 3 2.1.2 Srednje visoka izvedba... 3 2.1.3 Tandem izvedba... 4 2.1.4 Stikališče z dvojnimi zbiralkami v obliki črke U... 4 2.2 ENOČRTNE SHEME ZBIRALK... 5 2.2.1 Enosistemske zbiralke... 5 2.2.2 Dvosistemske zbiralke... 6 2.2.3 Dvosistemske zbiralke z U-povezavo... 6 2.3 PRIMER SODOBNEGA VISOKONAPETOSTNEGA 400 KV ZRAČNO IZOLIRANEGA STIKALIŠČA... 7 2.3.1 Transformator... 8 2.3.2 Tokovni merilni transformatorji... 9 2.3.3 Odvodniki prenapetosti... 9 2.3.4 Enopolni odklopniki... 10 2.3.5 Podporni izolator... 12 2.3.6 Enopolni ločilniki... 12 2.3.7 Napetostni merilni transformatorji... 13 2.3.8 Medsebojne povezave med visokonapetostnimi napravami... 14 3 NUMERIČNI MODEL 400 KV STIKALIŠČA... 16 IV
3.1 TEORIJA ELEKTROMAGNETNEGA POLJA... 17 3.2 MAXWELLOVE ENAČBE... 17 3.3 PRIPRAVA NUMERIČNEGA MODELA... 22 4 PRIKAZ IN ANALIZA NUMERIČNIH IZRAČUNOV ELEKTROMAGNETNEGA POLJA... 28 4.1 ELEKTROMAGNETNO SEVANJE IN ZDRUŽLJIVOST... 28 4.1.1 Elektromagnetno sevanje (EMS)... 28 4.1.2 Elektromagnetna združljivost (EMC)... 30 4.2 PRIKAZ REZULTATOV ZA ELEKTRIČNO POLJE... 31 4.3 PRIKAZ REZULTATOV ZA MAGNETNO POLJE... 34 4.4 ANALIZA REZULTATOV... 37 5 SKLEP... 39 6 VIRI... 40 ŽIVLJENJEPIS... 42 V
KAZALO SLIK SLIKA 2.1: VISOKA IZVEDBA STIKALIŠČA... 3 SLIKA 2.2: SREDNJE VISOKA IZVEDBA... 4 SLIKA 2.3: TANDEM IZVEDBA... 4 SLIKA 2.4: STIKALIŠČE Z U-ZBIRALKAMI S SREDNJIM STEBROM... 5 SLIKA 2.5: ENOSISTEMSKE ZBIRALKE... 6 SLIKA 2.6: DVOSISTEMSKE ZBIRALKE... 6 SLIKA 2.7: DVOSISTEMSKE ZBIRALKE Z U-POVEZAVO... 7 SLIKA 2.8: 400 KV STIKALIŠČE BLOKA 5... 7 SLIKA 2.9: TRANSFORMATOR... 8 SLIKA 2.10: TOKOVNI MERILNI TRANSFORMATORJI... 9 SLIKA 2.11: ODVODNIK PRENAPETOSTI... 10 SLIKA 2.12: PRIKAZ ENOJNEGA PREKINJANJA... 11 SLIKA 2.13: ENOPOLNI ODKLOPNIK... 11 SLIKA 2.14: PODPORNI IZOLATOR... 12 SLIKA 2.15: ENOPOLNI LOČILNIK Z OZEMLJITVENIMI NOŽI... 13 SLIKA 2.16: NAPETOSTNI MERILNI TRANSFORMATOR... 14 SLIKA 2.17: POVEZAVE MED VISOKONAPETOSTNIMI NAPRAVAMI... 15 SLIKA 3.1: TLORIS 400 KV STIKALIŠČA... 23 SLIKA 3.2: STRANSKI RIS 400 KV STIKALIŠČA... 24 SLIKA 3.3: TLORIS MODELA ZA IZRAČUN ELEKTRIČNEGA POLJA... 25 SLIKA 3.4: STRANSKI RIS MODELA ZA IZRAČUN ELEKTRIČNEGA POLJA... 25 SLIKA 3.5: 3D POGLED MODELA ZA IZRAČUN ELEKTRIČNEGA POLJA... 26 SLIKA 3.6: TLORIS MODELA ZA IZRAČUN MAGNETNEGA POLJA... 26 SLIKA 3.7: STRANSKI RIS MODELA ZA IZRAČUN MAGNETNEGA POLJA... 26 SLIKA 3.8: 3D POGLED MODELA ZA IZRAČUN MAGNETNEGA POLJA... 26 SLIKA 4.1: 3D POGLED REZULTATOV IZRAČUNA MAGNETNEGA POLJA... 34 SLIKA 4.2: PRIKAZ REZULTATOV IZRAČUNA MAGNETNEGA POLJA V TLORISU... 34 SLIKA 4.3: PRIKAZ ABSOLUTNE VREDNOSTI MAGNETNEGA POLJA V 5 RAZLIČNIH TOČKAH... 36 SLIKA 4.4: PRIKAZ MAKSIMALNE ABSOLUTNE VREDNOSTI MAGNETNEGA POLJA V 5 RAZLIČNIH TOČKAH... 36 SLIKA 4.5: PRIKAZ VREDNOSTI MAGNETNEGA POLJA PO DOLŽINI STIKALIŠČA... 36 SLIKA 4.6: POGLED REZULTATA ELEKTRIČNEGA POLJA V TLORISU... 31 VI
SLIKA 4.7: 3D POGLED REZULTATOV ELEKTRIČNEGA POLJA... 32 SLIKA 4.8 PRIKAZ ABSOLUTNIH VREDNOSTI ELEKTRIČNE POLJSKE JAKOSTI NA 5 TOČKAH... 32 SLIKA 4.9 ABSOLUTNA VREDNOST ELEKTRIČNE POLJSKE JAKOSTI PO DOLŽINI STIKALIŠČA... 33 SLIKA 4.10 EFEKTIVNE VREDNOSTI ELEKTRIČNE POLJSKE JAKOSTI V 5 TOČKAH... 33 SLIKA 4.11 EFEKTIVNA VREDNOST ELEKTRIČNE POLJSKE JAKOSTI PO DOLŽINI STIKALIŠČA... 34 VII
KAZALO TABEL TABELA 2.1: TEHNIČNI PODATKI TRANSFORMATORJA... 8 TABELA 2.2: TEHNIČNI PODATKI TOKOVNEGA MERILNEGA TRANSFORMATORJA PROIZVAJALCA RADE KONČAR... 9 TABELA 2.3: TEHNIČNI PODATKI ODVODNIKA PRENAPETOSTI PROIZVAJALCA HUBBEL OHIO BRASS COMPANY... 10 TABELA 2.4: KARAKTERISTIČNI PODATKI ENOPOLNEGA ODKLOPNIKA... 12 TABELA 2.5: KARAKTERISTIČNI PODATKI ENOPOLNEGA LOČILNIKA... 13 TABELA 2.6: TEHNIČNI PODATKI NAPETOSTNIH MERILNIH TRANSFORMATORJEV... 14 TABELA 4.1: MEJNE EFEKTIVNE VREDNOSTI EL. IN MAG. POLJA V RS GLEDE NA UREDBO... 37 TABELA 4.2: MEJNE EFEKTIVNE VREDNOSTI EL. IN MAG. POLJA GLEDE NA SMERNICE EU ZA FREKVENCO 50 HZ[5]... 37 TABELA 4.3: DOPUSTNE EFEKTIVNE VREDNOSTI ELEKTRIČNE POLJSKE JAKOSTI E IN GOSTOTE MAGNETNEGA PRETOKA B ZA FREKVENCO 50 HZ V ODVISNOSTI OD ČASA V NEKATERIH DRŽAVAH EVROPSKE UNIJE... 38 VIII
UPORABLJENI SIMBOLI B E S tr P U max U n,, U r I n, I r p I th I dyn U f h h 0 I k I max D H J t P M V Gostota magnetnega polja Električna poljska jakost Navidezna moč transformatorja Delovna moč Maksimalna obratovalna napetost Nazivna napetost Nazivni tok Prestava Termični tok Nazivni temenski zdržni tok Fazna napetost Višina Višina odvodnika brez podstavka Trajni tok kratkega stika Maksimalni tok Električna poljska gostota Magnetna poljska jakost Električna tokovna gostota Čas Vektor polarizacije Vektor magnetizacije Električni skalarni potencial IX
A χ e χ m ωt ρ N E ef Magnetni vektorski potencial Električna susceptibilnost materiala Magnetna susceptibilnost materiala Fazni kot Dielektrična konstanta materiala Magnetna permeabilnost materiala Gostota prostorsko porazdeljene elektrine Število odtipkov Efektivna vrednost električne poljske jakosti X
UPORABLJENE KRATICE ELEFANT SF 6 3D EMC EMS L NT DL TT O TR MKE IGTE TUG ICNIRP SIST KVZ AC DC Electromagnetic Field Analysis Tools (programsko orodje za analizo elektromagnetnega polja) Žveplov heksaflurid Tridimenzionalni Elektromagnetna združljivost Elektromagnetno sevanje Sistemski ločilnik Napetostni merilni transformator Daljnovodni ločilnik Tokovni merilni transformator Odklopnik Transformator Metoda končnih elementov Institut für Grundlagen und Theorie der Electrotechnik (Inštitut za osnove in teorijo v elektrotehniki) Technische Universität Graz (Tehnična univerza v Gradcu) International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (Mednarodna komisija za varstvo pred neionizirajočimi sevanji) Slovenski inštitut za standardizacijo Kratkostična vklopna napetost Izmenični tok (Alternating current) Enosmerni tok (Direct current) XI
