Oddziaływanie indukcyjne linii napowietrznych kv na gazociągi przesyłowe. Adam Rynkowski

Transkrypt

1 Oddziaływanie indukcyjne linii napowietrznych kv na gazociągi przesyłowe Adam Rynkowski 1.Przedmiotem referatu jest przedstawienie zarysu postępowania dla oceny możliwości powstania zagrożenia korozyjnego i niebezpiecznego w podziemnych gazociągach przesyłowych na skutek krzyżowania i zbliżenia do nich trasy linii napowietrznych WN. Określenie generowanych napięć zakłóceniowych wymaga obliczenia ich wartości w zależności od konfiguracji i rodzaju sprzężeń mogących mieć miejsce w liniach elektroenergetycznych podczas normalnej pracy, jak również podczas zwarć, w warunkach obciążeń symetrycznych jak i niesymetrycznych. 2.Celem referatu jest ogólne przedstawienie podejścia do obliczeń zagrożeń indukcyjnych oraz podanie przykładowo zakresu wartości parametrów zagrożeniowych, z jakimi możemy mieć do czynienia. Szczegółowe wskazanie metodyki obliczeń dla każdego segmentu obliczeniowego zagadnienia, praktycznie jest nie do zrealizowania w jednym referacie. 1

2 2

3 3. Przedmiotem analizy może byc ocena możliwości powstania zagrożenia korozyjnego i niebezpiecznego w podziemnych gazociągach przesyłowych na skutek krzyżowania i zbliżenia do nich projektowanej trasy 2-torowej linii napowietrznej 400 kv o długości ok. 70 km. Analiza dotyczy 4 odcinków trasy LN 2x400 kv, dla których odległość gazociągów od trasy linii jest mniejsza od 1000 m. Plan sytuacyjny trasy projektowanej 2 torowej linii napowietrznej 400 kv i trasy gazociągów DN500 i DN400. 3

4 4.Zgodnie z wymaganiami Operatora Gazociągów Przesyłowych Gaz-System dla oceny zagrożenia eksploatacyjnego gazociągów pod uwagę powinny być wzięte napięcia generowane na drodze sprzężeń indukcyjnych mogących stanowić o niebezpieczeństwie porażenia elektrycznego lub uszkodzenia elektrycznego izolacji i korozyjnego gazociągów. Gęstość prądu w małych defektach nie powinna przekraczać 20 A/m Zakres prac prowadzących do wydania opinii na temat zagrożenia indukcyjnego obejmuje analizę danych dokumentacyjnych dotyczących warunków budowy i wykonania linii napowietrznej 400 kv oraz określenie jej parametrów eksploatacyjnych w obszarze zbliżeń i skrzyżowań z gazociągami. Ustalenie warunków geometrycznych dotyczących lokalnych zbliżeń, przeliczenie ich na równoważny układ równoległy oraz określenie rozpływu prądów zwarciowych było niezbędnym szerokim elementem w postępowaniu obliczeniowym dotyczącym zagrożenia zakłóceniowego i niebezpiecznego dla gazociągów. 6. W zakres prac wchodzą obliczenia i analiza rozkładów pola magnetycznego w warunkach pracy ciągłej i zwarciowej, a także analiza oddziaływania i obliczenia sumarycznej wartości napięć (SEM) indukowanych w liniowej infrastrukturze gazociągów przesyłowych dla najostrzejszych warunków generacji napięć. Analiza obejmuje również wybór i obliczenia związane z zastosowaniem środków zapobiegawczych oddziaływaniom eksploatacyjnym i niebezpiecznym linii LN400. W obliczeniach i analizie brano pod uwagę zmianę rezystywności ziemi w zakresie od 26,6 Ωm do 500 Ωm, stosownie do określonego obszaru zbliżeń i wymagań operatora. 7. Obliczenia i analiza indukowanej wartości sumarycznej SEM poprzedzone zostały określeniem podstawowych parametrów linii napowietrznej, koniecznych do obliczenia współczynnika redukcyjnego linii z uwagi na zastosowanie 2 przewodów odgromowych.. Obliczenia i określenia podstawowych parametrów linii wyznaczano wykorzystując metody związane z obwodami o składowych symetrycznych oraz z pojęciem obwodu ziemnopowrotnego. Biorąc pod uwagę parametry elektryczne linii oraz założenia uzupełniające wykonano obliczenia sieciowe, na podstawie których obliczono prądy zwarciowe decydujące o wartości indukowanych napięć w poszczególnych zbliżeniach. Określono, że w zależności od kierunku zasilania, wartość prądów zwarciowych 1-fazowych zawiera się w granicach od 10,3-5,4 ka i 31,1-37,9 ka. 4

