Baterie kondensatorów jako lokalne źródło mocy biernej o znacznej wartości rozwiązanie PBW OLMEX SA zrealizowane dla PSE-Operator SA

Transkrypt

1 Baterie kondensatorów jako lokalne źródło mocy biernej o znacznej wartości rozwiązanie PBW OLMEX SA zrealizowane dla PSE-Operator SA Jacenty Węgliński, Przemysław Chojnowski Gdy w czerwcu 2006 roku przez wiele godzin tysiące mieszkań pozostało bez prądu, gdy w dziesiątkach zakładów produkcyjnych z powodu braku energii stanęły maszyny, a na lotnisku Okęcie przestały działać niektóre urządzenia, wiadomo było już, że z systemem elektroenergetycznym kraju nie jest najlepiej. Gdy udało się opanować kryzys, zaczęto dociekać jego przyczyn i szukać sposobów na poprawę bezpieczeństwa energetycznego kraju. Szybko odkryto, że awaria miała swoje podłoże m.in. w braku możliwości sprostania rosnącemu zapotrzebowaniu na moc bierną. Co gorsza, stało się też jasne, że utrata zdolności systemu elektroenergetycznego do utrzymania napięcia na dopuszczalnym poziomie może się powtórzyć. Szczególnie narażone były na to rejony, gdzie nie ma naturalnych źródeł mocy biernej czyli elektrowni. W takiej sytuacji znalazła się cała północna część Polski. Zaistniała pilna potrzeba wprowadzenia do systemu elektroenergetycznego nowych źródeł mocy biernej, charakteryzujących się możliwością szybkiej budowy i zlokalizowanych w miejscach, gdzie moc ta jest najbardziej potrzebna. Po przeprowadzeniu szeregu analiz, jako optymalne rozwiązanie wybrano przyłączenie baterii kondensatorów o mocy rzędu kilkudziesięciu Mvar do uzwojeń wyrównawczych transformatorów mocy 400/110 kv i 220/110 kv. Ostatecznie taką modernizację zdecydowano się wykonać w siedmiu kluczowych dla sprawy węzłach transformacji z sieci przesyłowej do sieci dystrybucyjnej. Do wykonania zadania PSE-Operator wybrał Przedsiębiorstwo Badawczo- Wdrożeniowe OLMEX z Olsztyna. Niewątpliwy wpływ na taki wybór miały wcześniejsze dokonania i sukcesy PBW OLMEX w realizowaniu przedsięwzięć związanych z kompensacją mocy biernej. Prezentowany artykuł przybliża zastosowane rozwiązania techniczne oraz proces realizacji wyposażania stacji elektroenergetycznych najwyższych napięć w układy baterii kondensatorów do kompensacji mocy biernej. Znaczenie mocy biernej w systemie elektroenergetycznym i sposoby jej wytwarzania Generatory synchroniczne pracujące w elektrowniach są jak gdyby naturalnym źródłem mocy biernej. Niestety, skoncentrowanie tych naturalnych źródeł na południu Polski pociąga za sobą konieczność przesyłania jej na znaczne odległości tak, by mogła korzystać z nich reszta kraju. Jest to zjawisko bardzo niekorzystne, bowiem powoduje występowanie strat mocy czynnej, spadki Inż. Jacenty Węgliński PSE Operator SA, Warszawa dr inż. Przemysław Chojnowski OLMEX SA, Olsztyn napięć, a przede wszystkim zmniejsza zdolności przesyłowe linii elektroenergetycznych. Z tego też względu bardzo ważne staje się przybliżanie źródeł mocy biernej do jej głównych odbiorców. Najkorzystniejsze efekty, w tym także ekonomiczne, można uzyskać poprzez budowę baterii kondensatorów i ich przyłączanie do sieci w miejscach, gdzie pobór mocy biernej jest największy. Z punktu widzenia operatora systemu przesyłowego, miejsca najbliższe odbiorcom mocy biernej to stacje transformatorowo-rozdzielcze, do których przyłączona jest sieć odbiorcza operatorów systemu dystrybucyjnego. Mając to na uwadze, PSE-Operator zdecydował, że znaczącą poprawę sytuacji w gospodarowaniu mocą bierną będzie można uzyskać, przyłączając do uzwojeń