Av Anders Hammer, Siemens AS

Av Anders Hammer, Siemens AS Sammendrag Eiere av høyspenningsapparatanlegg ber ofte om at deres anlegg må tåle relativt stor klimabelastning og stor kortsluttningseffekt. I slike tilfeller holder det ikke bare å kjøpe gode komponenter, disse må også prosjekteres riktig! Luftisolerte høyspenningsapparater har en gitt grense for hva de tåler av trekkraft i terminalene og det blir da opp til anleggsdesignere å dimensjonere etter dette. Det viser seg at små justeringer, som for eksempel installasjon av korrekt antall avstandsholdere på parallelle ledere, er avgjørende for at et anlegg skal tåle de påkjenningene anlegget kan bli utsatt for. Det må beregnes både statiske og dynamiske krefter. Disse må så sammenlignes opp mot utstyrets krav før endelig anleggsløsning blir bestemt. Mange anleggseiere ønsker å bygge sine luftisolerte koblingsanlegg for å tåle store kortsluttningsstrømmer, høy driftstrøm og stor klimabelastning, noe som til sammen resulterer i høy mekanisk belastning av apparatanlegget. Produktenes datablad og apparattegninger inneholder informasjon hva disse komponentene tåler av mekaniske krefter i tilkoblingsterminalene. Det er anleggsdesignerens oppgave å designe apparatanlegget slik at man aldri overgår disse grensene. Overskrides grenselasten i tilkoblingspunktet kan komponenten i verste fall havarere. Kreftene tilkoblingsterminalene blir utsatt for kan beregnes ved hjelp av formler beskrevet i normer og/eller med Finite-Element- Method (FEM-analyse). Denne artikkelen forklarer nærmere hvilke krefter som kan oppstå mot terminalene til luftisolerte høyspenningskomponenter. Både normale statiske krefter, og kortvarige dynamiske krefter under et feilforløp, er beskrevet. 257

Forskrift om Elektriske Forsyningsanlegg har flere paragrafer som omtaler styrken til et anlegg: installasjoner skal være slik at pålitelig drift sikres ( 4-5) [1]. Utstyr og kabler skal ha elektriske, mekaniske og miljømessige egenskaper som er tilpasset bruksformålet ( 4-4) [1]. Videre sier normen (NEK 440): Utstyr og bærende konstruksjoner, herunder stativer og fundamenter, skal motstå de mekaniske lastene som det kan regnes med [2]. To lasttilfeller skal bli vurdert, normale og uvanlige [2]. De kreftene som oppstår i forbindelse med kortsluttningsstrømmer er ikke nærmere omtalt i den norske normen. De henviser da videre til den internasjonale standarden IEC 60865 som detaljert beskriver prosedyrer for slike beregninger. Statiske krefter i koblingsanlegget omfatter: Strekkpåkjenninger forårsaket av egenvekten Islast Vindlast Last i forbindelse med montasje av ledere Under normal drift blir terminalene til høyspenningsapparatene belastet med horisontale statiske krefter. Dette er kraften forårsaket av vekten av looptråden og eventuelt den ekstra vekten som forårsakes av vind og islast. Mange anlegg i Norge ligger i områder utsatt for høy vindstyrke (>30m/s) og også stor islast (~5 kg/m). Disse klimabelastningene er omtalt i egen Norsk Standard. Meteorologisk Institutt kan i tillegg fremlegge mer presise opplysninger om klima for det området hvor anlegget ligger. 258

Spenner man opp en forbindelse mellom to apparater får man en trekkraft mot terminalene med et tilhørende nedheng i lederen. Dette nedhenget omtales ofte som pilhøyde. Legger man på klimabelastninger blir den statiske trekkraften mot terminalene større og man må kompensere med å øke pilhøyden for å imøtekomme produsentenes krav. Man kan gjøre en enkel betraktning av pilhøyde etter formel 1: Formel 1[5] fx=pilhøyde[m], m =masse til leder[kg/m], F Z =islast[kg/m], I=spennlengde[m], s X =montasjespenning i leder[n/mm2], A=ledertverrsnitt[mm2] Formelen kan benyttes der man har høydeforskjeller mellom festepunktene opp til 8 % og spennlengden ikke overskrides 60 m. Lederens materialutvidelse ved temperaturendring gjør at man må beregne pilhøyder for de temperaturene lederen blir utsatt for, og installere linjestrekket basert på disse. Et eksempel på variasjon i pilhøyde er illustrert i Figur 1. Produsenter av høyspenningsapparater oppgir hva som er mekanisk grenselast i tilkoblingsterminalen. Både statiske og dynamiske krefter oppgis og det er vanlig at denne informasjonen er påført i målskissen for utstyret. Det vil derfor være aktuelt å beregne pilhøyder for interne forbindelser i apparatanlegget på lik linje med høyspentlinjer, spesielt for lange forbindelser og der hvor man har svake komponenter. I mange tilfeller er man avhengig av å beregne pilhøyden slik at kravet om minimumsavstander fra spenningsførende deler blir opprettholdt. 259