5 8. Schematyczne przykłady wybranych parametrów i wyników obliczeń związanych z analizą i oceną oddziaływania LN na gazociągi. Linia napowietrzna Rys.1 Przykładowy szkic słupa typu E33 M3. Cienką linią zaznaczono wymiary konieczne do wyznaczenia impedancji własnych, wzajemnych, zgodnych i zerowych dla linii napowietrznej i obiektu zakłócanego (gazociągów) Prądy zwarciowe Tabela 1. Przykładowe wyniki obliczenia prądów zwarciowych na początku i na końcu odcinków zbliżenia w zależności miejsca zwarcia w LN lp Obszar pasa nr nr słupa p słupa k Izp Izk Izp Izk - - ka ka ka ka 1 ZA ,4 37,6 5,5 5,8 2 ZB ,3 31,1 11,2 11,4 3 ZC ,7 28,2 13,6 14,2 4 ZD ,6 5,4 37,7 37,9 5

6 Rozkład pola magnetycznego Rys. 2 Rozkład pola magnetycznego w 500 m pasie 2-torowej linii napowietrznej w warunkach zwarciowych, na głębokości ułożenia gazociągów 1,2 m. Przeciwsobna kolejność faz,h=18,8 m. Rys. 3 Rozkład pola magnetycznego w otoczeniu 2-torowej linii napowietrznej na głębokości ułożenia gazociągów 1,2 m. Przeciwsobna kolejność faz (h=18,8 m, Idd=2500 A). Na podstawie obliczeń PM stwierdzono, że wartość maksymalna natężenia pola magnetycznego w warunkach zwarciowych oddziaływania nie przekracza 54 A/m, a szerokość pasa oddziaływania pola o wartości większej od 0,5-0,14 A/m zamyka się w granicach do m. Dla obciążenia długotrwałego 2500 A maksymalna wartość PM wynosi 12 A/m i zmniejsza się do 0,2 A/m dla odległości 250 m. 6

7 9. W procedurze obliczania indukowanych napięć zakłóceniowych generowanych w gazociągach określano długość zbliżenia i wyznaczano odległości d1 i d2 dla każdego 3 metrowego odcinka zbliżenia, będącego częścią całego zbliżenia tras linii napowietrznej i gazociągów. Odległości te zostały przeliczone na odległości równoważne a. Dla każdej odległości równoważnej obliczano napięcie jednostkowe e (SEM) i napięcie sumaryczne sue (SEM) przedstawiane i analizowane w funkcji długości trasy linii elektroenergetycznej. Obliczenia prowadzone były w całym zakresie rezystywności ziemi przypisanych do zbliżeń. Wyniki przedstawiano dla wartości nominalnej lub pomierzonej rezystywności, dla warunków najmniej korzystnych. Plan sytuacyjny trasy i skrzyżowania 2- torowej linii napowietrznej 400 kv z trasą gazociągów DN500 i DN400 w obszarze A. 7