wyrównawczych transformatorów mocy 400/110 kv i 220/110 kv baterie kondensatorów o mocach dostosowanych do występujących na danym obszarze potrzeb i możliwości obciążania tych transformatorów. Zdecydowano się na to rozwiązanie, bo istotne znaczenie odgrywał czas. Efekty pracy nowego systemu miały być odczuwalne już latem 2007 roku. Ostatecznie dla zabudowania baterii kondensatorów wytypowano następujące stacje: 220/110 kv Ełk, 400/110 kv Gdańsk Błonia, 400/220/110 kv Grudziądz Węgrowo, 220/110 kv Jasiniec, 400/220/110 kv Miłosna, 220/110 kv Mory, 400/220/110 kv Olsztyn Mątki. Prace przygotowawcze i projektowe Zadanie, przed którym stanęli inżynierowie, było naprawdę trudne. W naszym kraju nigdy nie przeprowadzano na podobną skalę takich modernizacji w sieciach wysokich napięć. Istniało ryzyko porażki wynikającej z braku doświadczenia. Dlatego, zanim przystąpiono do wykonania prac, starannie wszystko zaplanowano, starając się przewidzieć możliwe problemy. Zaczęto od zorganizowania kompetentnego zespołu zdolnego podjąć trud wykonania nowatorskiego zadania. Do pracowników PBW OLMEX dołączyły ekipy z Energoprojektu-Kraków i Eltel Networks Olsztyn. Tak stworzona grupa projektowo realizacyjna, o niekwestionowanym doświadczeniu i dużym potencjale możliwości, dawała gwarancję powodzenia całego zadania. Modernizacja rozpoczęła się od dokładnego zmierzenia parametrów sieci, głównie zawartości harmonicznych w napięciu i prądzie. Chodziło o to, by dobrać odpowiednie filtry chroniące nowe baterie kondensatorów przed szkodliwym wpływem harmonicznych i efektem rezonansu. 62 Rok LXXVI 2008 nr 9

2 Następnie przyszedł czas na opracowanie projektów. Całość prac projektowych (dla potrzeb zabudowania baterii kondensatorów we wszystkich siedmiu obiektach) wzięli na siebie inżynierowie z Energoprojektu-Kraków. Trzeba tutaj oczywiście zauważyć, że inwestycja nie ograniczała się tylko do ustawienia samej baterii. Aby móc przyłączyć ją do transformatora, potrzebna była rozdzielnia SN o odpowiednich parametrach, pozwalających na łączenie dużych pojemności. Nie można także zapomnieć o specyfice zabezpieczeń baterii i ich współpracy z pozostałymi elementami systemu elektroenergetycznego. W przypadkach, gdzie wcześniej uzwojenia wyrównawcze transformatorów nie były wykorzystywane, pojawiła się potrzeba wymiany zabezpieczeń różnicowych transformatorów, tak aby ochroną objęte były także uzwojenia wyrównawcze. Odrębne zagadnienie stanowił dobór kabli łączących transformator z rozdzielnią SN i rozdzielnię ze stanowiskiem baterii. Możliwości przesyłowe kabli musiały uwzględniać dopuszczalne przeciążenia baterii, a przewidywane trasy musiały zapewniać właściwe odprowadzenie ciepła wydzielającego się w przewodach podczas przepływu prądu. Stąd też w niektórych przypadkach konieczne było zaprojektowanie kanałów kablowych z wymuszoną wentylacją. Dużą trudność w czasie prac projektowych stanowiła mała ilość miejsca. Nie trzeba przecież nikogo przekonywać że w czasie, kiedy stacje były budowane, nie przewidywano instalowania baterii kondensatorów. Zadania nie ułatwiał także fakt, że każda stacja była inna i nie można było zastosować jednego wypróbowanego wcześniej rozwiązania. Wzajemne rozplanowanie baterii, budynku rozdzielni SN i transformatora mocy oraz samych baterii względem siebie w każdym przypadku musiało być inne i uwzględniało specyfikę miejsca oraz indywidualne cechy terenu. Kolejna przeszkoda stojąca przed inżynierami czaiła się pod ziemią niewidoczna na pierwszy rzut oka. Pod