1 Uvod 1 UVOD Tema za diplomsko nalogo je nastala zaradi aktualnosti na področju elektromagnetnega sevanja ter njegovega vpliva na okolico in ljudi. Zaradi vse večje potrebe po oskrbi z električno energijo povsod po svetu, tudi pri nas, se višajo prenosne moči in s tem napetostni nivoji na daljnovodih in stikališčih. To pomeni, da je v stikališčih in daljnovodih zmeraj bolj v uporabi 400 kv nivo. Obe skupini okoli sebe ustvarjata elektromagnetno polje, vendar se samo v bližini stikališč več časa zadržujejo ljudje. Namen diplomskega dela je narediti numerični model 400 kv stikališča in izračunati električno in magnetno polje s programskim orodjem EleFanT ter nato preveriti vpliv na okolico in ljudi. Dobljene rezultate numeričnega modela bomo primerjali z mejnimi vrednostmi, podanimi v Uredbi Republike Slovenije o vplivu elektromagnetnega polja na okolico in ljudi. V diplomskem delu so najprej opisana stikališča na splošno. V nadaljevanju je predstavljeno stikališče Bloka 5 Termoelektrarne Šoštanj, ki smo si ga izbrali za model postavitve. V tretjem poglavju pa že pričnemo pripravo numeričnega modela, kjer je na kratko opisana še teorija elektromagnetnega polja. Temu sledijo rezultati izračuna ter njihova analiza. Za konec nam ostane samo še sklep, v katerem je kratek zaključek in komentar diplomskega dela. 1
2 400kV stikališča 2 400 kv STIKALIŠČA Slovenski elektrotehniški slovar opredeljuje postajo kot del sistema, osredotočenega na določenem prostoru, ki vsebuje predvsem stikalne naprave in transformatorje na koncih prenosnih in razdelilnih vodov; običajno vsebujejo tudi naprave za varovanje in regulacijo omrežij (zaščitne naprave). Samo stikališče opredelimo kot postajo, ki vsebuje stikalne naprave in zbiralke, nima pa energetskih transformatorjev. Izvedba stikališča je lahko zunanja ali notranja [1]. 2.1 Notranja in zunanja izvedba Notranja izvedba pomeni, da je stikališče nameščeno v zgradbi in tako zaščiteno pred zunanjimi atmosferskimi vplivi. Sama zgradba je klasično zidano poslopje ali montažna betonska zgradba, lahko pa tudi pločevinasta. Oprema, stikalni aparati in stikalne naprave so izolirani z zrakom ali s SF 6 plinom. Transformator je v večini primerov postavljen v zgradbi, v nekaj primerih pa zunaj, tik ob zgradbi. V zadnjem času se za izolacijo v notranjih izvedbah stikališč uporablja plin SF 6 zaradi dobrih izolacijskih lastnosti in zaradi zmanjšanja dimenzij stikališča ter uporabljene površine prostora. Pri zunanji izvedbi stikališča morajo biti vsi elementi odporni na atmosferske razmere. Danes so uveljavljene nekatere značilne oblike izvedb stikališč, vendar bom na naslednjih slikah prikazal le daljnovodna polja. Na teh slikah je razvidno zaporedje namestitve daljnovodnih ločilnikov, merilnih tokovnih in napetostnih transformatorjev, odklopnikov, sistemskega ločilnika in zbiralk. 2
2 400kV stikališča 2.1.1 Visoka izvedba Na sliki 2.1 je prikazana skica stikališča, ki se uporablja v primerih izrazitega pomanjkanja prostora. Zbiralke so nameščene na visokem stebru (T-portalu). Pod njim so sistemski ločilniki. Odklopniki ter napetostni in tokovni merilni transformatorji so na istem temelju kot steber. Daljnovodni ločilniki so skupaj s prvim daljnovodnim stebrom v neposredni bližini stebra stikališča [1]. Slika 2.1: Visoka izvedba stikališča Pomen oznak na slikah: L sistemski ločilnik; DL daljnovodni ločilnik; NT merilni napetostni transformator; TT merilni tokovni transformator; O odklopnik; I. sistem zbiralk 1 in II. sistem zbiralk 2 2.1.2 Srednje visoka izvedba Srednje visoka izvedba, prikazana na sliki 2.2, potrebuje več prostora, temeljev in večje število kovinskih konstrukcij. Sistemski ločilniki so nameščeni horizontalno. Dovod odklopnika do sistemskih ločilnikov poteka nad zbiralkami. Ta sistem je zelo pregleden. Želene povezave je možno izvesti hitro in enostavno. 3
2 400kV stikališča Slika 2.2: Srednje visoka izvedba 2.1.3 Tandem izvedba Pri tandem izvedbi, na sliki 2.3, so sistemski ločilniki nameščeni zaporedno v eni vrsti v smeri voda. Sistemski ločilniki istočasno nosijo zbiralke, z druge strani pa so izvedeni dovodi do ločilnikov, ki potekajo nad zbiralkami. Sistem je pregleden, potrebuje manj ogrodij in izolatorjev ter dovolj prostora v smeri voda. Slika 2.3: Tandem izvedba 2.1.4 Stikališče z dvojnimi zbiralkami v obliki črke U Na sliki 2.4 je prikazano stikališče s dvojnimi zbiralkami v obliki črke U in srednjim stebrom. S postavitvijo zbiralk v obliki črke U je omogočeno, da so odvodi z obeh strani stikališča, s čimer dosežemo zmanjšanje dolžine stikališča. To je mogoče izvesti v stikališču s srednjim stebrom. Tak način gradnje se uporablja pri najzahtevnejših 4
2 400kV stikališča stikališčih. V tem primeru je zagotovljena tudi izredna obratovalna zmogljivost celotne postaje. Slika 2.4: Stikališče z U-zbiralkami s srednjim stebrom Poleg navedenih izvedb stikališč ostajajo še mnoga druga, kot na primer izvedba z enojnimi in pomožnimi zbiralkami, izvedba z dvojnimi zbiralkami in ločilniki na enem izolatorju ter izvedba s srednjim stebrom in tremi odklopniki za dva odvoda in druge. 2.2 Enočrtne sheme zbiralk Konfiguracija vezja je odvisna od zahtevanih pogojev obratovanja, velikosti postaje, pomembnosti postaje, zahteve po sekcioniranju zbiralk in drugih manj pomembnih dejavnikov. 2.2.1 Enosistemske zbiralke Na sliki 2.5 so prikazane enojne zbiralke. Namenjene so predvsem manjšim nezahtevnim postajam. Sekcioniranje je možno z ločitvijo na dva dela. Kljub enojnim zbiralkam je lahko obratovalna razpoložljivost zelo visoka, če je s samo konfiguracijo omrežja omogočeno krožno in s tem rezervno napajanje zbiralnic. Z uvedbo izvlečljivih celic se je sistem enojnih zbiralk zelo uveljavil. 5
