Elektroenergetyczne sieci rozdzielcze SIECI 2004 V Konferencja Naukowo-Techniczna

Transkrypt

1 Elektroenergetyczne sieci rozdzielcze SIECI 004 V Konferencja Naukowo-Techniczna Politechnika Wrocławska Instytut Energoelektryki Waldemar SKOMUDEK EnergiaPro Koncern Energetyczny S.A., ul. Legnicka 5-53, Wrocław ANALIZA KOMPUTEROWA WPŁYWU PRZEPIĘĆ ATMOSFERYCZNYCH NA IZOLACJĘ ELEKTROENERGETYCZNYCH KABLI ŚREDNIEGO NAPIĘCIA W artykule omówiono niektóre problemy związane z zagrożeniem przepięciowym elektroenergetycznych linii kablowych średniego napięcia. W celu oszacowania poziomu zagrożenia przepięciowego wykorzystano program komputerowy PSpice, a wyniki symulacji komputerowej zweryfikowano pomiarami wykonanymi w układach rzeczywistych linii kablowych.. WPROWADZENIE Jakość dostaw energii elektrycznej to cecha, której znaczenie rośnie w miarę rozwoju skomplikowanych procesów produkcyjnych z reguły sterowanych automatycznie z wykorzystaniem techniki cyfrowej. Wysiłek dystrybutorów energii elektrycznej obecnie koncentruje się na wprowadzaniu coraz to nowszych technik i technologii w budownictwie sieciowym w celu obniżenia wskaźników awaryjności urządzeń elektroenergetycznych oraz niezawodności działania układów sieciowych. W sieciach średniego napięcia stosuje się powszechnie tradycyjne linie napowietrzne (z przewodami gołymi), a także linie z przewodami niepełnoizolowanymi oraz linie kablowe układane w ziemi lub podwieszane na konstrukcjach wsporczych [0]. Jedną z poważniejszych przyczyn uszkodzeń elementów składowych sieci są przepięcia piorunowe bezpośrednie i pośrednie [, 3, 4]. Stanowią one istotne zagrożenie dla izolacji urządzeń elektroenergetycznych. W artykule oszacowano poziom zagrożenia przepięciowego przedmiotowych linii SN oraz układów, w których mogą one pracować, a także przedstawiono wybrane wyniki symulacji komputerowej, pomiarów wykonanych w warunkach laboratoryjnych modeli elektroenergetycznych linii kablowych oraz pomiarów rzeczywistych odcinków linii kablowych. Do symulacji komputerowych wykorzystano program obliczeniowy PSpice pakiet Desing Center Eval.. SYMULACJA KOMPUTEROWA STANÓW NIEUSTALONYCH Do analizy stanów nieustalonych wywołanych przepięciami piorunowymi, w tym także do projektowania układów ochrony od przepięć w elektroenergetycznych liniach napowietrznych mogą być użyteczne techniki komputerowych metod symulacji oraz prostych obliczeń komputerowych []. Wykorzystuje się w tym celu albo pakiety programów użytkowych (np. EMTP - Electro Magnetic Transients Program, PSpice - Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis ), lub programy specjalne. Rezultaty obliczeń komputerowych są najczęściej weryfikowane poprzez porównanie ich z wynikami uzyskiwanymi na modelach fizycznych lub obiektach rzeczywistych.

