Oddziaływania elektromagnetyczne w napowietrznych liniach elektroenergetycznych Autorzy: Rafał Tarko, Wiesław Nowak, Waldemar Szpyra Hutnicza w Krakowie - Akademia Górniczo- ("Energia Elektryczna" - 2/2016) Problem oddziaływania elektromagnetycznego linii elektroenergetycznych nie jest zagadnieniem nowym. Już na początku rozwoju elektroenergetyki w latach 1880-1890 zaobserwowano zjawisko negatywnego wpływu budowanych wówczas linii napowietrznych na obwody telekomunikacyjne. Od tego momentu aż do chwili obecnej problem pól elektromagnetycznych i ich oddziaływań pozostaje ważnym elementem zarówno projektowania, jak i eksploatacji obiektów elektroenergetycznych [1, 2]. Oddziaływanie pól elektromagnetycznych rozpatrywane jest w dwóch podstawowych aspektach. Pierwszy z nich to wpływ pól na organizmy żywe i zagrożenia z tego wynikające. Drugi aspekt dotyczy oddziaływań, których skutkiem są napięcia i prądy indukowane w obiektach zbliżonych do obiektów elektroenergetycznych. Oddziaływania te mogą być oddziaływaniami zakłócającymi lub oddziaływaniami niebezpiecznymi z punktu widzenia bezpieczeństwa ludzi i urządzeń. Z powodu wysokich kosztów gruntów, trudności ich pozyskiwania oraz zawiłości formalnych w procesach inwestycyjnych, problem oddziaływań elektromagnetycznych infrastruktury elektroenergetycznej nabiera całkiem nowego wymiaru. Przykładem może być stosowanie wielotorowych i wielonapięciowych linii elektroenergetycznych czy też usytuowanie nowo budowanej linii w pasie technologicznym linii istniejącej [4, 5]. Właśnie te zagadnienia są przedmiotem niniejszego artykułu. Analiza oddziaływań elektromagnetycznych w linii 110-15 kv Przedmiotem analizy jest fragment sieci 110 kv i 15 kv, której schemat przedstawiono na rysunku 1. W sieci tej wyodrębniono stacje elektroenergetyczne GPZ A, GPZ B, GPZ C oraz cztery linie napowietrzne, oznaczone jako tory nr 1 4. Rozmieszczenie przewodów linii przedstawiono na rysunku 2. Usytuowanie linii 15 kv pod liniami 110 kv daje ewidentne korzyści z punktu widzenia wykorzystania dostępnego dla lokalizacji terenu. Posiada jednak szereg wad, wśród których wymienić można konieczność wyłączenia toru 110 kv w przypadku wykonywania prac na znajdującym się pod nim torze 15 kv oraz indukowanie w odłączonych od zasilania torach 15 kv napięć, wywołanych oddziaływaniem elektromagnetycznym linii 110 kv. Szczególnie ten drugi aspekt ma dotkliwe skutki praktyczne ze względu na fakt występowania napięć na odłączonej od zasilania linii, a w dalszej konsekwencji m.in. brak możliwości jej uziemienia. W stosowanych obecnie
rozwiązaniach rozdzielnic w polach liniowych są wykorzystywane stacjonarne uziemniki, których zamknięcie jest dozwolone jedynie w warunkach braku napięcia na jego styku stałym. GPZ A 110 kv GPZ B Sieć 15 kv Tor nr 1, L = 34 km Tor nr 3, L = 5,3 km Tor nr 4, L = 8,7 km Tor nr 2, L = 19,3 km 15 kv 15 kv Sieć 15 kv GPZ C 110 kv Rys. 1. Schemat analizowanej sieci z czterotorową linią 110-15 kv O1 O2 L2 L2 Linia 110 kv Tor nr 1 L1 L1 Linia 110 kv Tor nr 2 L3 L3 Linia 15 kv Tor nr 3 L1 L3 L2 L2 L3 L1 Linia 15 kv Tor nr 4 Rys. 2. Układ przewodów czterotorowej linii 110-15 kv Blokada napędu uziemnika współpracuje najczęściej z przekaźnikiem blokady łączeniowej, uniemożliwiającym zamknięcie uziemnika, jeżeli napięcia fazowe uziemianej linii są wyższe niż 10% wartości napięcia znamionowego. Badania wykazały, że podczas eksploatacji czterotorowej dwunapięciowej linii elektroenergetycznej 110-15 kv dochodzi do indukowania w torach 15 kv napięć i prądów, mogących wpłynąć na eksploatację tej linii. Podstawowe znaczenie ma oddziaływanie pojemnościowe pomiędzy pracującymi torami 110 kv a wyłączonymi i nieuziemionymi torami 15 kv, w których indukowane są napięcia rzędu kilku kilowoltów. Napięcia te istotnie utrudniają eksploatację linii 15 kv, m.in. przez brak możliwości jej uziemienia ze względu na obecność napięcia powyżej 10% wartości napięcia
znamionowego. Napięcia te stanowią również zagrożenie porażeniowe dla pracowników wykonujących prace na linii. Uziemienie jedno lub dwustronne torów 15 kv eliminuje oddziaływanie pojemnościowe, lecz uwidacznia się wówczas oddziaływanie magnetyczne. Wartości indukowanych napięć są rzędu kilku-, kilkunastu woltów i są proporcjonalne do wartości prądów płynących w torach 110 kv. Przeprowadzone w układzie rzeczywistym pomiary i badania umożliwiły także weryfikację i udokładnienie modelu matematycznego analizowanych sieci 110 kv i 15 kv. Obliczenia prowadzone z jego wykorzystaniem dają wyniki zbieżne z pomiarami w sieci rzeczywistej. Dotyczy to zwłaszcza sprzężeń pojemnościowych, charakteryzujących się największymi wartościami napięć indukowanych na przewodach linii wyłączonych spod napięcia. W dalszej analizie posłużono się właśnie tymi modelami. Wykorzystując opracowany i przetestowany w praktyce model komputerowy rozważanej sieci, przeprowadzono analizę sposobów ograniczenia lub całkowitej eliminacji negatywnych skutków oddziaływania pomiędzy torami linii 110 kv a torami linii 15 kv. Sprawdzono rożne warianty, m.in. zainstalowanie baterii kondensatorów równoległych w torach 15 kv. Założono, że zastosowana bateria złożona będzie z trzech połączonych w gwiazdę kondensatorów jednofazowych o napięciu znamionowym 9122 V. Analizę przeprowadzono dla dwóch wartości mocy dołączanych kondensatorów wynoszących: 40 kvar (1,55 μf) na fazę oraz 80 kvar (3,10 μf) na fazę. Uzyskane obliczeniowo wyniki napięć indukowanych przedstawiono w tabeli. Analiza pokazała istotny wpływ dołączonych pojemności na wartości napięć indukowanych zarówno fazowych, jak i międzyfazowych w torach linii 15 kv. Przedstawione wyniki uzyskano przy założeniu uziemienia punktu gwiazdowego dołączonych kondensatorów. Jeżeli punkt gwiazdowy kondensatora nie zostanie uziemiony, to wartości napięć fazowych nie zmienią się znacząco w stosunku do układu istniejącego, ale napięcia międzyfazowe będą zbliżone do zamieszczonych w tabeli. Należy zauważyć, że dołączenie kondensatorów stanowi najbardziej efektywny sposób na obniżenie napięć indukowanych poniżej poziomu 866 V (10% napięcia znamionowego) umożliwiającego uziemienie linii 15 kv w stacji zasilającej. Pomiary wykonane w układzie rzeczywistym