terenami stacji, przebiegały liczne i często nie oznaczone na mapach kable zasilające i sterownicze, rurociągi związane z odwodnieniem i instalacjami automatycznego gaszenia transformatorów. Trzeba było je ominąć i jednocześnie zmieścić się w obszarze ograniczonym ogrodzeniem stacji. Wykonawca modernizacji musiał się zmierzyć także z zagadnieniami natury logistycznej. Instalowanie baterii kondensatorów wiązało się nieuchronnie z potrzebą koordynacji dostaw dużej ilości urządzeń i materiałów, często o bardzo indywidualnym charakterze i wyszukanych właściwościach. Trzeba było znaleźć dostawców spełniających wysokie wymagania, a następnie zapewnić realizację zamówienia w oczekiwanym czasie. To dość skomplikowane zagadnienie logistyczne dało się zrealizować ze względu na coraz bogatszą ofertę rynkową i znaczący wysiłek projektantów, polegający na proponowaniu wszędzie tam, gdzie było to możliwe kilku równoważnych źródeł dostaw. Proces przygotowawczy inwestycji w każdym przypadku kończyło zatwierdzenie dokumentacji projektowej przez PSE-Operator. Działo się to przy znaczącym udziale przedstawicieli PSE-Północ (obecnie Polskie Sieci Elektroenergetyczne-Północ) i PSE-Centrum (obecnie Polskie Sieci Elektroenergetyczne-Centrum), na co dzień prowadzących eksploatację obiektów, które wyposażano w baterie kondensatorów. Cenne uwagi i sugestie służb eksploatacyjnych z całą pewnością przyczyniły się do podniesienia poziomu proponowanych rozwiązań i pewności ich pracy w zakładanym reżimie. Rys. 1. Schemat przyłączenia baterii kondensatorów do transformatora 400/110 kv w stacji 400/220/110 kv Olsztyn Mątki Rok LXXVI 2008 nr 9 63

3 Zastosowane urządzenia i ich parametry techniczne Rozdzielnice SN Jedynym obiektem, gdzie była już zainstalowana rozdzielnia SN w tym wypadku 30 kv była stacja 400/110 kv Gdańsk Błonia. Należało ją jednak rozbudować o pola zasilające baterie kondensatorów. Rozbudowa dotyczyła rozdzielni 30 kv z izolacją gazową SF 6 o napięciu znamionowym 36 kv, prądzie znamionowym szyn zbiorczych 1250 A i wytrzymałości zwarciowej 31,5 ka. Szerokość pola tej rozdzielnicy wynosi 600 mm, a stopień ochrony IP 4X. Dla wyłączników zastosowanych w polach zasilających baterie, producent potwierdził ich zdolności łączeniowe dla załączania i wyłączania dużych pojemności. We wszystkich pozostałych przypadkach, ze względu na poziom napięcia uzwojeń wyrównawczych transformatorów, zastosowano rozdzielnice 15 kv z izolacją gazową SF 6, o następujących parametrach: napięcie znamionowe 15 kv, prąd znamionowy szyn zbiorczych 2500 A, wytrzymałość zwarciowa 40 ka, szerokość pola 800 mm, stopień ochrony IP 4X. Wyłącznik zastosowany w polach, do których są przyłączone baterie kondensatorów ma specjalną budowę, opartą na szeregowym połączeniu dwóch komór. W ten sposób uzyskuje się gwarancję poprawnego działania podczas łączenia dużych pojemności. Przykładowy schemat układu baterii przyłączonej do trzeciego uzwojenia transformatora za pośrednictwem rozdzielni 15 kv przedstawiono na rysunku 1. Kondensatory W bateriach zastosowano kondensatory jednofazowe, dwuizolatorowe, w wykonaniu napowietrznym, o następujących parametrach: impregnat Jarylec NON PCB, klasa temperaturowa 40º/D, straty mocy czynnej 0,20 W/kvar, napięcie izolacji 38/95 kv. Kondensatory są wyposażone w: wewnętrzne urządzenia rozładowcze obniżające napięcie na zaciskach po wyłączeniu do poziomu 75 V w czasie 10 minut oraz w wewnętrzne bezpieczniki zwijek. W poszczególnych stacjach elektroenergetycznych