TORY WIELKOPRĄDOWE ALTERNATYWA W PRZESYLE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Transkrypt

1 Zygmunt PIĄTEK, Tomasz SZCZEGIELNIAK Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii i Ochrony Środowiska TORY WIELKOPRĄDOWE ALTERNATYWA W PRZESYLE ENERGII ELEKTRYCZNEJ Streszczenie. Postępująca urbanizacja oraz dynamiczny wzrost zużycia energii elektrycznej powodują konieczność ciągłego zwiększania mocy elektrowni oraz rozbudowy sieci przesyłowych i rozdzielczych. Wysokie tempo przyrostu zużycia energii jest głównym stymulatorem rozwoju konstrukcji urządzeń służących do wytwarzania energii, jej przetwarzania i przesyłania. Jednocześnie nowe rozwiązania powinny spełniać wymogi dotyczące miniaturyzacji, minimalizacji kosztów, niezawodności działania oraz ochrony środowiska. Wśród coraz szerzej propagowanych systemów przesyłu energii elektrycznej znajdują się obecnie tory wielkoprądowe zwane również liniami GIL, które stanowią jeden z alternatywnych sposobów przesyłu energii elektrycznej. Słowa kluczowe: tory wielkoprądowe, GIL, przesył energii elektrycznej 1. Wprowadzenie Przekazywanie energii elektrycznej na duże odległości odbywało się dotychczas i nadal będzie się odbywać liniami napowietrznymi wysokich lub najwyższych napięć, gdyż do tej pory jest to sposób najbardziej ekonomiczny[1]. Jednak wzrost mocy linii przesyłowych i duże wymagania w zakresie niezawodności ich pracy, a także trudności w pozyskaniu terenu dla linii napowietrznych oraz wymagania ochrony środowiska, szczególnie w dużych aglomeracjach miejskich, zmuszają do poszukiwania nowych rozwiązań urządzeń do przesyłu energii elektrycznej. W energetyce światowej podstawowym kierunkiem działania w tym zakresie są małogabarytowe, o wysokiej niezawodności i ograniczonym działaniu na środowisko, tory wielkoprądowe różnej konstrukcji[1-7]. W miarę wzrostu mocy elektrowni cieplnych i wodnych w końcu lat trzydziestych rozpoczęto instalowanie torów wielkoprądowych o przewodach szynowych osłoniętych, łączących wielkie generatory z transformatorami blokowymi. Współczesnymi rozwiązaniami takich połączeń są tory prądowe z izolacją powietrzną pod ciśnieniem atmosferycznym, o napięciach znamionowych do 36 kv oraz o prądach znamionowych: 10 ka w elektrowniach wodnych, 20 ka w elektrowniach cieplnych i jądrowych o mocach znamionowych do 900 MW, 31,5 ka w elektrowniach jądrowych o mocy 1300 MW [2-7]. Począwszy od lat siedemdziesiątych w elektroenergetyce światowej stosuje się tory wielkoprądowe z izolacją gazową. Najczęściej stosowanym gazem jest SF 6 (sześciofluorek siarki) o ciśnieniu od 0,29 do 0,51 MPa (przy 20 o C). Bardzo dobre właściwości dielektryczne tego gazu, a także dobre przewodnictwo ciepła oraz właściwości gaszenia łuku spowodowały szybkie rozpowszechnianie urządzeń z SF 6. Jednakże przy torach wielkoprądowych o długościach przekraczających kilka kilometrów wymagana objętość gazu jest znaczna. Gaz ten nie jest tani a ponadto może przyczyniać się w niekorzystnych warunkach eksploatacyjnych do intensyfikacji efektu cieplarnianego [6]. Z tego względu rozpoczęto szerokie badania nad zastosowaniem azotu, ponieważ jest głównym składnikiem powietrza i jest całkowicie przyswajalny przez środowisko naturalne. Dlatego też w ostatnich