Dette gjelder for eksempel ved forbindelser over transportvei og overstrekk over andre komponenter. For økt strømføringsevne og redusert korona-støy bindes ofte flere ledere sammen til en duplex eller triplex konfigurasjon. Vind, islast og egenvekta blir raskt relativt stor og man må vurdere sterkere utstyr, eller finne andre løsninger for å holde seg innenfor produsentens maksimalt tillatt mekanisk belastning. Dynamiske krefter i anlegget omfatter: Krefter under kobling av brytere Kortslutningskrefter Seismiske krefter (der hvor det er aktuelt) De kreftene som er nærmere omtalt her er kortsluttningskrefter fra fleksible elektriske ledere i et luftisolert høyspenningsanlegg. Hvor stramt looptråden er spent opp mellom terminalene gir som beskrevet i avsnitt 2.2 en statisk kraft mot terminalen. Denne er også avgjørende for hvor stor den dynamiske kraften blir ved en eventuell kortslutning. Ved kortslutning vil det gå store strømmer gjennom linjene og magnetfeltet som settes opp vil føre til at linjene begynner å bevege seg. Denne kraften blir omtalt som Lorentz-kraften og retningen på kreftene er avhengig av strømretning og geometri. I de enkelte fasene går strømmene hver sin retning, samtidig som de følger sinuskurven med 120 elektriske graders forskyvning. Strømmer i forskjellig retning fører til at lederne støter fra hverandre, og når strømmene følger sinuskurven vil lederne svinge mens kortsluttningsstrømmen passerer lederne. = Figur 2 viser at Lorentz-kraften sørger for at lederne støtes fra hverandre ledere ved motsatt strømretning. Der lederen er slapt oppspent mellom to festepunkt vil Lorentz-kraften sørge for at lederen får et utsving og den begynner å bevege seg. Formelen i Figur 2 beskriver 260

kraften mellom lederne under en kortsluttning mellom to ledere i et enfasesystem. For å redusere kreftene kan man enten redusere lengden på lederen(l) eller øke avstanden mellom lederne(a). Det mest effektive, men ofte minst ønskelig, vil være å redusere maksimal tillatt kortsluttningsytelse(ip) i anlegget. I figur 3 er det illustrert en leder som er horisontalplanet ned i arket. Før kortslutning henger lederen rett ned med en gitt pilhøyde. Lederen blir utsatt for kortsluttningsstrøm i 0,3 s, og den begynner så å svinge ut til høyre. Lederen utøver da dynamisk kraft mot festepunktene. Denne kraften omtales i IEC 60865-1 som tensile force (t t )[3,4]. Hvis kraften er stor nok vil lederen svinge så høyt at når kortsluttningen bortkobles, faller den ned mot bakken, isteden for å svinge tilbake i samme bue. Denne kraften omtales som drop-force (t f ). Forbindelser som er oppbygd av flere ledere i parallell, såkalt duplex eller triplex konfigurasjon, vil fordele kortsluttningsstrømmen mellom dellederne. Lorentz-kraften vil da virke slik at del-lederne vil søke mot hverandre. Figur 4 illustrerer dette fenomenet der den øverste skissen viser tilfellet før kortsluttning. Ved kortslutning slår del-lederne slått sammen og lederen vil dermed bli kortere. Dette rykket vil skape en kraft i tilkoblingsterminalene, og omtales som pinch-force (t pi ). IEC 60865-1 beskriver metoder for å beregne denne kraften avhengig av om lederne slår sammen ( clashing conductors ), eller om man har så mange avstandsholdere/lav kortsluttningsstrøm at dette kan unngås ( non-clashing conductors ) [3,4]. 261

Tidsforløpet i Figur 5 viser at i forkant av en kortsluttning vil man ha kun statiske krefter (Fst) i lederen. Umiddelbart ved kortslutning oppstår så pinch-force der del-lederne i en eventuell duplex-konfigurasjon søker sammen. Etter hvert vil lederen svinge ut og man får tensileforce. Når kortsluttningsstrømmen opphører faller lederen ned mot bakken og det skapes en drop-force. Under prosjektering av koblingsanlegg er det meget viktig å være klar over hvilke krefter som virker i anlegget. Optimal oppstilling av apparatanlegget er helt avgjørende for at anlegget skal tåle de kreftene som måtte oppstå, både ved normal drift og feiltilstand. Ved mange linjeforbindelser er det mulig å beregne disse kreftene etter formler og grafer beskrevet i IEC 60865-1. 262