2 400kV stikališča Slika 2.5: Enosistemske zbiralke 2.2.2 Dvosistemske zbiralke Slika 2.6 podaja sistem dvojnih zbiralk. Zaradi možnosti sekcioniranja je povečana obratovalna zanesljivost, obstaja pa tudi možnost ločevanja visoko napetostnega omrežja v kabelski izvedbi od nadzemne izvedbe. Slika 2.6: Dvosistemske zbiralke 2.2.3 Dvosistemske zbiralke z U-povezavo Dvojni sistem zbiralk z U-povezavo je prikazan na sliki 2.7. Uporaben je samo za zunanja stikališča. Zanj je značilen prihranek prostora v dolžino zaradi možnosti sočasnih odvodov na obeh straneh zbiralk. Običajno je sistem II. v funkciji pomožnega zbiralčnega sistema. Sistem omogoča preklope brez prekinitve in je zato obratovalno precej fleksibilen. 6
2 400kV stikališča Slika 2.7: Dvosistemske zbiralke z U-povezavo 2.3 Primer sodobnega visokonapetostnega 400 kv zračno izoliranega stikališča Za izdelavo poenostavljenega numeričnega modela visokonapetostnega 400 kv zračno izoliranega stikališča potrebujemo realni model, kjer lahko dobimo tehnične podatke za čim natančnejši izračun elektromagnetnega polja. V mojem primeru glede tega nikoli ni bilo večjih problemov, saj je v Termoelektrarni Šoštanj eno izmed sodobnejših zračno izoliranih stikališč. To je stikališče Bloka 5. Slika 2.8: 400 kv stikališče Bloka 5 Slika 2.8 prikazuje položaj in razvrstitev stikalnih naprav. Na začetku imamo tokovne merilne transformatorje (ki so vgrajeni v energetski transformator), odvodnik prenapetosti 7
2 400kV stikališča in enopolni odklopnik. Temu sledijo podporni izolator, enopolni ločilnik in napetostni merilni transformator, kjer se stikališče poveže na daljnovod. 2.3.1 Transformator Blok 5 je priključen na 400 kv elektroenergetski sistem Slovenije. Evakuacija električne energije, proizvedene z generatorjem Bloka 5 je izvedena preko blokovnega transformatorja Bloka 5. Blokovni transformator služi za napetostno prilagoditev generatorja na elektroenergetski sistem Slovenije Tabela 2.1: Tehnični podatki transformatorja Vezava TR YNd5 Navidezna moč S tr 377 MVA Prestava p 400/21 kv Obratovalna napetost U max 420 kv Slika 2.9: Transformator 8
2 400kV stikališča 2.3.2 Tokovni merilni transformatorji Tokovni merilni transformatorji so vgrajeni v visokonapetostnih izvodih energetskega blokovnega transformatorja in so štiri jedrne izvedbe. Slika 2.10: Tokovni merilni transformatorji Tabela 2.2: Tehnični podatki tokovnega merilnega transformatorja proizvajalca Rade Končar Nazivna napetost U n 420 kv, >400 kv, 420, Si 1050/1425 Nazivni tok I n 600/1/1/1/1/1 A Prestava p 600/1/1/1/1 A I t /I dyn 60/150 ka 2.3.3 Odvodniki prenapetosti Trije 420 kv odvodniki so postavljeni na obstoječe temelje s podstavki v bližini energetskega blokovnega transformatorja, medtem ko še ena postavitev odvodnikov prenapetosti na daljnovodni strani ni bila predvidena. Odvodniki prenapetosti so metal oksidne izvedbe. 9
2 400kV stikališča Slika 2.11: Odvodnik prenapetosti Tabela 2.3: Tehnični podatki odvodnika prenapetosti proizvajalca Hubbel Ohio brass company Dimenzija x-h 0 = 3,727 m Minimalna razdalja za električni odvod h= 8,23 m Fazna napetost U f = 245 kv/fazo Nazivna napetost U n = 420 kv 2.3.4 Enopolni odklopniki To stikališče ima vgrajene tri enopolne odklopnike s horizontalno nameščenimi komorami v SF 6 izvedbi (enopolno delovanje). Poleg imajo prigrajene pogonske omarice ločeno za vsak pol posebej, z elektromotornim pogonom za pogonsko in krmilno napetost 230 V. Ti enopolni odklopniki so pritrjeni na tri predalčne podstavke na obstoječe temelje. Komore le-teh delujejo po načelu enopolnega prekinjanja, oziroma kot je prikazano na spodnji sliki 2.12, s pihalnim cilindrom, ki je deljen na dva prostora, in sicer na del z enojnim prekinjanjem ter na kompresijski del [4]. 10
2 400kV stikališča Slika 2.12: Prikaz enojnega prekinjanja Preden se prekinejo normalni delovni pogoji, je plin SF 6 stisnjen v kompresijskem delu na nadtlak. Ko pa pride do prekinitve normalnih delovnih pogojev, se kontakti odklopnika ločijo, sprostijo se plini iz kompresijskega dela in pogasijo obločni plamen pri prehodu skozi izhodiščno stanje. Na ta način je povečanje tlaka doseženo z energijo električnega obloka in ni potrebe po dodatni energiji iz pogonskega mehanizma. Pri vklopu, ko se sklenejo kontakti, se pihalni cilinder napolni s plinom. Slika 2.13: Enopolni odklopnik 11
2 400kV stikališča Tabela 2.4: Karakteristični podatki enopolnega odklopnika Nazivna napetost U r = 420 kv Nazivni tok I r = 2000 A Nazivni kratkotrajni zdržni tok I k = 50 ka (3s) Nazivna kratkostična vklopna zmogljivost KVZ = 80 ka 2.3.5 Podporni izolator Primarna funkcija podpornega izolatorja v stikališču je pomoč pri premagovanju razdalje prostozračnega vodnika med odklopniki in ločilkami, pri tem pa se tudi prepreči prevelik poves le-tega. Slika 2.14: Podporni izolator 2.3.6 Enopolni ločilniki Uporabljeni so enopolni ločilniki s sredinskim prekinjanjem in ozemljitvenimi noži na daljnovodni strani, ki so postavljeni vzporedno na posamezne kovinske podstavke z najmanj dvema pogonskima omaricama v vseh treh fazah z ustreznimi cevastimi podstavki in betonskimi temelji. Razdalja med vrtljivimi glavami polov ločilnika je 3420 mm, 12
2 400kV stikališča medtem ko je razdalja med fazami 6600 mm. Ločilniki imajo še pogonske omarice z elektromotornim pogonom, za pogonsko napetost 0,4/0,231 kv (AC) in krmilno napetost 220 V (DC) in prigrajenimi vsaj 10 delovnimi in 10 mirovnimi kontakti [4]. Slika 2.15: Enopolni ločilnik z ozemljitvenimi noži Tabela 2.5: Karakteristični podatki enopolnega ločilnika Nazivna napetost U r 420 kv Nazivni tok I r 2000 A Nazivni kratkotrajni zdržni tok I n 50 ka Nazivni temenski vzdržni tok I dyn 80 ka 2.3.7 Napetostni merilni transformatorji Trenutno obstoječi trije induktivni napetostni merilni transformatorji so postavljeni na cevaste podstavke na obstoječe temelje skupne višine 2400 mm, katerih medsebojna 13