2 latach SF 6 zastępowany jest mieszaniną 95% N 2 i 5% SF 6 o ciśnieniu 1,3 MPa, odpowiadającemu ciśnieniu 0,4 MPa w przypadku czystego SF 6. Obecnie takie tory są budowane na napięcia od 72 do 1200 kv, najczęściej jednak na napięcia od 110 do 750 kv, prądy znamionowe od 1 do 12 ka i moce znamionowe od 200 do 4000 MV A. Najkorzystniejszym zastosowaniem torów wielkoprądowych z izolacją gazową, w porównaniu z liniami napowietrznymi lub kablowymi, jest stosowanie ich dla napięć większych od 245 kv i mocy przesyłowych od 2000 do 4000 MV A [2-5]. Tory wielkoprądowe z izolacją gazową w literaturze anglojęzycznej nazywane są GIL (Gas-Insulated Line) lub GITL (Gas-Insulated Transmission Line). Spotyka się też nazwę CGIC (Compressed Gas-Insulated Cable). W literaturze francuskojęzycznej używa się nazwy CIG (Câble à Isolation Gazeuse). W Polsce [2-5] używa się nazwy POG (Przewód Osłonięty z izolacją Gazową). Budowę typowego toru wielkoprądowego przedstawia rysunek 1. Zarówno przewód fazowy jak i osłona wykonane są z aluminium lub miedzi. Na osłony może być stosowana stal niemagnetyczna. Izolatory wsporcze, podtrzymujące żyły robocze wewnątrz obudowy, są wykonywane z żywicy epoksydowej o możliwie małym współczynniku przenikalności magnetycznej. Tory wielkoprądowe o przewodach osłoniętych buduje się jako: jednobiegunowe (z izolowanymi fazami), w których każdy przewód fazowy znajduje się w osobnej osłonie; ang. IPGIL (Isolated-Phase Gas Insulated Line) (rys. 1), Osłona (ekran) Przewód fazowy Wspornik dielektryczny Rys. 1. Szynoprzewód jednobiegunowy [7] dwubiegunowe, w których dwa przewody tej samej lub różnych faz znajduje się w osobnej osłonie; ang. DPGIL (Double-Phase Gas Insulated Line) (rys. 2), μ 0 e L 1 L 2 R 1 R 2 d d R 3 R 4 Rys. 2. Szynoprzewód dwubiegunowy

3 trójbiegunowe, w których wszystkie trzy przewody fazowe są umieszczone we wspólnej obudowie; ang. TPGIL (Three-Phase Gas Insulated Line), fr. TGT (Transport Électrique à Isolation Gazeuse Triphasé) (rys. 3). Rys. 3. Szynoprzewody trójbiegunowe [8] Długości stosowanych torów wielkoprądowych o przewodach szynowych osłoniętych z izolacją lub bez izolacji gazowej zawarte są od kilku metrów do kilkunastu kilometrów. Konstrukcje torów są wytwarzane jako sztywne, w odcinkach kilkunastometrowych, linia jest z nich montowana na miejscu budowy. Połączenia przewodów fazowych wykonuje się jako elementy wsuwane (specjalne gniazdo-trzpień zapewnia właściwy docisk łączonych części), natomiast osłony najczęściej łączy się poprzez spawanie, rzadko przez spojenia kołnierzowe. Połączenie wsuwane przewodów fazowych spełnia rolę kompensatora wydłużeń termicznych. Do kompensacji osłony instaluje się w pewnych odległościach specjalne elementy tzw. kompensatory harmonijkowe. Do wykonania odgałęzienia służą specjalne człony rozgałęźne, natomiast w celu zmiany kierunku prowadzenia przewodów stosuje się specjalne elementy kątowe [1]. Przykłady zastosowania torów wielkoprądowych przedstawiono na rysunku 4. Rys. 4. Fragmenty torów wielkoprądowych zastosowanych przemyśle [8] 2. Porównanie torów wielkoprądowych z innymi urządzeniami przesyłowymi Szybki rozwój konstrukcji torów wielkoprądowych wynika z szeregu zalet, różniących te przewody od klasycznych kabli wysokiego napięcia. Do podstawowych zalet należą [1]: możliwość prowadzenia w złożonych warunkach lokalizacyjnych, małe zapotrzebowanie terenu, wysoka niezawodność pracy, niskie koszty eksploatacji,