8 10. Obliczano i przeanalizowano wpływ szeregu czynników decydująco wpływających na wartość indukowanych napięć w odniesieniu lokalnym i sumarycznym (szerokość pasa, rezystywność ziemi, wysokość zawieszenia, odległość między torami, gazociągami, zmiana odległości obliczeniowych na skutek krzyżowania tras, odległości redukcyjne,..). Do dalszych obliczeń brano pod uwagę większą sumaryczną wartość napięcia zakłóceniowego. Wartość tego napięcia przeliczano na wartość indukowanego napięcia z uwzględnieniem współczynników redukcyjnych. Obliczano również wpływ przewodów kompensacyjnych ułożonych w ziemi, równolegle do gazociągu. Wyniki obliczeń i analiz przedstawiono na wykresach rozkładu indukowanych napięć wzdłuż długości poszczególnych zbliżeń. W wyniku kolejnych obliczeń określono warunki, dla których oddziaływanie indukcyjne linii elektroenergetycznej nie stanowiłoby zagrożenia niebezpiecznego i korozyjnego dla gazociągów znajdujących się w tym obszarze. Obliczenia te obejmowały nie tylko ocenę zmian wartości maksymalnych lokalnych e i sumarycznych sue, ale zmiany potencjałów i gęstości prądu w małych defektach w funkcji długości zbliżenia. Przykładowe wyniki obliczeń Tabela. Przykładowe wyniki obliczenia maksymalnych wartości napięć jednostkowych e i sumarycznych SEM [V] przed i po redukcji (rkpo, rk123), w zależności od kierunku przepływu prądu zwarciowego oraz parametrów zbliżenia (rezystywności ziemi roz [Ωm], szerokości pasa, wysokości zawieszenia h i odstępu s [m]) w obszarze A w warunkach zwarciowych. lp d0 st roz s h SEM e SEM Ge SEM e GR SEM GR e GR SEM SEMrk zm JA JA GR GR GRrkpo rkpo rk1*2*3 rk1*2*3 GR/m GR/m st , , ,4 288,9 1,7 0,8 0, st , , ,4 91,0 0,6 0,8 0, st , , ,4 12,6 0,3 0,7 0, st , , ,4 12,6 0,3 0,5 0, st , , ,7 9,8 0,3 0,4 0, st , , ,7 9,9 0,3 0,4 0, zm , , ,2 73,6 1,4 0,6 0, zm , , ,3 73,6 1,4 0,6 0, zm , , ,6 74,4 1,4 0,6 0, zm , , ,2 77,5 1,4 0,6 0, st , , ,4 295,2 1,7 0,8 0, st , , ,7 12,2 0,3 0,5 0, st , , ,7 12,1 0,3 0,4 0, st , , ,1 10,7 0,3 0,4 0,005 8

9 Przykładowe wykresy podstawowych danych i wyników branych pod uwagę podczas obliczeń i analizy wartości napięć indukowanych w gazociągach DN1 i DN2 w warunkach zwarciowych. Pas 2x1000 m. SEM jednostkowa e i sumaryczna sue na różnych stopniach redukcji, Wykresy podstawowych danych i wyników obliczeń napięć indukowanych e i sue SEM w gazociągach podczas normalnej eksploatacji linii napowietrznej. Widoczne sumaryczne i jednostkowe efekty oddziaływania If, Iodg i Ii0. 9

10 Następnie obliczenia dotyczące zmniejszenia napięć indukowanych do poziomu, który zapewniałby napięcia na tyle niskie aby wzrost potencjału względem ziemi nie przekraczał wartości grożących uszkodzeniem izolacji czy też porażeniem elektrycznym osób związanych z dozorem lub eksploatacją gazociągów. Wykresy napięć indukowanych jednostkowych i sumarycznych przed i po zastosowaniu uziemiającego systemu redukcyjnego. Czerwony kolor FQ oznacza napięcie indukowane po redukcji, pomarańczowy EZ, przed. Przebiegi napięcia na gazociągu JD ; przed, za i w obszarze A oddziaływania indukcyjnego prądu zwarciowego. Wykresy napięć indukowanych jednostkowych i sumarycznych przed i po zastosowaniu uziemiającego systemu redukcyjnego. Czerwony kolor FQ oznacza napięcie indukowane po redukcji, fioletowy HL, przed. Przebiegi napięcia (JD i KC) na gazociągu ; przed, za i w obszarze A oddziaływania indukcyjnego podczas pracy długotrwałej 2LN400 ( I=2500 A). Kolor zielony (JE) oznacza gęstość prądu w małych defektach. 10

11 11. Określenie wartości potencjałów względem ziemi (napięcia) była podstawą do obliczeń gęstości prądu przemiennego dla małych defektów i ocena zagrożenia korozyjnego gazociągów. Ocena zagrożenia korozyjnego poprzedzona była koniecznością obliczenia parametrów falowych gazociągów o różnej izolacji i budowie. Impedancje falowe Z C i stałe propagacji γ dla DN500 ( PE) wynosiły odpowiednio: 10,47 Ω i 0,0465/km, a dla DN400 o izolacji bitumicznej Z C = 2,01 Ω i stała propagacji γ = 0,2575 /km. Postępowanie takie było realizowane w odniesieniu zarówno do krótkotrwałych prądów zwarciowych jak i długotrwałych prądów obciążeniowych w linii LN400 kv. Wyniki obliczeń przedstawiono w tabelach i na wykresach rozkładu indukowanych napięć wzdłuż długości poszczególnych zbliżeń. Oddziaływanie indukcyjne linii napowietrznej 2x400 kv relacji SE Jasiniec- Grudziądz Węgrowo na gazociągi w/c, w warunkach pracy długotrwałej ( I=2500 A). Rozkład napięcia na gazociągu ( MA_)[V] oraz gęstość prądu (MB_)[A/m 2 ] w defektach o powierzchni 1 cm 2 w gazociągu DN500 o długości 19,34 km., między monoblokami w stacjach Lisewo i Węgrowo. Zaznaczono obszary oddziaływania czynnego (A,B,C,D) oraz wynikowego. Czerwone linie pionowe oznaczają zainstalowane monobloki (Lisewo, Turznice, Węgrowo). Wartości napięć na gazociągu (MA_ i MQ_)[V] oraz wartości gęstości prądu (MB_ i MR_)[A/m 2 ] odczytane ze skali po prawej stronie należy pomnożyć odpowiednio; *0,5 oraz * 2,2. 11

12 Rys.3 Oddziaływanie indukcyjne linii napowietrznej 2x400 kv relacji SE Jasiniec- Grudziądz Węgrowo na gazociągi w/c, w warunkach zwarcia jednofazowego (31-37 ka). Rozkład napięcia na gazociągu ( MA_) oraz gęstość prądu (MB_) w defektach o powierzchni 1 cm 2 w gazociągu DN500 o długości 19,34 km. Wartości napięć na gazociągu (MA_ i MQ_)[V] oraz wartości gęstości prądu (MB_ i MR_)[A/m 2 ] odczytane ze skali po prawej stronie należy pomnożyć odpowiednio; *20 oraz * 87. Napięcia sumaryczne (SEM) indukowane w gazociągach DN500 i DN400 podczas krótkotrwałego przepływu prądu zwarciowego w zakresie 5,4-37,9 ka osiągają wartości rzędu 2,7 kv, 8,5 kv, 2,2 kv i 0,1 kv odpowiednio dla obszarów A,B,C i D, po uwzględnieniu jednoczesnego działania redukcyjnego przewodów odgromowych. Dodatkowe zastosowanie systemu uziemień redukcyjnych pozwoliło na obniżenie podanych napięć do wartości ok. 10 V, 53 V, 62, i 39 V dla kolejnych obszarów zbliżenia A,B,C i D. 12. System uziemień redukcyjnych to jeden lub kilka gołych przewodów typu AFL zakopanych równolegle do gazociągu, w odpowiedniej odległości i lokalizacji względem odległości do trasy linii 400 kv. Parametry systemu redukcyjnego zostały obliczone dla każdego obszaru zbliżenia osobno. Pod uwagę brano profil jednostkowego i sumarycznego rozkładu napięcia wzdłuż długości zbliżenia oraz maksymalną wartość sumaryczną indukowanego 12

13 napięcia bez systemu redukcyjnego, a także przekrój przewodu, rezystancję i indukcyjność oraz długość i usytuowanie jednostkowe i wzajemne przewodów względem odległości do gazociągu i do trasy linii napowietrznej. Poniżej podano dane projektowe do budowy systemu redukcyjnego dla zbliżeń A, B, C i D. Założono, że wszystkie przewody będą gołe typu AFL (o przekroju obliczeniowym ok. 580 mm 2 i średnicy ok. 31,5 mm i rezystancji 0,056 Ω/km) i będą ułożone na głębokości 0,8 m w odpowiadającej odległości do ściany gazociągu (0,5 m, 1 m i 1,5 m). Całkowita długość przewodów mierzona w rzucie na długość trasy 2LN400 wynosi 7815 m. Długość i lokalizację przewodów w trasie podano w tabeli i na kolejnym rysunku. Tabela System uziemień dodatkowych. Parametry ułożenia. kol Lp/kol. Obszar Typ przewodu Nazwa przewodów kompensacyjnych Długość [m] odległość[m] Początek układania przewodów wg trasy 2LN400 [m] 1 A AFL P , A AFL P , A AFL P , B AFL P , B AFL P , B AFL P , C AFL P05-0,5-8 C AFL P1-1,0-9 C AFL P , D AFL P05-1,0-11 D AFL P1-1,0-13