Forutsetningen for at man skal kunne benytte IEC 60865-1 til beregningene er at forbindelsen er festet til faste tilkoblingspunkt. Disse er merket A, B og C i Figur 6. Kan festepunktene bevege seg(d, E, F, G) er det mest hensiktsmessig å utføre simuleringer ved hjelp av FEManalyse. IEC 60865-1 beskriver metoder både for vanlige spenn og for spenn med høydeforskjell større enn 25 % av spennlengden. Normen inneholder også metoder for å dimensjonere skinneføringer og rørforbindelser [3]. For mange anlegg er det estimert at disse vil bli utsatt for store kortsluttningsstrømmer (~20 ka). Dette i kombinasjon med økt fokus på is og vindlast gir utfordringer med å overholde det mekaniske kravet fra produsentene. Praktiske tiltak for å styrke anlegget mht. statiske krefter: Flytte komponentene nærmere hverandre Justere pilhøyde Installere sterkere komponenter Redusere egenvekten til lederen Bytte fra fleksibel leder til rørforbindelser Praktiske tiltak for å styrke anlegget mht. dynamiske krefter: Øke statiske krefter i lederen og dermed stramme den opp Justere antallet avstandsholdere for evt. del-ledere Redusere avstanden mellom evt. del-ledere Redusere maksimalt tillatte kortsluttningseffekt for anlegget (Ik med tilhørende k-faktor) Øke avstanden mellom faselederne Punktene over er ikke alltid like aktuelle. Dette må vurderes i hvert enkelt tilfelle i prosjekteringsfasen. 263

Som et eksempel er det her regnet på en vanlig forbindelse i norske koblingsanlegg. Dette er et duplex-spenn mellom skillebryter og strømtrafo på 145 kv nivå. Som vist i figur 7 setter skillebryteren begrensning for de statiske kreftene og strømtransformatoren begrenser maksimalt tillatte dynamisk kraft mot terminalene. På grunn av definert transportgang i anlegget blir denne forbindelsen på 5,6 meter. Tar man høyde for vindlast, islast og minimumstemperaturer på -30 C, må man installere forbindelsen med en pilhøyde på 0,28m ved installasjonstemperatur på 0 C. Dette for å overholde kravet om maksimalt 2000 N i statisk belastning for skillebryteren. Anleggets antatte kortsluttningsstrøm gjør at man må være nøye med antallet avstandsholdere på forbindelsen. Installerer man en avstandsholder får man en pinch-force på 4177 N. Øker man til 2 avstandsholdere yter forbindelsen 5222 N og man er langt over hva strømtrafoen kan tåle av dynamiske krefter i tilkoblingsterminalen. Luftisolerte høyspenningsapparater har en begrensning for maksimalt tillatt mekaniske krefter i tilkoblingsterminalene. Denne rapporten beskriver nærmere at disse kreftene er delt opp i langvarige statiske krefter og flere typer kortvarige dynamiske krefter. Overskrides noen av disse vil apparatet trolig havarere og man kan også risikere større påkjenninger i apparatstålet og i fundamentet enn hva det er dimensjonert for. Det holder altså ikke bare å kjøpe gode høyspenningskomponenter. Disse må også prosjekteres riktig slik at anlegget som helhet fungerer etter hensikten. Elektromekaniske betraktninger rundt plassering av høyspenningsapparater og et bevisst valg av utstyr må gjøres i 264

prosjekteringsfasen, slik at forskriften opprettholdes og man får et anlegg som tåler de påkjenningene det kan bli utsatt for. Slike betraktninger og beregninger kan utføres etter beskrivelser i blant annet den internasjonale normen IEC 60865-1. [1] Justis- og beredskapsdepartementet. (2005). Forskrift om elektriske forsyningsanlegg. http://lovdata.no/dokument/sf/forskrift/2005-12-20-1626?q=elektriske%20forsyningsanlegg* [2] Norsk Elektrotekniske Komite. (2011). NEK 440: 2011 Stasjonsanlegg over 1 kv, 2. utgave, avsnitt 4.3. Standard Online, Lysaker. [3] IEC. (October 2011). IEC 60865-1 Edition 3.0 Short-circuit currents calculation of effects Part 1: Definitions and calculation methods, IEC Central office. [4] Röder D.W., et.al. (September 2002). The mechanical effects of short-circuit currents in open air substations (part II) A companion book of the CIGRÈ brochure 105, CIGRÈ. [5] Kaempfer. S., Kopatsch. G. (2012). ABB Switchgear manual, side 155. Berlin: Cornelsen 265