4 duża żywotność torów ze względu na brak starzenia się izolacji, możliwość instalowania pod dowolnym kątem, znacznie prostsza konstrukcja aniżeli kabli olejowych, brak zagrożenia pożarowego oraz zagrożenia środowiska przez ewentualność wycieku oleju izolacyjnego. Główną i chyba jedyną wadą torów wielkoprądowych jest utrzymanie szczelności tychże urządzeń. Eksploatacja linii napowietrznych najwyższych napięć jest przyczyną pewnych uciążliwości dla środowiska. Istotnym zjawiskiem towarzyszącym pracy każdej linii napowietrznej jest występowanie wokół jej przewodów pola elektromagnetycznego które może wpływać na organizmy żywe (rys. 5 i 6) [9]. Innym zjawiskiem towarzyszącym pracy linii napowietrznej jest hałas. Przyczyną jego powstawania są tzw. zjawiska ulotowe, które zaobserwować można w czasie mżawki, deszczu czy mgły. Objawiają się one niezbyt jaskrawym świeceniem przewodów linii, widocznym przede wszystkim w porze nocnej. Zjawiskom ulotowym towarzyszy charakterystyczny szum słyszalny w sąsiedztwie linii. Przy szczególnie wilgotnej pogodzie, w czasie niezbyt obfitego deszczu, hałas wytwarzany przez linie znacznie wzrasta, nie przekraczając na ogół poziomu dopuszczalnego dla określonego terenu. Linie elektroenergetyczne najwyższych napięć bywają niekiedy źródłem zakłóceń radioelektrycznych. Ujawniają się one w postaci pogorszonego odbioru sygnału radiowego lub telewizyjnego w budynkach mieszkalnych położonych w bezpośredniej bliskości linii przesyłowej [9]. Zjawiska które towarzyszą pracy linii napowietrznych są obce dla linii GIL. Poziom pól generowanych wokół linii GIL jest wielokrotnie niższy w stosunku do analogicznej linii napowietrznej (rys. 7). Z tego też względu tory wielkoprądowe można instalować w pobliżu konstrukcji metalowych lub innych urządzeń elektrycznych. Rys. 5. Typowe rozkłady natężenia pola elektrycznego pod liniami napowietrznymi 220 kv i 400 kv [9]

5 Rys. 6. Typowe rozkłady natężenia pola magnetycznego pod liniami napowietrznymi 220 kv i 400 kv [9] a) Color Shade Results Quantity : Magnetic field A/m Phase (Deg): 0 Scale / Color 98,62538E-3 / 1,12107E3 1,12107E3 / 2,24204E3 2,24204E3 / 3,363E3 3,363E3 / 4,48397E3 4,48397E3 / 5,60494E3 5,60494E3 / 6,72591E3 6,72591E3 / 7,84688E3 7,84688E3 / 8,96785E3 8,96785E3 / 10,08882E3 10,08882E3 / 11,20979E3 11,20979E3 / 12,33075E3 12,33075E3 / 13,45172E3 13,45172E3 / 14,57269E3 14,57269E3 / 15,69366E3 15,69366E3 / 16,81463E3 16,81463E3 / 17,9356E3 b) Color Shade Results Quantity : Magnetic field A/m Phase (Deg): 0 Scale / Color 78,45479E-3 / 706, ,18756 / 1,4123E3 1,4123E3 / 2,11841E3 2,11841E3 / 2,82451E3 2,82451E3 / 3,53062E3 3,53062E3 / 4,23673E3 4,23673E3 / 4,94284E3 4,94284E3 / 5,64895E3 5,64895E3 / 6,35506E3 6,35506E3 / 7,06117E3 7,06117E3 / 7,76728E3 7,76728E3 / 8,47339E3 8,47339E3 / 9,1795E3 9,1795E3 / 9,88561E3 9,88561E3 / 10,59171E3 10,59171E3 / 11,29782E3 Rys. 7. Przykładowe rozkłady pola magnetycznego dla torów wielkoprądowych: a) trójbiegunowego trójfazowego 12 kv, b) jednobiegunowego trójfazowego 12 kv