2 400kV stikališča razdalja znaša 6000 mm. Prvo ranžirno povezovalno mesto za napetostne merilne tokokroge je v skupni omarici celotnega polja [4]. Slika 2.16: Napetostni merilni transformator Tabela 2.6: Tehnični podatki napetostnih merilnih transformatorjev Prestava p 420/ 3/0,1/ 3/0,1/3 kv Navidezna moč S 30 VA Nazivna obratovalna napetost U r 420 kv Primar Sekundar 40000/ 3 V 100/ 3 V 2.3.8 Medsebojne povezave med visokonapetostnimi napravami Medsebojne povezave med posamezno visokonapetostno opremo na 400 kv stikališču so izvedene bodisi z bakrenimi cevmi Cu Φ60 5 mm, bodisi z dvojnimi vrvmi Al/FE 2 490/65 mm 2. 14
2 400kV stikališča Slika 2.17: povezave med visokonapetostnimi napravami 15
3 Numerični model 400 kv stikališča 3 NUMERIČNI MODEL 400 KV STIKALIŠČA Izračun in analiza elektromagnetnega polja sta osnovana z numerično metodo končnih elementov (MKE). Za izračune smo uporabili programski paket EleFanT (Electromagnetic Field Analysis Tools), ki so ga razvili na inštitutu IGTE (Institut für Grundlagen und Theorie der Electrotechnik) na Tehnični univerzi v Gradcu (TUG), v sodelovanju z Laboratorijem za osnove in teorijo v elektrotehniki na Fakulteti za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Univerze v Mariboru [7]. Na elektromagnetno polje neposredno vplivata napetost na posameznem vodniku in tok, ki teče po vodnikih. Tako vpliva na vrednost električne poljske jakosti E vrednost napetosti na vodniku, medtem ko na vrednost gostote magnetnega pretoka B vpliva električni tok, ki teče v posameznem vodniku. Zato je potrebno pri izračunih elektromagnetnih polj poznati vrednosti električnih tokov in napetosti na posameznem faznem vodniku. V našem primeru je fazna napetost v vodniku enaka 231, medtem ko je 447. Ker je med posameznimi fazami ωt = 120, dobimo vrednosti napetosti po fazah po naslednjih enačbah: 231 (3.1) 231 (3.2) 231 (3.3) 16
3 Numerični model 400 kv stikališča 3.1 TEORIJA ELEKTROMAGNETNEGA POLJA Preden bodo prikazani numerični model in rezultati izračuna, bodo za lažjo predstavo podane še teoretične osnove. Predstavljene bodo značilnosti nizkofrekvenčnih elektromagnetnih polj v linearni snovi, ki so posledica časovno harmoničnega spreminjanja porazdelitve elektrin oziroma tokov. V teoriji elektromagnetnih polj bodo predstavljene tako enačbe za električno poljsko jakost kot tudi za gostoto magnetnega polja. V izračunu pa bo zajeta samo obravnava magnetne poljske jakosti kot posledice tokov, ki tečejo po obstoječih in konstruiranih elementih imenovanega stikališča [6]. Če se v homogeni snovi z linearnimi karakteristikami viri elektromagnetnega polja spreminjajo časovno harmonično z enako kotno hitrostjo ω, se tudi vse karakteristične veličine njihovih polj spreminjajo s to isto kotno hitrostjo. Analiza teh polj izhaja iz modela, opisanega z Maxwellovimi enačbami. Pri njej kaj hitro naletimo na zapletene strukture, ki so značilne za realne razmere v prostoru, kar privede do reševanja polj predvsem z numeričnimi metodami. Nizkofrekvenčna elektromagnetna polja v delovnem okolju bomo opazovali na razdalji, ki je dosti večja od premera vodnikov. Zato lahko vodnike oziroma naprave modeliramo s kratkimi vodniki ali segmenti, ki se tangencialno prilegajo njihovemu dejanskemu poteku. Gostejša kot je ta delitev, natančnejši je izračun. 3.2 Maxwellove enačbe Analize in reševanje problemov elektromagnetnega polja temeljijo na Maxwellovih enačbah (Maxwell, 1864). Maxwellove parcialne diferencialne enačbe določajo relacije med vektorji elektromagnetnega polja E (električna poljska jakost), D (električna poljska gostota), H (magnetna poljska jakost), B (gostota magnetnega pretoka) in J (električna tokovna gostota) ter skalarne vrednosti ρ (gostota prostorsko porazdeljene elektrine). 17
3 Numerični model 400 kv stikališča D = ρ B = 0 B E = t D H = J + t (3.4) Nadaljnje relacije med veličinami elektromagnetnega polja so opredeljene z osnovnimi enačbami: B = µ H D = ε E J = σ E (3.5) Permeabilnost, dielektričnost in prevodnost opisujejo lastnosti materiala (medija). Za homogen, izotropen in linearen material velja, da so omenjene lastnosti konstante, neodvisne od elektromagnetnega polja. V splošnem pa velja, da se skozi nehomogen material spreminjajo, takrat jih opišemo kot tenzorske veličine; lahko pa so prav tako odvisne tudi od elektromagnetnega polja. Maxwellove enačbe v integralni obliki so osnovni zakoni elektrodinamike, ki opisujejo elektromagnetno polje, njegove časovne spremembe in širjenje v prostoru. Gaussov zakon o električnem pretoku Električni pretok skozi zaključeno ploskev je enak objetemu naboju. (3.6) Gaussov zakon o magnetnem pretoku Magnetni pretok skozi zaključeno ploskev je enak nič. (3.7) Faradayev indukcijski zakon V zanki inducirana napetost je enaka negativni časovni spremembi objetega magnetnega pretoka. 18
3 Numerični model 400 kv stikališča (3.8) Amperov zakon Magnetna napetost vzdolž zaključene zanke je enaka vsoti objetih tokov in premikalnih tokov. (3.9) Elektromagnetno polje v vakuumu Vakuum je linearni, homogen in izotropen medij, v katerem so proporcionalne konstante opredeljene z ε 0 in µ 0 (zanemarljivo nelinearnost dobimo ob upoštevanju kvantnih efektov) B = µ H 0 D = ε E 0 (3.10) pri čemer je: ε 0 dielektrična konstanta vakuuma µ 0 magnetna permeabilnost vakuuma Elektromagnetno polje v linearnem materialu V linearnih materialih lahko opredelimo dodatni makroskopski veličini, s katerima zajamemo vpliv materiala na elektromagnetno polje; vektor polarizacije P (C/m 2 ), in vektor magnetizacije M (A/m). P = χ ε E e 0 M = χ µ H m 0 (3.11) iz katerih sledi: ( ) ( ) ( ) D = ε E + P = 1+χ ε E = ε E 0 e 0 B = µ H + M = 1+χ µ H = µ H 0 m 0 (3.12) kjer je: električna susceptibilnost materiala 19