14 System uziemien redukcyjnych 14

15 13. Podsumowanie W podsumowaniu oddziaływania 2-torowej linii napowietrznej 400 kv na gazociągi DN500 i DN400 należy zauważyć, że założenia projektowe dotyczące budowy linii napowietrznej 400 kv i zastosowanie dodatkowego systemu uziemiającego umożliwiają eksploatację gazociągów w warunkach nie przekraczających wartości dopuszczalnych dla ochrony przed porażeniem elektrycznym oraz przed intensywną korozyjnością. Napięcie indukowane w gazociągach podczas krótkotrwałych zwarć jednofazowych w linii 400 kv nie powoduje przekroczenia 575 V dla czasów zwarcia 0,15 s i 170 V dla czasu rezerwowego zwarcia 0,6 s. Podczas pracy długotrwałej linii napięcie w gazociągach nie przekracza 1 V, a gęstość prądu przemiennego dla małych defektów jest mniejsza od 20 A/m 2. 15

16 Ogólnie można stwierdzić, że napięcia indukowane w gazociągach DN500 i DN400 podczas jednofazowego zwarcia z ziemią o czasie zwarcia do 0,6 s, w żadnym przypadku nie przekraczają 62 V i są mniejsze od wartości dopuszczalnych z punktu widzenia ochrony przed uszkodzeniem izolacji i przed porażeniem elektrycznym. Napięcie (SEM) jest mniejsze od 170 V, czyli od napięcia rażenia dopuszczalnego dla czasów zwarcia 0,6 s. Ocena oddziaływania LN400 obejmuje również istotne zagadnienie generacji napięć w gazociągach podczas pracy długotrwałej linii z uwagi na zagrożenie korozyjne i porażeniowe. Zagrożenie korozyjne jest ograniczone dopuszczalną gęstością prądu w małych defektach do 20 A/m 2. Dopuszczalna wartość napięcia rażeniowego jest określona na 65 V. Indukowane napięcia w przedmiotowych gazociągach,w warunkach znamionowego obciążenia LN400 kv prądem 2500 A, osiągają wartości SEM w każdym obszarze inne. Napięcia jednostkowe i sumaryczne w obszarach A i B osiągają największe wartości rzędu, odpowiednio 0,25 V i 20 V dla A i 0,27 i 88 V dla obszaru B. W obszarach C i D napięcia te są mniejsze. Napięcia (sumaryczne SEM) wynoszą odpowiednio; 11 V dla C i 0,04 V dla obszaru D. Napięcia (SEM) indukowane podczas pracy długotrwałej obejmują oddziaływanie indukcyjne na gazociągi będące skutkiem przepływu prądów fazowych, prądów zerowych i prądów generowanych w obwodach ziemnopowrotnych przewodów odgromowych i przekraczają wartości dopuszczalne. Napięcia (SEM) indukowane podczas pracy długotrwałej linii LN400 zostały zredukowane do wartości, dla których napięcia i gęstości prądów w małych defektach, na zakończeniach odcinków zbliżeń, zostały ograniczone do wartości bezpiecznych. Napięcia te wyniosły odpowiednio : 0,66 V, 0,95 dla obszarów A i B oraz 0,95 V i 0,00 V dla C i D. Wartości potencjałów względem ziemi (napięcia) i gęstości zostały ograniczone do wartości odpowiednio; 1,12 V i 4,3 A/m 2 (A), 2,8 V i 9,5 A/m 2 (B) oraz 1,37 V i 5,91 A/m 2 (dla C) i mniej jak 1 dla obszaru D. Kable i linie kablowe WN. Doradztwo, projektowanie, badania, obliczenia, ekspertyzy. Technika wysokich napięć: konsultacje, ekspertyzy, pomiary, badania. Dr inż. Adam Rynkowski Gdańsk ,Aleja Wojska Polskiego 16/4, tel ,adam.rynkowski@neostrada.pl NIP , Regon Płatnik VAT. 16

17 17