6 Straty przesyłu energii w GIL 420 kv i mocy 2000 MVA są znacznie niższe niż w równoważnej linii napowietrznej lub kablowej (rys. 8 oraz tabela 1). Tabela 1. Koszty przesyłu linii napowietrznej (LN) oraz GIL [10, 11] Moc przesyłana 2000 MW 2000 MW Straty mocy na metr długości linii 820 W/m 180 W/m Straty mocy na 100 km linii 82 MW 18 MW Różnica strat mocy w LN i GIL Różnica kosztów rocznych (cena energii: 5 eurocent/kwh 8600 h kw) LN 64 MW Nakłady inwestycyjne GIL (100 km) GIL ΔP / km w kw kabel olejowy podziemny - kabel XLPE podziemny linia napowietrzna - GIL 2000 MVA GIL 3000 MVA I N prąd znamionowy w ka Rys. 8. Straty przesyłu w liniach 420 kv [12] Koszty budowy linii GIL są niejednokrotnie niższe aniżeli równoważnej linii kablowej. W lipcu 2009 firma Holduct produkująca tory wielkoprądowe dokonała porównania kosztów budowy linii 12 kv, 2500A, o długości 30 m łączącej transformator z rozdzielnicą. Połączenie wykonane z kabla YHKXS 300 kosztowałoby PLN, natomiast ta sama linia wykonana za pomocą miedzianych szynoprzewodów typu EHON kosztowałaby PLN, zaś aluminiowy szynoprzewód typu EHON kosztowałby PLN. Porównanie kosztów jednostkowych instalacji szynoprzewodów i kabli przedstawia rysunek 9. W przypadku obszarów o ograniczonej przestrzeni naziemnej (rejony lotnisk, aglomeracje miejskie itp.) GIL prowadzone są w tunelach, zakopywane w ziemi lub podwieszane pod sufitem. Przykładem toru wielkoprądowego poprowadzonego w tunelu jest zbudowana w Japonii linia o długości 3,3 km, na napięcie 275 kv (rys. 10) [13]. Pierwszą w Europie linię GIL z mieszaniną gazów SF 6 i N 2 uruchomiono w styczniu 2001 roku w Genewie. Jest to linia ułożona pod halą wystawową w miejsce dotychczasowej linii napowietrznej (rys. 11). Przęsło istniejącej dwutorowej linii napowietrznej zastąpiono trójfazową dwutorową linią GIL [14, 15].

7 Rys. 9. Koszt jednostkowy instalacji szynoprzewodów i kabli [8] Rys. 10. GIL 275 kv Japonia długość 3,3 km [13] Rys. 11. PALEXPO Genewa; widok przęsła linii, które zastąpiono oraz instalacja GIL w tunelu pod halą wystawienniczą; wymiary tunelu: (szerokość 2,4 m, wysokość 2,6 m) [14, 15] Z powyższych względów ekonomicznych oraz aspektów ekologiczno-krajobrazowych, a także odporności GIL na zakłócenia natury atmosferycznej (wichury, wyładowania piorunowe) sądzi się, że GIL zastępować będą przede wszystkim linie napowietrzne i mogą