3 Numerični model 400 kv stikališča magnetna susceptibilnost materiala dielektrična konstanta materiala magnetna permeabilnost materiala Električni skalarni potencial in magnetni vektorski potencial Za reševanje problemov elektromagnetnega polja običajno vpeljemo pomožni veličini električni skalarni potencial V (V) in magnetni vektorski potencial A ( ). Relacija: B = 0 ( A) = 0 (3.13) omogoča vpeljavo magnetnega vektorskega potenciala: B = A Enačbo upoštevamo v diferencialni obliki Faradayevega zakona: E = t A E + = 0 t ( A) (3.14) Rotor vsote dveh vektorjev je nič, nam da možnost, da jo izrazimo kot gradient skalarja. A E + = V t A E = V t (3.15) V primeru statične analize ( A/ t = 0) se izračun poenostavi na: E = V (3.16) Robni (prestopni) pogoji Pri reševanju problemov elektromagnetnega polja, ki vključujejo več področij z različnimi materiali, je potrebno upoštevati robne pogoje, ki veljajo na prehodu dveh različnih snovi. 20
3 Numerični model 400 kv stikališča Tangencialna komponenta električne poljske jakosti je enaka vzdolž mejne ploskve E = E (3.17) 1t 2t Tangencialna komponenta magnetne poljske jakosti je različna vzdolž mejne ploskve, če obstaja površinska tokovna gostota ( ) a H H = J (3.18) n2 1 2 S Normalna komponenta električne poljske gostote je različna vzdolž mejne ploskve, če obstaja površinski električni naboj a ( ) D D = ρ (3.19) n1 1 2 S Normalna komponenta gostote magnetnega pretoka je enaka vzdolž mejne ploskve B = B (3.20) 1n 2n Harmonično spremenljiva elektromagnetna polja Pri analizi harmonično spremenljivih elektromagnetnih polj, izvori elektromagnetnega polja so podani kot sinusne funkcije časa s konstantno frekvenco, se vektorji polja zamenjajo z vektorskimi fazorji. Npr.: ( x, y, z, t ) = Re ( ( x, y, z) e jω ) E E (3.21) Če E(x,y,z,t) predstavimo kot vektorski fazor E(x,y,z), potem velja, da je: E E ( x, y, z, t) E ( x, y, z) ( x, y, z, t) jωe ( x, y, z) E t E x y z t dt (,,, ) ( x, y, z) jω (3.22) Večkratni integrali in odvodi se izražajo s dodatnim deljenjem oz. množenjem z jω. 21
3 Numerični model 400 kv stikališča Z upoštevanjem zgornjih pravil lahko napišemo Maxwellove enačbe za harmonično spremenljivo elektromagnetno polje, pri čemer sta E in H vektorska fazorja ter ρ in J fazorja izvorov; velja le za linearne, homogene in izotropne materiale. ρ E = ε H = 0 E = jωµ H H = J + jωε E (3.23) Eden izmed smiselnih postopkov za reševanje opisanih diferencialnih enačb je s pomočjo aproksimacijskih funkcij, od katerih zahtevamo, da bodo, vstavljene v osnovno diferencialno enačbo, dale rešitev, ki se minimalno razlikuje od prave rešitve DE. Glede na zgoraj opisan problem je potrebno poiskati aproksimacijsko funkcijo, ki bo izpolnjevala Dirichletove robne pogoje in opisovala iskano funkcijo na celotnem področju. V večini realnih primerov je takšno funkcijo nemogoče poiskati. To težavo je mogoče zaobiti s pomočjo načela metode končnih elementov celotno območje razdelimo na manjša podobmočja, v katerih lahko polje opišemo s pomočjo enostavnih funkcij. 3.3 Priprava numeričnega modela Na slikah 3.1 in 3.2, je prikazano 400 kv stikališče v tlorisu in stranskem risu, od koder so bile vzete vrednosti razdalj med posameznimi stikalnimi napravami in mere posameznih naprav ter betonskih temeljev. 22
3 Numerični model 400 kv stikališča Slika 3.1: Tloris 400 kv stikališča 23
3 Numerični model 400 kv stikališča Slika 3.2: Stranski ris 400 kv stikališča 24
3 Numerični model 400 kv stikališča Iz predstavljenih načrtov na slikah 3.1 in 3.2 smo dobili ustrezne podatke za izdelavo dveh numeričnih modelov, enega za izračun električnega polja in enega za magnetno polje. Oba modela sta prikazana na spodnjih slikah. Poleg podatkov o posameznih razdaljah med stikalnimi napravami, smo morali v poenostavljenem 3D modelu določiti še napetost in tok v vodnikih ter permeabilnost in dielektričnost posameznih elementov, kot so zrak, zemlja, betonski temelji, stikalne naprave in podobno. Vse izbrane podatke smo vnesli v začetno datoteko v predprocesorju programskega orodja EleFanT, kjer smo nato določili še potenciale posameznih ploskev ter kateri robni pogoji bodo uporabljeni v izračunih polja in delitev končnih elementov. Numerični model za izračun električnega polja je prikazan na slikah 3.3, 3.4 in 3.5. Slika 3.3: Tloris modela za izračun električnega polja Slika 3.4: Stranski ris modela za izračun električnega polja 25
3 Numerični model 400 kv stikališča Slika 3.5: 3D pogled modela za izračun električnega polja Numerični model za izračun električnega polja je sestavljen iz 522000 20-vozliščnih izoparametričnih končnih elementov. Tako veliko število končnih elementov je bilo doseženo s podrobnim modeliranjem prostozračnih vodnikov. Na slikah 3.6, 3.7 in 3.8 pa je predstavljen numerični model za izračun magnetnega polja. Slika 3.6: Tloris modela za izračun magnetnega polja Slika 3.7: Stranski ris modela za izračun magnetnega polja Slika 3.8: 3D pogled modela za izračun magnetnega polja 26
3 Numerični model 400 kv stikališča Numerični model za izračun magnetnega polja je sestavljen iz 277000 20-vozliščnih izoparametričnih končnih elementov. Število končnih elementov je v tem primeru za skoraj polovico manjše, razlog za to pa je Biot-Savartov zakon. Ker smo uporabili Biot-Savartov zakon, nismo potrebovali podrobnega modeliranja vodnikov, temveč smo le določili začetno in končno točko ter fazo in vrednost toka. Slika 3.9: 3D pogled numeričnega modela za izračun magnetnega polja v okolici stikališča Slika 3.10: Tloris numeričnega modela za izračun magnetnega polja v okolici stikališča Siv predel na slikah 3.9 in 3.10 predstavlja ograjen del stikališča, da smo lahko lažje predstavili magnetno polje v okolici. 27
