Διηλεκτρικά και θερμικά φαινόμενα σε γραμμές μεταφοράς και διανομής

Abstract

This thesis investigates the dielectric and thermal phenomena in transmission and distribution lines, which manifest during their steady-state or transient operation. An introduction to transmission and distribution networks is made in the first chapter. Specifically, a brief presentation of the thermal and dielectric phenomena manifesting in overhead and underground lines is made. The aim of this thesis is: the development of a model for the calculation of the open conductor effects (phase or neutral conductor) and the proposal of a protection method for the mitigation of the aforementioned effects, the development of a mathematical model for the calculation of the thermal effect of the recloser operation cycle on conductors. and the experimental investigation of the dielectric behavior of transformer oil after the transformer transportation to its installation point. Chapter 2 develops a mathematical model for the calculation of the open conductor effects (phase or neutral conductor). Additionally, protection methods are presented for the mitigation of said effects. Chapter 3 develops a novel model for the calculation of the thermal effect of the recloser operation cycle on conductors. Chapter 4 develops a novel ladder network for wooden poles and verifies it through Finite Element Analysis. Chapter 5 presents a power flow algorithm for four-wire distribution systems with an abrupted multiply-grounded conductor. Finally, chapter 6 presents the results of the experimental investigation of the dielectric behavior of transformer oil after the transformer transportation to its installation point. Within the framework of this thesis, three computer programs have been developed in order to facilitate the calculations and the extraction of conclusions. The programs are: program for the calculation of the short-circuit thermal effect on transmission conductors, program for the calculation of the thermal effect of the recloser operation cycle on conductors, program for the calculation of the conductor temperature rise during a fire, program for the calculation of transmission and distribution line conductor sag. Discussion of the experimental and theoretical results is made in chapter 7 Specifically, the abruption and fall to the ground of a phase conductor can lead to a fire, whilst the abruption of the neutral conductor leads to neutral shift downstream of the abruption point and to voltage sags and swells. The mechanical stressing of the transformer oil leads to decreased breakdown strength. Finally, the developed mathematical model for the calculation of the thermal effect of the recloser operation cycle on conductors can be used to assess the conductor ability to withstand faults. The eight chapter presents the contribution of this thesis to further research as well as practical applications.

Η διατριβή αυτή αφορά διηλεκτρικά και θερμικά φαινόμενα εμφανιζόμενα σε γραμμές μεταφοράς και διανομής, τόσο κατά την κανονική λειτουργία τους όσο και κατά την εμφάνιση σφαλμάτων. Στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια εισαγωγή στα συστήματα μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Συγκεκριμένα, γίνεται μια σύντομη παρουσίαση των θερμικών φαινομένων σε εναέριες και υπόγειες γραμμές μεταφοράς και διανομής. Εξετάζεται το θέμα της αποκοπής αγωγού, και γίνεται μια προσπάθεια ανάπτυξης ενός μαθηματικού μοντέλου υπολογισμού των συνεπειών της αποκοπής αγωγών του δικτύου διανομής (φάσεων και ουδετέρου) και ακολούθως επιδιώκεται η δημιουργία μιας μεθόδου προστασίας. Επίσης, αναπτύσσεται ένα μαθηματικό μοντέλο για τον υπολογισμό της θερμικής καταπόνησης αγωγών διανομής και μεταφοράς λόγω των κύκλων λειτουργίας των αυτόματων διακοπτών. Ακόμα, γίνεται μια διερεύνηση της διηλεκτρικής συμπεριφοράς ξύλινων στύλων. Επιπροσθέτως αναπτύσσεται ένας αλγόριθμος ροής φορτίου για συστήματα διανομής με κομμένο πολλαπλά γειωμένο ουδέτερο, και γίνεται μια πειραματική διερεύνηση της διηλεκτρικής συμπεριφοράς ελαίου μετασχηματιστών μεταφοράς και διανομής έπειτα από την μεταφορά των μετασχηματιστών στο σημείο εγκαταστάσεώς τους. Ειδικότερα:Στο κεφάλαιο 2 γίνεται μια διερεύνηση των συνεπειών από αποκοπή αγωγών του δικτύου διανομής (τόσο αγωγών φάσεως, όσο και ουδετέρου). Επιπροσθέτως, παρουσιάζονται μέθοδοι προστασίας για την αντιμετώπιση των συνεπειών αυτών. Στην συνέχεια, στο κεφάλαιο 3 αναπτύσσεται ένα νέο μοντέλο υπολογισμού της θερμικής καταπόνησης αγωγών λόγω των κύκλων λειτουργίας των αυτόματων διακοπτών και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της μεθόδου. Ακολούθως, στο κεφάλαιο 4 αναπτύσσεται ένα νέο κλιμακωτό δίκτυο αντιστάσεων για ξύλινους στύλους και επαληθεύεται μέσω ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων. Στο κεφάλαιο 5 αναπτύσσεται αλγόριθμος για ροή φορτίου δικτύου διανομής με κομμένο ουδέτερο. Τελικώς, στο κεφάλαιο 6 πραγματοποιείται πειραματική διερεύνηση της διηλεκτρικής συμπεριφοράς ελαίου μετασχηματιστών διανομής και μεταφοράς από την μεταφορά στο σημείο της εγκαταστάσεως τους. Στα πλαίσια της εργασίας αυτής, έγιναν 3 προγράμματα στον ηλεκτρονικό υπολογιστή για την διευκόλυνση των υπολογισμών και την εξαγωγή συμπερασμάτων. Τα προγράμματα αυτά είναι: πρόγραμμα υπολογισμού της θερμικής καταπόνησης αγωγών του δικτύου μεταφοράς, πρόγραμμα υπολογισμού της θερμικής καταπόνησης αγωγών του δικτύου διανομής λόγω των κύκλων λειτουργίας των αυτόματων διακοπτών, και πρόγραμμα υπολογισμού του βέλους κάμψεως αγωγών του δικτύου διανομής και μεταφοράς. Τα σχόλια επί των πειραματικών και των θεωρητικών αποτελεσμάτων που προαναφέρθηκαν δίνονται στο κεφάλαιο 7. Συγκεκριμένα, η αποκοπή και πτώση στο έδαφος αγωγού φάσεως (δικτύου διανομής) μπορεί να οδηγήσει σε πυρκαγιά, ενώ η αποκοπή αγωγού ουδετέρου μπορεί να οδηγήσει σε μεταβολή της τάσεως του ουδετέρου κατάντη του σημείου αποκοπής και σε διακυμάνσεις της τάσεως των εγκατεστημένων φορτίων. Η μηχανική καταπόνηση του ελαίου των μετασχηματιστών οδηγεί σε μειωμένη διηλεκτρική αντοχή, και πιθανή διάσπασή του. Τέλος, το αναπτυχθέν μαθηματικό μοντέλο υπολογισμού της θερμικής καταπόνησης αγωγών λόγω των κύκλων λειτουργίας των αυτόματων διακοπτών μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο της αντοχής των αγωγών σε διάφορα σφάλματα. Στο όγδοο κεφάλαιο δίνεται περιληπτικά η προαναφερθείσα συνεισφορά της εργασίας (του 7ου κεφαλαίου) στην έρευνα και τις πρακτικές εφαρμογές.