zabudowano baterie o mocach przedstawionych w tabeli. Dławiki ochronne W bateriach 15 kv zastosowano dławiki ochronne w wykonaniu napowietrznym trójfazowe, bezrdzeniowe, przeciwrezonansowe dla 5. harmonicznej o następujących parametrach: stopień ochrony IP00, stopień tłumienia p = 7%, częstotliwość rezonansowa f r = 189 Hz, napięcie sieci 15,7 kv, częstotliwość sieci 50 Hz, wytrzymałość zwarciowa 40 ka, klasa temperaturowa 40 C/D. Rozwiązania konstrukcyjne Stanowiska baterii kondensatorów i dławików przeciwrezonansowych zbudowano jako napowietrzne. Zainstalowane urządzenia posadowiono na stalowych konstrukcjach, a zajęty przez nie obszar wydzielono ogrodzeniem. Każda bateria kondensatorów tworzy układ podwójnej gwiazdy z wbudowanym przekładnikiem prądowym na połączeniu gwiazd. Kondensatory przynależne do jednej fazy są rozmieszczone na tym samym poziomie, a poszczególne fazy usytuowane jedna nad drugą tworzą układ pionowy, pozwalający na znaczne ograniczenie zajmowanego terenu. Również dławiki ochronne dla poszczególnych faz ustawione są jeden nad drugim, aby nie zajmować niepotrzebnie miejsca (którego w żadnym z obiektów, w których dokonywano modernizacji, nie było zbyt dużo). Wzajemne połączenia poszczególnych kondensatorów tworzących baterię zostały poprowadzone z wykorzystaniem izolatorów przymocowanych do konstrukcji, na której posadowiono baterię. Przykładowy układ konstrukcyjny stanowiska baterii kondensatorów pokazano na rysunku 2. Rys. 2. Stanowisko baterii kondensatorów w stacji 220/110 kv Ełk 64 Rok LXXVI 2008 nr 9

4 Stacja Typ baterii Ilość baterii (kpl.) Moc całkowita zainstalowana [Mvar] Ełk BKS-15/ ,5 Gdańsk Błonia BKS-30/ ,8 Grudziądz Węgrowo BKS-15/ ,4 Jasiniec BKS-15/ ,5 Miłosna BKS-15/ ,5 Mory BKS-15/ ,3 Olsztyn Mątki BKS-15/ ,4 Dla potrzeb instalowanych rozdzielni 15 kv przewidziano zabudowanie nowych budynków kontenerowych. Są to kontenery żelbetowe, prefabrykowane. Kontenery były dostarczane na poszczególne obiekty w formie kilku modułów przeznaczonych do montażu na miejscu i wyposażenia w niezbędne instalacje. Każdy z kontenerów ma piwnicę, pełniącą rolę kablowni umożliwiającej wprowadzenie kabli do pól rozdzielczych i zabudowanie przekładników ziemnozwarciowych. Rozmiar kontenera dla konkretnego obiektu był uzależniony od ilości pól, jakie musiała mieć rozdzielnia 15 kv. Kable SN łączące transformatory mocy z rozdzielniami SN i rozdzielnie ze stanowiskami baterii kondensatorów poprowadzono, w zależności od indywidualnych możliwości terenowych każdego z obiektów i przewidywanych obciążeń, w ziemi w kanałach kablowych bądź w przepustach. Aby uniknąć przestojów związanych z brakiem możliwości wyłączenia transformatorów, prace należało tak prowadzić, żeby czynności związane np. z wymianą zabezpieczeń transformatorów czy też próbami funkcjonalnymi urządzeń, trafiały dokładnie w czas weekendu. Sytuację dodatkowo komplikował fakt, że niemal każda z wyposażanych w baterie kondensatorów stacji poddawana była w tym samym czasie innym procesom modernizacyjnym, jak chociażby instalacja i rozbudowa systemów sterowania i nadzoru czy unowocześnianie układów chłodzenia transformatorów mocy. Kluczowe dla powodzenia zadania stało się więc odpowiednie skoordynowanie wszystkich prac realizowanych na poszczególnych obiektach. Z tego powodu bardzo ważną rolę odegrały organizowane przez PSE-Operator narady koordynacyjne, na których analizowano postęp prac, pojawiające się zagrożenia i ustalano zakres niezbędnych wyłączeń. Dużą presję na realizatorów