4 Prikaz in analiza numeričnih izračunov elektromagnetnega polja 4 PRIKAZ IN ANALIZA NUMERIČNIH IZRAČUNOV ELEKTROMAGNETNEGA POLJA Po končani pripravi numeričnega modela v predprocesorju je sledil izračun v jedru programa (ang. solver) po metodi končnih elementov. Rezultate v predprocesorju je mogoče prikazati v grafični (razporeditev polja grafi) ali pa v numerični obliki (vrednosti polja v določenih točkah). Kot je bilo omenjeno na začetku te diplomske naloge, smo si za cilj zadali izračun elektromagnetnega polja in analizo njegovega vpliva na ljudi in okolje. Podatke o mejnih vrednostih smo dobili iz Uredbe Republike Slovenije o vplivu elektromagnetnega polja na okolico in ljudi [2]. Kot je prikazano na spodnjih tabelah in slikah, je razvidno, da simulirano stikališče ne presega mej dovoljenih vrednosti. 4.1 Elektromagnetno sevanje in združljivost V tem podpoglavju bomo na kratko razložili pojma elektromagnetnega sevanja in elektromagnetne združljivosti, ter kako sta pomembna v našem primeru. 4.1.1 Elektromagnetno sevanje (EMS) Elektromagnetno sevanje je sevanje, ki pri uporabi ali obratovanju vira sevanja v njegovi bližnji ali daljni okolici povzroča elektromagnetno polje, in je tveganje za škodljive učinke na človeka in živo naravo. Bližnje polje je elektromagnetno polje v neposredni bližini vira sevanja, kjer elektromagnetno polje nima značilnosti ravnega valovanja. Daljno polje je elektromagnetno polje na vplivnem področju vira sevanja, vendar toliko daleč od vira, da že ima značilnost ravnega valovanja [2]. 28
4 Prikaz in analiza numeričnih izračunov elektromagnetnega polja Pod I. območje varstva pred sevanjem, po katerem velja I. ali povečana stopnja varstva pred električnim in magnetnim sevanjem, spadajo: območje bolnišnic, zdravilišč, okrevališč, turističnih objektov, namenjenih bivanju in rekreaciji; čisto stanovanjsko območje; območje objektov vzgojno-varstvenega in izobraževalnega programa ter programa osnovnega zdravstvenega varstva; območje igrišč, javnih parkov, javnih zelenic in rekreacijskih površin; trgovsko-poslovno-stanovanjsko območje, ki je hkrati namenjeno bivanju ter obrtnim in podobnim proizvodnim dejavnostim; javno središče, kjer se opravljajo upravne, trgovske, storitvene ali gostinske dejavnosti; območja, namenjena kmetijski dejavnosti, ki so hkrati namenjena bivanju. Pod II. območje varstva pred elektromagnetnim sevanjem, za katero velja II. stopnja varstva, je dopusten poseg v okolje za vsa ostala območja, ki v prejšnjem odstavku niso določena kot I. območje. To so: zlasti območja brez stanovanj, ki so namenjena industriji, obrti ali drugi podobni proizvodni dejavnosti, bodisi transportni, skladiščni ali servisni dejavnosti; kmetijske in gozdne površine; površine, namenjene javnemu cestnemu in železniškemu prometu, tudi če potekajo skozi I. območje. Glede na datum začetka obratovanja vodov oziroma glede na izgradnjo vodov deli Uredba vire sevanja na: obstoječe vire sevanja v to kategorijo spadajo vsi viri sevanja, ki so bili na dan začetka veljavnosti Uredbe že v uporabi oziroma v obratovanju ali pa je bilo že izdelano gradbeno dovoljenje za izgradnjo oziroma je gradnja že bila v teku; 29
4 Prikaz in analiza numeričnih izračunov elektromagnetnega polja nove vire sevanja v to kategorijo spadajo viri sevanja, ki se gradijo na novo oziroma za katere je bilo gradbeno dovoljenje izdelano po datumu začetka veljavnosti Uredbe. Ti viri predstavljajo nove posege v prostor; rekonstruirane vire sevanja v to kategorijo spadajo viri, pri katerih gre za rekonstrukcijo vira sevanja v elektromagnetnem smislu, to je za takšen poseg, ki bo po rekonstrukciji vira bistveno spremenil glavne tehnične značilnosti, način uporabe, obratovalno zmogljivost vira sevanja in s tem tudi jakost električnega in magnetnega polja. V Uredbi Republike Slovenije o vplivu elektromagnetnega polja na ljudi in okolico je določeno, da prostor, kjer bo postavljeno stikališče, spada v II. območje stopnje varstva pred sevanjem. Uredba tudi določa, katere naprave se štejejo kot potencialni viri elektromagnetnega sevanja ter določa mejne vrednosti le-tega. Po uredbi se za potencialni vir sevanja šteje: 400 kv stikališče, 400 kv kabelska povezava med blokovnim transformatorjem in 400 kv stikališčem. Mejna vrednost električne poljske jakosti v II. območju znaša 10 kv/m. Mejna vrednost za magnetno poljsko jakost pa znaša 0,1 mt, tudi za II. območje. 4.1.2 Elektromagnetna združljivost (EMC) Elektromagnetna združljivost je sposobnost naprave, enote naprave ali sistema, da zadovoljivo deluje v elektromagnetnem okolju, ne da bi pri tem vnašala nedopustne elektromagnetne motnje v okolje [3]. Na splošno pri ugotavljanju elektromagnetne združljivosti govorimo o ugotavljanju: elektromagnetne imunosti, to je sposobnost naprave, enote naprave ali sistema, da neoslabljeno deluje v prisotnosti elektromagnetnih motenj; elektromagnetnih motečih emisij elektromagnetnih motenj, ki jih zaradi svojega delovanja povzroča naprava, oprema ali sistem. Pri postavitvi stikališča je potrebno izpeljati vse potrebne zaščitne ukrepe za preprečitev elektromagnetnih motenj, ki bi rušile elektromagnetno združljivost sistema in 30
4 Prikaz in analiza numeričnih izračunov elektromagnetnega polja okolice. Elektromagnetne motnje delimo na naravne in tiste, ki so jih povzročile druge elektronske in energetske naprave. Med naravne spadajo atmosferske motnje. Vse ostale so posledica delovanja drugih elektronskih ali energetskih naprav, ki povzročajo motnje, kot je nihanje napetosti, onesnaževanje z višjimi harmoniki in podobno. Za zagotovitev elektromagnetne združljivosti lahko uporabimo različne ukrepe: uporaba različnih tipov kablov z oklopom iz dobro prevodnega materiala in polaganje kablov; izenačevanje potencialov v objektu; uporaba kompenzacijskih vodnikov v kabelski kanalizaciji; izvedena ozemljitev in strelovodna napeljava; izvedeno oklapljanje in ukrepi za zmanjševanje elektromagnetnih motenj. Vsi uporabljeni ukrepi se morajo skladati z navodili dobaviteljev opreme, oprema pa mora biti izdelana po standardih, tako evropskih kot slovenskih (SIST). 4.2 Prikaz rezultatov za električno polje Na spodnjih slikah so prikazani rezultati izračuna električnega polja poenostavljenega modela stikališča, narejenega s programskim orodjem EleFanT. Na slikah je razvidno, da električno polje doseže največjo vrednost samo v šestih točkah, ki so na sredini vsake stikalne naprave. Slika 4.1: Pogled rezultata električnega polja v tlorisu 31