2 37 W celu potwierdzenia stopnia zagrożenia oraz określenia wpływu czasu trwania czoła przepięcia na szybkość narastania napięcia naprężającego izolację elementów, z których złożony jest model sieci elektroenergetycznej poddano je badaniom symulacyjnym. Wykorzystano w tym celu program obliczeniowy PSpice, który jest standardem wśród programów do projektowania, symulacji oraz analizy obwodów elektrycznych i elektronicznych (analogowych i cyfrowych). Dzięki dużej funkcjonalności i dokładności jest dobrym narzędziem pracy dla elektryków i elektroników, chcących zbadać zachowanie się projektowanych przez siebie układów [5, 6, 7,]. Ponadto wykonano trzy serie badań laboratoryjnych na modelach linii kablowych nieekranowanych i o żyłach ekranowanych [8, 9]. Wartości parametrów linii SN napowietrznej i kablowej przyjętych do symulacji komputerowej są następujące: - linia kablowa {C 0 =0, µf/km; L 0 =0,49 mh/km; Z 0 =70 Ω; v=4,86 m/µs - linia napowietrzna {C 0 =7,37 µf/km; L 0 =,7 mh/km; Z 0 =48 Ω; v=8,69 m/µs. Wejście badanego układu modelowego (rys. ) pobudzono impulsem o charakterystyce wykładniczej, którego przebieg odwzorowuje - z założenia - przepięcie piorunowe wskutek bezpośredniego uderzenia w element sieci lub przepięcie indukowane w przewodach linii. Symulację wykonano dla linii obciążonej małą pojemnością, odwzorowującą w rzeczywistości rozdzielnię sieciową (lub stację transformatorową SN/nn). Rys.. Schemat fragmentu sieci elektroenergetycznej składającej się z odcinków linii napowietrznej i kablowej; V źródło impulsu wejściowego, R rezystancja wewnętrzna źródła V, T (Z0=500; TD=5us (500m), T3 (Z0=70; TD=5us (750m) modele linii napowietrznej i kablowej, C pojemność obciążająca a) b) Rys.. Przebiegi czasowe przepięcia pojawiającego się w wyznaczonych punktach układu z rys. odpowiednio dla linii napowietrznej (a) i linii kablowej (b) Symulacja wykazała, że każde bezpośrednie uderzenie pioruna w elementy sieci elektroenergetycznej i prawie każde uderzenie w ich pobliżu spowoduje przebicie izolacji lub układu izolacyjnego (rys. ). Zdarzenie to może wystąpić jednocześnie w kilku miejscach. Efektem symulacji są również liczne przebiegi napięciowo-czasowe, z których wynika, że w przypadku kabli z żyłami ekranowanymi stromość (czas trwania) czoła fali przepięciowej nie wpływa na szybkość narastania napięcia naprężającego izolację. Reguła ta nie znajduje potwierdzenia w przypadku kabli

3 o żyłach nieekranowanych. Wartość maksymalna (amplituda) napięcia naprężającego izolację przy przepięciach piorunowych zdecydowanie zależy od parametrów czasowych opisujących przebieg przepięcia tj. od stałych czasowych t, t (stałe czasowe składowej aperiodycznej narastania/opadania czoła fali przepięciowej). Ilustracją stwierdzonych w trakcie symulacji prawidłowości są przebiegi na rys Rys. 3. Przebiegi czasowe przepięcia pojawiającego się w wyznaczonych punktach układu przedstawionego na rys., przy zmiennym nachyleniu czoła fali pobudzającej 3. PRZEBIEGI FALOWE W UKŁADACH MODELOWYCH Rejestracja przebiegów falowych została przeprowadzona z wykorzystaniem generatora impulsów prostokątnych umożliwiającego płynną regulację amplitudy, stromości czoła i czasu trwania impulsu. Przedmiotem badań były odcinki kabli niskiego napięcia o żyłach nieizolowanych i izolowanych o długościach 40 m, 45 m i 5 m (kabel jednożyłowy ekranowany). Pomiary dla różnych konfiguracji połączeń kabli między sobą jak i względem ziemi odniesienia, przy różnych parametrach opisujących impuls inicjujący rejestrowano i odtwarzano z wykorzystaniem programu komputerowego GRAPHER [8]. Badania rozpoczęto od układu dwóch szeregowo połączonych linii kablowych nieobciążonych (l = 95 m). Rejestrację przebiegów falowych prowadzono dla różnych prędkości narastania fali przepięciowej (rys. 4), monitorując jednocześnie pojawiające się przebiegi w pozostałych żyłach linii kablowej, nie pobudzanych impulsem z generatora (rys. 5). Z otrzymanych przebiegów falowych wynika, że decydujący wpływ na kształt fal odbitych i indukowanych w żyłach kabla mają parametry czasowe, opisujące impuls na wejściu badanego układu. Jednakże w przypadku kabli o żyłach nieekranowanych zmniejszeniu nachylenia czoła

