Detekcja zwarć. w tym zwarć przerywanych w liniach kablowych SN w głębi sieci dystrybucyjnej. Roman Jałoza

Transkrypt

1 Detekcja zwarć w tym zwarć przerywanych w liniach kablowych SN w głębi sieci dystrybucyjnej Roman Jałoza

2 Wyzwania dotyczące utrzymania sieci dystrybucyjnej Regulacja jakościowa na latach poprawa jakości i niezawodności przesyłu pomimo katastrofalnych zjawisk przyrody Automatyzacja stacji SN/nn (jedynie 2% w 2017 roku) Po nawałnicach 2017 roku Ministerstwo Energii zapowiedziało dodanie krajowego planu kablowania sieci do polityki energetycznej Polski Spółki OSD powołały zespoły adaptujące wewnętrzne standardy do zmiany technologii z budowie linii energetycznych ME zapowiada gotowość infrastruktury do ładowania samochodów elektrycznych do 2020 roku

3 Wyzwania dotyczące utrzymania sieci dystrybucyjnej Obrazem trudności i złożoności tego zadania jest struktura wiekowa podstawowych elementów sieci Ponad 76% linii napowietrznych SN (w większości nieizolowanych) zbudowano ponad 25 lat temu a wiek blisko 40% przekroczył już 40 lat. Linie kablowe SN w ponad 40% przekroczyły już 25 lat. Krajowe projekty kablowania zakładają zwiększenie udziału linii kablowych z 26% do blisko 75% w 2040 roku Zwiększenie długości linii kablowych z 77tys. do ponad 220tys. km Zapewnienie stabilności mieszanego (kablowo-napowietrznego) systemu dystrybucji w sieciach z kompensacją prądu zwarciowego

4 Zmiana charakteru sieci dystrybucyjnej Wpływ projektów kablowania odcinków leśnych linii SN: Powstanie długich ciągów kablowo-napowietrznych szczególnie w obszarach wiejskich Zwiększenie wartości pojemnościowych prądów zwarciowych Wymaganie kompensacji pojemnościowej mocy biernej generowanej w rozległych liniach kablowych Wymaganie stosowania efektywnej kompensacji nadążnej z wykorzystaniem cewek Petersena Kompensowane sieci kablowo-napowietrzne zwiększają prawdopodobieństwo wystąpienia przerywanych zwarć doziemnych

5 Jednofazowe przerywane zwarcia doziemne Zwarcia przerywane związane są najczęściej z okresowym zapalaniem się łuku elektrycznego w miejscu zdegenerowanej izolacji kabla Zjawisko ma charakter samogasnący, powtarzający się i silnie zmienny Czas trwania pojedynczego zwarcia wynosi zwykle od 0,1 ms do 1 ms Częstotliwość zwarć zależna od wielu czynników Uo Io

6 Rodzaj izolacji w eksploatowanych liniach kablowych SN Analizując raporty PTPiREE oraz ARE widać stopniowe zastępowanie wysłużonych linii kablowych w izolacji z polietylenu wytłaczanego (PE) lub papierowo-olejowej (PILC) za pomocą dużo bardziej odpornych kabli w izolacji z polietylenu usieciowanego (XLPE). W końcu roku 2017, polskie spółki OSD eksploatowały ponad 77 tys. km kabli elektroenergetycznych w sieciach SN z czego blisko 56% w izolacji XLPE, 41% w izolacji PILC i 3% w izolacji PE. 56% 41% 3% izolacja papierowo-olejowa polietylen niesieciowany polietylen sieciowany

7 Zwarcia doziemne przerywane w kablach PILC W przypadku kabli SN o izolacji papierowo-olejowej proces degradacji może być spowodowany: Oddziaływaniem cieplnym prawdopodobieństwo degradacji wzrasta wraz ze wzrostem temperatury izolacji (długotrwała temperatura graniczna 65 o C, a przy zwarciu 170 o C), Procesem utleniania temperatura i zanieczyszczenia są katalizatorem przyspieszającym proces degradacji, Oddziaływaniem wilgoci i kwasowych produktów rozkładu oleju z izolacji, Naprężeniami mechanicznymi oraz koncentracją wyładowań niezupełnych w miejscach osłabienia izolacji.

8 Zwarcia doziemne w kablach z XLPE/PE Izolacja polimerowa w skład, której zaliczane są PE i XLPE ulega degradacji i rozpadowi wiązania łańcuchów polimerowych w wyniku procesów starzeniowych oraz działania czynników fizycznych, chemicznych i elektrycznych. Badania wykazują, że po przekroczeniu temperatury 105 o C proces deformacji struktur polimerowych gwałtownie wzrasta Największe zagrożenie dla izolacji z polietylenu stanowią wtórne czynniki elektryczne takie jak wyładowania niezupełne, drzewienie wodne oraz elektryczne. Badania ujawniły znaczne etapy utleniania się materiału izolacyjnego już po 10 latach eksploatacji co wpływa na podwyższenie wartości tgδ oraz zmniejszenie jej wytrzymałości Źródło:

9 Zwarcia doziemne w kablach z XLPE/PE Kształtowania się drzewka wodnego zauważalne jest w niejednolitych obszarach izolacji, a katalizatorem tego zjawiska staje się zawarta w izolacji wilgoć Szybkość rozwoju tego procesu zależna jest od wielu czynników m.in. temperatury, naprężeń, czynników środowiskowych Pierwsze zwarcie powoduje odparowanie wody, ale jonizacja w drzewie wodnym prowadzi do nowych, powtarzalnych doziemień.