4 Prikaz in analiza numeričnih izračunov elektromagnetnega polja Slika 4.2: 3D pogled rezultatov električnega polja Obe sliki prikazujeta električno poljsko jakost v trenutku, ko je zamik faznih kotov enak 0. To se lepo vidi iz razporeditve električnega polja. Takšna razporeditev polja se pojavi pri faznih kotih +120, 0 in -120. Pri faznem kotu 0 je napetost na vodniku najvišja, zato je električno polje tam najmočnejše in takšna razporeditev faznih kotov je najboljša za pregleden prikaz električnega polja. Električna poljska jakost [V/m] 3,50E+03 3,00E+03 2,50E+03 2,00E+03 1,50E+03 1,00E+03 E _4_4 E _6_4 E _9_75 E _11_7 E _18_75 5,00E+02 0,00E+00 0,00E+00 5,00E+00 1,00E+01 1,50E+01 2,00E+01 2,50E+01 3,00E+01 Razdalja [m] Slika 4.3 Prikaz absolutnih vrednosti električne poljske jakosti na petih točkah Graf na sliki 4.3 prikazuje absolutno električno poljsko jakost na petih določenih točkah, pri istem zamiku faznih kotov, kot so bili omenjeni v zgornjem odstavku. V legendi je poleg simbola za električno poljsko jakost pripisana razdalja v metrih po dolžini stikališča, kjer je bil napravljen odčitek. 32
4 Prikaz in analiza numeričnih izračunov elektromagnetnega polja Graf na sliki 4.4 pa prikazuje potek absolutne električne poljske jakosti po dolžini stikališča. Lepo se vidi, kako krivulja sledi polju po vrednostih. Električna poljska jakost [V/m] 4,50E+03 4,00E+03 3,50E+03 3,00E+03 2,50E+03 2,00E+03 1,50E+03 1,00E+03 5,00E+02 E 0,00E+00 0,00E+00 5,00E+00 1,00E+01 1,50E+01 2,00E+01 2,50E+01 3,00E+01 3,50E+01 4,00E+01 4,50E+01 Razdalja [m] Slika 4.4 Absolutna vrednost električne poljske jakosti po dolžini stikališča Grafa na zadnjih slikah, 4.5 in 4.6, prikazujeta efektivno vrednost električnega polja v petih določenih točkah. 5000 4500 4000 Električna poljska jakost [V/m] 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 efektivno_4.4 efektivno_6.4 efektivno_9.75 efektivno_11.7 efektivno_18.75 0 0,00E+00 5,00E+00 1,00E+01 1,50E+01 2,00E+01 2,50E+01 3,00E+01 3,50E+01 Razdalja [m] Slika 4.5 Efektivne vrednosti električne poljske jakosti v petih točkah Oba grafa sta podana s vrednostmi dobljenimi z računanjem na roke, ker programsko orodje EleFanT ne podpira izračuna efektivnih vrednosti električnega polja, medtem ko za magnetno polje ni takšnih težav. Uporabljena enačba za efektivno vrednost je sledeča: (4.1) 33
4 Prikaz in analiza numeričnih izračunov elektromagnetnega polja Električne poljske jakosti [V/m] 3500 3000 2500 2000 1500 1000 efektivno 500 0 0,00E+00 5,00E+00 1,00E+01 1,50E+01 2,00E+01 2,50E+01 3,00E+01 3,50E+01 4,00E+01 4,50E+01 Razdalja [m] Slika 4.6 Efektivna vrednost električne poljske jakosti po dolžini stikališča 4.3 Prikaz rezultatov za magnetno polje Na slikah 4.7 in 4.8 so prikazani grafični rezultati izračuna magnetnega polja poenostavljenega modela stikališča, narejenega s programskim orodjem EleFanT. Slika 4.7: 3D pogled rezultatov izračuna magnetnega polja Slika 4.8: Prikaz rezultatov izračuna magnetnega polja v tlorisu 34
4 Prikaz in analiza numeričnih izračunov elektromagnetnega polja Na slikah 4.9 in 4.10 so prikazani grafični rezultati magnetnega polja v okolici stikališča. Siv del predstavlja ograjen prostor stikališča, ki smo ga zakrili za lažji prikaz rezultatov magnetnega polja v okolici. Slika 4.9: Prikaz rezultatov magnetnega polja v okolici stikališča v tlorisu Slika 4.10: 3D pogled rezultatov izračuna magnetnega polja v okolici stikališča Grafi na spodnjih slikah (4.11, 4.12 in 4.13) prikazujejo vrednost magnetnega polja na petih različnih mestih. Ta mesta so bila izbrana na sredini med posameznimi stikalnimi napravami, tako na primer B _12 pomeni, da so bile vrednosti polja odčitane na 12 m dolžine po celotni širini modela, in hkrati predstavlja sredino razdalje med transformatorjem in stikalno napravo, v tem primeru je to prva stikalna naprava, odvodnik prenapetosti. Na enak način so bile odčitane vrednosti za ostale krivulje. 35
4 Prikaz in analiza numeričnih izračunov elektromagnetnega polja 9,00E-06 Gostota magnetnega polja [T] 8,00E-06 7,00E-06 6,00E-06 5,00E-06 4,00E-06 3,00E-06 2,00E-06 1,00E-06 B _12 B _18 B _23 B _27 B _31 0,00E+00 0,00E+00 1,00E+01 2,00E+01 3,00E+01 4,00E+01 5,00E+01 6,00E+01 7,00E+01 Razdalja [m] Slika 4.11: Prikaz absolutne vrednosti magnetnega polja v petih različnih točkah Za graf na sliki 4.12 velja enako kot pri prejšnjem, s to razliko, da je na tem prikazana maksimalna absolutna vrednost gostote magnetnega polja. 1,40E-05 Gostota magnetnega polja [T] 1,20E-05 1,00E-05 8,00E-06 6,00E-06 4,00E-06 max B _12 max B _18 max B _23 max B _27 max B _31 2,00E-06 0,00E+00 0,00E+00 1,00E+01 2,00E+01 3,00E+01 4,00E+01 5,00E+01 6,00E+01 7,00E+01 Razdalja [m] Slika 4.12: Prikaz maksimalne absolutne vrednosti magnetnega polja v petih različnih točkah Graf na zadnji sliki 4.13 prikazuje gostoto magnetnega polja, merjeno po celotni dolžini modeliranega prostora. Gostota magnetnega polja [T] 9,00E-06 8,00E-06 B max B 7,00E-06 6,00E-06 5,00E-06 4,00E-06 3,00E-06 2,00E-06 1,00E-06 0,00E+00 0,00E+00 2,50E+01 5,00E+01 7,50E+01 1,00E+02 1,25E+02 Razdalja [m] Slika 4.13: Prikaz vrednosti magnetnega polja po dolžini stikališča 36