zadania, w trakcie wykonywania prac, wywierał szybko upływający czas. Jego upływ był tutaj najistotniejszy, bo całe przedsięwzięcie miało sens tylko wtedy, gdy nowe źródła mocy biernej w systemie elektroenergetycznym mogłyby pracować w okresie dużych obciążeń, związanych z występowaniem wysokiej temperatury. Ostatecznie zadanie udało się zrealizować dokładnie w momencie, gdy zapotrzebowanie na moc bierną znacząco wzrosło. Proces realizacji Wykonanie na placu budowy założeń projektowych też nie należało do zadań łatwych. Przede wszystkim prace należało prowadzić na czynnych obiektach. Ze względu na swoje znaczenie w systemie elektroenergetycznym, stacje nie mogły zostać całkowicie odłączone. Transformatory, do których miały zostać przyłączone baterie kondensatorów, mogły być wyłączane jedynie w nocy bądź podczas weekendów i oczywiście nie wszystkie jednocześnie. Rys. 3. Widok stanowiska baterii kondensatorów Podsumowanie uzyskane efekty Wykonane dotychczas prace pozwoliły uruchomić baterie kondensatorów, ale nie zakończyły całkowicie zadania. Do zrealizowania pozostało jeszcze włączenie nowych urządzeń do systemu sterowania i nadzoru oraz automatycznej regulacji napięcia. Wtedy też będzie można powiedzieć, że dysponujemy źródłami mocy biernej, zdolnymi włączyć się w proces automatycznej regulacji, zapewniającej utrzymanie podstawowych parametrów energii elektrycznej na poziomie gwarantującym bezpieczeństwo pracy systemu elektroenergetycznego bez konieczności awaryjnych wyłączeń, bądź też uciekania się do wyłączeń świadomych, mających na celu odbudowę właściwych parametrów sieci. Rok LXXVI 2008 nr 9 65

5 Już dziś można jednak stwierdzić, że przeprowadzone pomiary przebiegów prądów i napięć zarówno chwilowych, jak i w stanach ustalonych potwierdziły wyniki wcześniejszych analiz teoretycznych i baterie kondensatorów będą mogły z powodzeniem wypełnić rolę, jaką im przypisano i jaka jest oczekiwana. Podsumowując wykonane dotychczas prace można zauważyć, że każdy z uczestników procesu realizacji tego niestandardowego zadania wyniósł nowe doświadczenia, które z pewnością będzie mógł wykorzystać w swej dalszej działalności. Ponadto można z całą odpowiedzialnością stwierdzić, że mamy w Polsce potencjał projektowy i wykonawczy zdolny podejmować nawet bardzo trudne wyzwania i z powodzeniem je realizować. Wobec takiej sytuacji należy z optymizmem patrzeć w przyszłość i czekające nas zadania, związane z dostosowywaniem naszego systemu elektroenergetycznego do obecnych i przyszłych potrzeb cywilizacyjnych. Jeżeli w tym momencie możemy uznać, że przedsięwzięcie instalowania nowych źródeł mocy biernej w systemie elektroenergetycznym kończy się sukcesem, to nie sposób nie zauważyć iż współautorami tego sukcesu są przedstawiciele PSE-Operator, którzy z poziomu prowadzącego zadanie i odbierającego wykonane prace potrafili wnieść szereg cennych inicjatyw usprawniających proces realizacji i podnoszących na wyższy poziom zastosowane rozwiązania techniczne. Nie można także zapomnieć o inwestorach zastępczych, czyli PSE-Północ (obecnie Polskie Sieci Elektroenergetyczne Północ) i PSE-Centrum (obecnie Polskie Sieci Elektroenergetyczne Centrum). Byli niemal bez przerwy obecni na obiektach w czasie realizacji prac, pomagali w procedurach związanych z uzyskiwaniem wyłączeń i na każdym kroku służyli swoją wiedzą i doświadczeniem. Także i oni mogą się uważać za pełnoprawnych autorów zakończonych sukcesem instalacji baterii. OLMEX S.A. Wójtowo, ul. Modrzewiowa Barczewo tel , fax