4 374 impulsu wejściowego towarzyszy dodatkowo przesunięcie amplitudy odpowiedzi w kierunku wydłużenia czasu oczekiwania na impuls odbity od nie obciążonego końca linii kablowej. a) b) Rys. 4. Schemat układu pomiarowego (a) i przebiegi czasowe fal pojawiających się w linii kablowej trzyżyłowej o żyłach nieekranowanych przy zmiennym nachyleniu czoła impulsu inicjującego (b); zmniejszenie nachylenia czoła impulsu inicjującego powoduje zmniejszenie amplitudy impulsu odbitego oraz wpływa na jego opóźnienie W kolejnym badanym układzie modelem linii kablowej był kabel jednożyłowy z żyłą ekranowaną (rys. 6). Na przykładzie tego modelu linii można było zaobserwować zbieżność przebiegów z otrzymanymi w wyniku symulacji komputerowej przeprowadzonej dla linii bezstratnej oraz o żyłach ekranowanych (rys. i 3). Na podstawie badań kolejnych układów (rys. 7 i 8) zaobserwowano korelacje między długością linii kablowych a wartością maksymalną napięcia naprężającego izolację żył linii kablowej. Porównując przebiegi przedstawione na rysunkach 4 i 7 oraz na rysunkach 5 i 8 można zaobserwować, że wraz ze wzrostem długości linii kablowej wzrasta wartość fali przepięciowej. Ta prawidłowość odnosi się do wszystkich żył linii kablowej trzyżyłowej nieekranowanej. Wyniki obserwacji prowadzą do kolejnego wniosku świadczącego o groźnych i niepożądanych przepięciach mogących pojawić się w żyłach kabli lub przewodów powszechnie wykorzystywanych w elektroenergetyce i instalatorstwie, nie uczestniczących czynnie w przejęciu fali przepięciowej.

5 Rys. 5. Przebiegi czasowe fal pojawiających się w układzie jak na rys.4 z rejestracją fal indukowanych w żyłach nie pobudzanych impulsem z generatora; zmniejszenie nachylenia czoła impulsu inicjującego również powoduje zmniejszenie amplitudy impulsu odbitego oraz wpływa na jego opóźnienie ( - impuls w przewodzie zasilanym, - impuls w przewodzie sąsiednim) a) b) Rys. 6. Schemat układu pomiarowego (a) i przebiegi czasowe fal pojawiających się w linii kablowej jednożyłowej o żyle ekranowanej przy zmiennym nachyleniu czoła impulsu inicjującego (b); zmniejszenie nachylenia czoła impulsu inicjującego nie powoduje zmiany szybkości narastania napięcia naprężającego izolację żyły badanego kabla

6 a) 8.00 a) b) b) Rys. 7. Schemat układu pomiarowego (a) i przebiegi czasowe fal pojawiających się w linii kablowej trzyżyłowej o żyłach nieekranowanych przy podwojonej długości żyły badanej (b); zwiększenie długości żyły badanej powoduje wzrost amplitudy fali przepięciowej (, jak na rys. 5) Rys. 8. Schemat układu pomiarowego (a) i przebiegi czasowe fal pojawiających się w linii kablowej trzyżyłowej o żyłach nieekranowanych przy podwojonej długości żyły nie pobudzanej falą przepięciową (b); zwiększenie długości żyły monitorowanej powoduje wzrost amplitudy fali przepięciowej (, jak na rys. 5) Badania wybranych fragmentów linii kablowych typu HAKnFtA 3x0 mm /0 kv i YHAKX x0 mm /0 kv potwierdziły prawidłowości stwierdzone w trakcie badań laboratoryjnych w trakcie których otrzymano przebiegi przedstawione na rys. 4 i 6 oraz w wyniku symulacji komputerowej rys. 3 [9]. Ilustrują to przebiegi zamieszczone na rys. 9. Rys. 9. Przebiegi czasowe fal pojawiających się w liniach kablowych: trzyżyłowej typu HAKnFtA 3x0/0 kv (a), jednożyłowej typu YHAKX x0.0 kv (b) - przy zmiennym nachyleniu czoła impulsu inicjującego; zmniejszenie nachylenia czoła impulsu inicjującego powoduje zmniejszenie amplitudy impulsu odbitego oraz wpływa na jego opóźnienie