10 Detekcja zwarć doziemnych przerywanych w sieciach SN Urządzenia EAZ wykorzystujące tradycyjne kryteria ziemnozwarciowe mają znaczne trudności z selektywną detekcją i analizą tego typu zjawisk Zazwyczaj gdy urządzenia EAZ nie posiadają dedykowanych kryteriów do detekcji tego typu zjawisk, zabezpieczenie nadnapięciowe U o > wyłączy zasilanie całej stacji z powodu wysokiego poziomu napięcia Uo podczas zwarć przerywanych w jednej z linii. Zwarcia przerywane mogą pozornie przemijać po zadziałaniu zabezpieczenia i odłączeniu napięcia. Po odparowaniu wilgoci w drzewku wodnym i zaniku jonizacji, izolacja może przez pewien czas wytrzymać napięcie nominalne

11 Detekcja zwarć doziemnych przerywanych w sieciach SN Tak krótkich okresowych zakłóceń nie można prawidłowo zidentyfikować za pomocą ziemnozwarciowej funkcji kierunkowej, która wykorzystuje tylko podstawowe składowe częstotliwości I 0 i U 0.

12 Detekcja zwarć doziemnych przerywanych w sieciach SN Detekcja z wykorzystaniem klasycznych kryteriów nadprądowych kierunkowych jest nieprecyzyjna i nieefektywna. Również kryteria admitancyjne wskazują akceptowalną skuteczność tylko w specyficznych przypadkach W czasie zwarć przerywanych admitancja w linii uszkodzonej spada okresowo poniżej wartości rozruchowej i zrównuje się z admitancją w liniach zdrowych, co może uniemożliwia właściwą detekcję kierunku zwarcia

13 Detekcja zwarć doziemnych przerywanych w sieciach SN Należy zauważyć, że współczynnik kompensacji zwarciowej danego odcinka sieci ma znaczący wpływ na częstotliwość występowania wielokrotnych, przemijających zwarć doziemnych. W sieciach w pełni skompensowanych ponowne przebicia mogą następować w odstępie kilkuset milisekund, a w sieci przekompensowanej w czasie krótszym niż 20ms. Dodatkowo w przypadku sieci przekompensowanych zauważalne jest negatywne zjawisko przyrostu napięcia w uszkodzonej fazie po zakończeniu serii zwarć, które może wpływać na pogorszenie właściwości elektrycznych izolacji przewodnika. Źródło:

14 Zwarcia przerywane wpływ kompensacji ziemnozw. Sieć niedokompensowana -10%

15 Zwarcia przerywane wpływ kompensacji ziemnozw. Sieć przekompensowana +10%

16 Netcon 100 sterownik stacyjny SN/nn Detekcja, lokalizacja i eliminacja zwarć w sieciach SN Realizacja kierunkowej i bezkierunkowej detekcji zwarcia Kryteria nadprądowe, ziemnozwarciowe w tym admitancyjne Kierunkowa detekcja doziemnych zwarć przerywanych w liniach kablowych wynikających np. z uszkodzenia izolacji kabla Pomiar reaktancji linii pomiędzy miejscem pomiaru i zwarcia

17 Netcon 100 sterownik stacyjny SN/nn Uniwersalność dla potrzeb sieci Smart Grid Eliminacja zwarć w sieci SN funkcja zabezpieczeniowa Programowalne cykle SPZ, załączanie rezerwowego zasilania w punkcie podziałowym sieci Obszarowa automatyka FDIR bazująca na komunikacji pomiędzy sterownikami detekcja i izolacja uszkodzonych odcinków w głębi sieci

18 Netcon 100 sterownik stacyjny SN/nn Uniwersalność dla potrzeb sieci Smart Grid Self Healing Network Obszarowa automatyka FDIR bazująca na komunikacji lokalnej sterowników GW502iM SCADA GW502iM SCADA GPZ 1 GPZ 2 GPZ 1 GPZ 2 SS 5 SS 1 SS 5 SS 1 SS 2 SS 2 SS 3 SS 3 SS 4 SS 4

19 Netcon 100 detekcja zwarć doziemnych przerywanych Detekcja zwarć przerywanych w liniach kablowych SN w głębi sieci dystrybucyjnej

20 Korzyści wynikające z detekcji zwarć przemijających Zakładając, że urządzenia EAZ, takie jak Netcon 100, zamontowane w głębi sieci SN będą w stanie selektywnie wykryć przerywane zwarcia doziemne możliwym stanie się rozpoczęcie pełnej diagnostyki linii kablowych wtedy, gdy wykrywane są przemijające zwarcia doziemne Dodatkowo wczesna analiza i detekcja przemijających problemów zwiększa odporność sieci dystrybucyjnej na rozprzestrzenianie się zwarć jednofazowych, prowadzących do poważnych zwarć międzyfazowych.

21 Detekcja zwarć przerywanych w liniach kablowych SN w głębi sieci dystrybucyjnej