8 być prowadzone wzdłuż autostrad lub w tunelach komunikacyjnych, w szczególności przy zasilaniu dużych aglomeracji miejskich czy stref produkcyjnych (rys. 12). a) b) c) d) Rys. 12. Przyszłościowe stosowanie GIL [16]: a) zastępowanie linii napowietrznych, b) prowadzenie wzdłuż autostrad, c) prowadzenie w tunelach komunikacyjnych, d) zasilanie aglomeracji miejskich lub stref przemysłowych Stosowanie torów wielkoprądowych w przesyle energii elektrycznej pozwala obniżyć straty ( wynikające ze zjawiska Joule a) do połowy lub trzeciej części strat powstających w liniach napowietrznych [6]. Natomiast jednostkowa pojemność torów jest znacznie niższa niż pojemność typowych linii kablowych. Wartość pojemności jednostkowej wpływa na fakt, że długość torów może przekraczać 100 km bez konieczności wprowadzania dodatkowo kompensacji mocy biernej. Zwiększająca się liczba instalowanych torów wielkoprądowych wpływa na zmniejszenie kosztów opracowania i wykonania tych instalacji. Ponadto wykorzystanie wszelkich dostępnych technik komputerowych pozwala na optymalizację kształtu i wymiarów systemu GIL. Prototypy nowej generacji GIL są obecnie budowane i badane w kilku ośrodkach na świecie. Wyniki prowadzonych badań pozwalają stwierdzić, że wszystkie zalety tego sposobu przesyłu energii elektrycznej będą jeszcze bardziej wyeksponowane, a rozwiązanie techniczne pozwolą przekroczyć kolejne bariery poziomu trudności przesyłowych energii elektrycznej. Bardzo obiecujących faktem jest stwierdzenie, że podczas już ponad 30-letniej eksploatacji linii GIL nie zanotowano żadnych zasadniczych awarii w ich pracy.

9 Bibliografia 1. Nawrowski R.: Tory wielkoprądowe izolowane powietrzem lub SF 6. Wyd. Pol. Poznańskiej, Poznań Piątek Z.: Modelowanie linii, kabli i torów wielkoprądowych. Seria Monografie nr 130, Wyd. Pol. Częst., Czestochowa Piątek Z.: Impedances of Tubular High Current Busducts. Series Progress in High-Voltage technique, Vol. 28, Polish Academy of Sciences, Committee of Electrical Engineering, Wyd. Pol. Częst., Czestochowa Piątek Z.: Pole magnetyczne w otoczeniu jednobiegunowych osłoniętych torów wielkoprądowych. Zesz. Nauk. Pol. Śl. Elektryka, z. 166, Kusiak D.: Pole magnetyczne dwu i trójbiegunowych torów wielkoprądowych. Praca doktorska, Częstochowa Rakowska A.: GIL przyszłość w przesyle energii elektrycznej, Wiadomości elektrotechniczne, nr 2, GIL Gas-Insulated Transmission Lines, CIGRE, ELECTRA, no 211, December Holduct Z. H. Ltd. Polska.: Szynoprzewody trójfazowe okrągłe. [Online]. Available 9. Szuba M. i inni: Linie i stacje elektroenergetyczne w środowisku człowieka, Informator PSE-Operator S.A., Warszawa Koch H., Schoeffner G.: Gas-Insulated Transmission Line (GIL) an overview. Electra 2003, 211, December, pp Koch H., Schuette A.: Gas insulated transmission lines for high power transmission over long distances. Electric Power Systems Research 1998, 44, pp Koch H.: Gas-Insulated Transmission Lines (GIL) for high power transmission. Proc. of 1 st International Forum on Innovations in Power Links, Paris, France (29 March 2001), pp Okubo H., Takahashi I.: Insulation design and on-site testing method for a long distance GIL, IEEE Mag. No 6, Asmore C.: Cutting the cost of piped power, Trans-Power Europe, March Koch H., Hillers T.: Second-generation gas-insulated line, Power Engineering Journal, June Koch H.: Experience with 2 nd generation gas - insulated transmission lines GIL. Proc. of JICABLE 03, Versailles, France (22-26 June 2003), pp