7 4. PODSUMOWANIE 377. Spodziewana uszkadzalność izolacji elementów sieci średniego napięcia powodowana stanami nieustalonymi wywołanymi przepięciami piorunowymi jest duża, prowadząca w niektórych przypadkach do wielokrotnego uszkodzenia izolacji. Przepięcia wewnętrzne nie stanowią istotnego zagrożenia, ponieważ wytrzymałość udarowa izolacji żył oraz układów izolacyjnych znacząco przewyższa spodziewane wartości tych przepięć. Napięcie naprężające izolację kabla przy oddziaływaniach przepięć piorunowych rośnie wraz ze wzrostem długości linii kablowej 3. Analiza wyników symulacji komputerowej i badań laboratoryjnych dowodzi, że czas trwania czoła przepięcia nie wpływa na szybkość narastania napięcia naprężającego izolację kabla. Wniosek ten jest słuszny w przypadku kabli o żyłach indywidualnie ekranowanych; potwierdzeniem wniosku są przede wszystkim wyniki badań linii kablowych rzeczywistych 4. Decydujący wpływ na wielkość napięć naprężających izolację kabla przy oddziaływaniach przepięć mają takie parametry jak prędkość narastania przepięcia oraz parametry czasowe opisujące kształt fali przepięciowej 5. Z badań i wieloletnich obserwacji wyładowań piorunowych wynika, że wartość szczytowa i stromość czoła fali przepięciowej są wielkościami losowymi o pomijalnym stopniu skorelowania co oznacza, że wielkości te mogą być rozpatrywane w analizach w sposób od siebie niezależny. Znajduje to bezpośrednie przełożenie na towarzyszące temu zjawisku przepięcia w elementach sieci elektroenergetycznej 6. Program komputerowy PSpice umożliwia obserwację fal przepięciowych zarówno w pierwszej fazie stanu nieustalonego jak i po nadejściu do rozważanego punktu węzłowego fal odbitych od punktów węzłowych układu sieci elektroenergetycznej 7. Program komputerowy PSpice stanowi alternatywne do programu EMTP narzędzie informatyczne umożliwiające projektowanie, symulację i analizę obwodów elektrycznych i układów elektroenergetycznych. LITERATURA [] Baranowski K., Welo A., Symulacja układów elektronicznych. MIKOM Warszawa 996 [] Flisowski Z., Kosztaluk R., Zagrożenie piorunowe izolacji rozdzielczych linii napowietrznych. Przegląd Elektrotechniczny nr /997 [3] Gacek Z., Kosztaluk R., Paszek G., Krajowe linie napowietrzne średniego napięcia z przewodami w izolacji polimerowej. Przegląd Elektrotechniczny nr 3/998 [4] Skomudek W., Gacek Z., An analysis of overvoltage hazard due to lightning discharges in medium voltage overhead lines with covered conductors. Congrex ISH 003, Delft Holland BV [5] Skomudek W., Analiza komputerowa stanów nieustalonych wywołanych przepięciami w sieciach średniego napięcia. XI Międzynarodowa Konferencja Naukowa Aktualne problemy w elektroenergetyce. Jurata 003 [6] Skomudek W., Gacek Z., Ocena zagrożenia przepięciowego izolacji w układach sieci średniego napięcia. VII Ogólnopolska Konferencja Naukowo-Techniczna NIWE 003, ENERGETYKA

8 378 [7] Skomudek W., Analiza zagrożenia przepięciowe-go kabli elektroenergetycznych umieszczonych na konstrukcjach wsporczych. X Konferencja Naukowo Techniczna Elektroenergetyczne i telekomunikacyjne linie kablowe. Szklarska Poręba 003 [8] Skomudek W., Tarczyński W., Raport z rejestracji przebiegów falowych w elektroenergetycznych liniach kablowych. Część I Badanie modeli linii kablowych z wykorzystaniem generatora impulsów. Poltechnika Opolska 004 [9] Skomudek W., Bartyla A., Karolewski J. Raport z rejestracji przebiegów falowych w elektroenergetycznych liniach kablowych SN. Cz. II i III. Opracowanie ZE Opole S.A., 004 [0] SEP-E-003/003 Elektroenergetyczne linie napowietrzne. Projektowanie i budowa linii prądu przemiennego z przewodami pełnoizolowanymi oraz z przewodami niepełnoizolowanymi