4 Prikaz in analiza numeričnih izračunov elektromagnetnega polja 4.4 Analiza rezultatov V Uredbi o elektromagnetnem sevanju v naravnem in življenjskem okolju [2] sta določeni dve stopnji varstva glede na občutljivost posameznega območja naravnega ali življenjskega okolja za učinke elektromagnetnega polja, ki smo ju omenili že prej pri elektromagnetnem sevanju in združljivosti. Glede na prej omenjene podatke bo na osnovi tabel, vzetih iz Uredbe, narejena analiza, ali je stikališče ustrezno dimenzionirano ali ne. V spodnjih tabelah so prikazane mejne vrednosti, dovoljene s strani Republike Slovenije in pa smernice, podane s strani Evropske unije. Glede na Tabelo 4.1, spada naše stikališče v II. območje za nove in rekonstruirane vire. Iz tega sledi, da nobeno od obeh polj, ki smo ju izračunali, ne presega podanih mejnih vrednosti. V primeru magnetnega polja je izkoriščeno le slabih 15 % mejne vrednosti, medtem ko je v primeru električnega polja raven izkoristka mejne vrednosti okoli 50 %. Tabela 4.1: Mejne efektivne vrednosti el. in mag. polja v RS glede na Uredbo I. območje za nove in II. območje za nove in I. in II. območje za I. območje za rekonst. rekonst. vire rekonst. vire obstoječe vire obstoječ. voda E [kv/m] 0,5 10 10 1,8 B [µt] 10 100 100 15 Tudi Tabela 4.2 potrjuje, da je stikališče primerno, da bi se lahko zaposleni tam zadrževali ves delovni čas, če bi to bilo potrebno. Za splošno populacijo pa tudi glede stalnega zadrževanja na tem prostoru ni omejitev. Zato ne vidim težav za postavitev stikališča na prostoru, kjer bi v bližnji okolici prebivali ljudje. Tabela 4.2: Mejne efektivne vrednosti el. in mag. polja glede na smernice EU za frekvenco 50 Hz[5] Delavci Splošna populacija polni del. čas 2 uri v del. času stalno kratkotrajno E [kv/m] 10 30 5 10 B [µt] 500 5000 100 1000 37
4 Prikaz in analiza numeričnih izračunov elektromagnetnega polja Če pogledamo Tabelo 4.3, kjer so podane mejne vrednosti iz drugih držav Evropske unije, vidimo, da imamo v Sloveniji eno izmed strožjih uredb, ki določa mejne vrednosti za električno in magnetno polje. Tabela 4.3: Dopustne efektivne vrednosti električne poljske jakosti E in gostote magnetnega pretoka B za frekvenco 50 Hz v odvisnosti od časa v nekaterih državah Evropske unije Čas Dopustna vrednost Država oziroma institucija Populacija izpostavljeno sti [ure] E [kv/m] B [µt] ICNIRP (1998) zaposleni / 10 500 splošna populacija / 5 100 Evropa (predlog sveta Evropske unije 1999) splošna populacija, ko je čas izpostavitve velik / 5 100 t 80/E 500 zaposleni do 2 uri na dan 10 do 30 5000 Avstrija / 5 100 splošna populacija nekaj ur na dan 5 minut na dan 10 1000 20 2000 Nemčija Madžarska vsi zaposleni splošna populacija / 5 100 t 5 % dneva 10 200 / 10 500 kratek čas 30 5000 / 5 100 nekaj ur na dan 10 1000 Slovenija (Uredba [14]) I. območje / 0,5 10 II. območje / 10 100 38
5 Sklep 5 SKLEP Cilj diplomskega dela je bil s pomočjo numeričnih izračunov določiti efektivne vrednosti električnega in magnetnega polja znotraj 400 kv stikališča, kjer se zadržujejo zaposleni delavci in posluževalci, ter še dodatno raziskati vpliv na okolico oziroma splošno populacijo. V diplomskem delu so opisane vse stikalne naprave, ki se uporabijo v simulaciji izračuna električnega in magnetnega polja v programskem orodju EleFanT. Poleg tega so podane še mejne vrednosti posameznega polja, ki ne smejo biti presežene. Izračunano polje ne presega vrednosti, podanih za omejeno gibanje zaposlenih na prostoru, kjer je postavljeno stikališče, ali pa mejnih vrednosti, določenih pri prisotnosti splošne populacije v bližnji okolici. Opisano je tudi pripravljanje numeričnega modela v predprocesorju programskega orodja EleFanT3D. Mislim, da nam je uspelo narediti dva zelo dobra numerična modela za izračun polja, ki bi lahko bila zaradi preproste in učinkovite postavitve stikalnih naprav uporabljena še za izračun polja stikališča v Bloku 6 Termoelektrarne Šoštanj, kakšnega izmed stikališč na hidroelektrarnah in drugod po svetu, v glavnem tam, kjer bi bilo namesto s plinom SF 6 postavljeno zračno izolirano stikališče. Še vedno pa je prostor za izboljšavo, tu mislim predvsem na modeliranje stikalnih naprav, kjer bi lahko za natančnejši izračun poskrbeli z bolj dodelanimi modeli stikalnih naprav ter večjim številom uporabljenih končnih elementov v končnem izračunu. 39
6 Viri 6 VIRI [1] J. Pihler Stikalne naprave elektroenergetskega sistema ; učbenik, 2. dopolnjena izd., Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko; Maribor, 2003 [2] Uredba o elektromagnetnem sevanju v naravnem in življenjskem okolju, Uradni list RS, št. 70, 5925-5931, leto VI, 6. december 1996 [3] I. Tičar Elektromagnetna združljivost, učno gradivo, Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko; Maribor, 2010 [4] D. Seme Izvedba zračno ali s plinom SF 6 izoliranega 400 kv stikališča Bloka 6, magistrsko delo, Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko; Maribor, 2009 [5] P. Kitak, J. Pihler, I. Tičar, Analiza elektromagnetnih polj v neposredni bližini stikalnih celic glede na njihove dimenzije in izbiro izolacijskega medija, Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, 10. konferenca slovenskih elektroenergetikov; Ljubljana, 2011 [6] A. Kirbiš, Analiza elektromagnetnega polja 110 kv stikališča HE Zlatoličje, seminarska naloga, Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko; Maribor, 2010 [7] N. Kokolj, N. Mašek, Elektromagnetno polje podzemnega kablovoda, seminarska naloga, Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko; Maribor, 2010 40
6 Viri [8] P. Kitak, Preveritev elektromagnetnega vpliva na okolje predlaganih podvodnih/podzemnih kablov, Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko; Maribor, 2010 41
Življenjepis ŽIVLJENJEPIS OSEBNI PODATKI Ime in priimek: Nejc Mašek Naslov: Šalek 83,Velenje 3320 Telefon +38631 890-462 Elektronska pošta: maseknejc@gmail.com; nejc.masek@amis.net Datum in kraj rojstva: 14. 6. 1988, Slovenj Gradec ŠOLANJE Osnovna šola Osnovna šola Šalek 1995 2003 Srednja šola 2003 2007 Univerza 2007 2011 Šolski center Velenje, Elektro in računalniška šola smer Elektronika Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, univerzitetni študijski program Elektrotehnika, smer Močnostna elektrotehnika (Bolonjski sistem) 42