potwierdziły możliwość zastosowania równoległych baterii kondensatorów jako skutecznego sposobu obniżenia wartości napięć indukowanych w badanej sieci, a także efektywne działanie blokady napędu uziemnika. Tabela 1. Wartości napięć indukowanych w torach 15 kv z dołączonymi bateriami kondensatorów Wartości napięć indukowanych w torach 15 kv dla układu Faza istniejącego z baterią kondensatorów z baterią kondensatorów 3*40 kvar (3*1,55 µf) 3*80 kvar (3*3,10 µf) obliczone zmierzone obliczone zmierzone obliczone zmierzone L1 4699 V 3885 V 222,4 V 201 V 111,7 V 101 V L2 4792 V 3945 V 213,4 V 200 V 106,3 V 96 V L3 7553 V 6840 V 436,2 V 428 V 219,6 V 218 V L1-L2 171 V 30 V 18,4 V 2 V 20,5 V 0,9 V L2-L3 2761 V 2985 V 224,4 V 230 V 115,6 V 120 V L3-L1 2879 V 3060 V 213,9 V 230 V 108,1 V 119 V
Analiza oddziaływań pomiędzy zbliżonymi do siebie liniami elektroenergetycznymi Przedmiotem analizy jest układ przedstawiony na rysunku 3. Stanowią go dwie jednotorowe linie elektroenergetyczne o napięciu 400 kv (istniejąca) i 110 kv (projektowana). W odległości 25 km od rozdzielni A planowane jest poprowadzenie na długości 20 km (odcinek Z1 Z2) trasy linii 110 kv w pasie technologicznym linii 400 kv, który zgodnie z dokumentem [3] ma szerokość 70 metrów (po 35 m od osi linii w obie strony). W rozważanej koncepcji usytuowania linii 110 kv odległość pomiędzy osiami linii wynosi 30 m rysunek 4. Rys. 3. Schemat linii 110 kv zbliżonej do linii 400 kv Rys. 4. Linia 110 kv usytuowana w pasie technologicznym linii 400 kv
Analizując skutki oddziaływania linii 400 kv, rozpatrzono trzy grupy problemów: 1. warunki budowy linii 110 kv, 2. wpływ linii 400 kv na pracę linii 110 kv w stanach ustalonych i nieustalonych, 3. warunki wykonywania prac eksploatacyjnych na wyłączonej linii 110 kv. Do analizy indukowanych napięć i prądów podczas budowy linii 110 kv przyjęto układ modelowy przedstawiony na rysunku 5. Dotyczy on początkowej fazy montażu sekcji odciągowej, związanej z rozciąganiem linki pilotującej. Model składa się z ośmiu przęseł o jednakowej długości 300 m, utworzonych z dziewięciu słupów o rezystancji uziemienia wynoszącej 15 Ω. Celem analizy było wyznaczenie spodziewanych wartości napięć dotykowych i prądów rażeniowych w zależności od długości rozciągniętej linki pilotującej. Rys. 5. Model montażu sekcji odciągowej linii 110 kv Rozpatrzono następujące przypadki montażu: - brak uziemienia bębna i rolek prowadzących zawieszonych na izolatorach liniowych, - uziemienie bębna przez rezystancję R UB1 = 50 Ω oraz brak uziemienia rolek prowadzących, - uziemienie bębna przez rezystancję R UB1 = 50 Ω oraz uziemienie rolek prowadzących przez rezystancje słupów R US = 15 Ω. Rozważono następujące warianty pracy linii 400 kv: - stan pracy normalnej przy wartości napięcia 420 kv i prądu fazowego 2060 A, - stan zwarcia jednofazowego fazy L3 linii 400 kv przy wartości prądu oddziałującego I k = 8,16 ka. Na rysunku 6 przedstawiono napięcia dotykowe indukowane na początku i końcu rozwijanego odcinka, natomiast na rysunku 7 wartości prądów rażeniowych dla maksymalnej długości odcinka 2400 m.
a) b) Rys. 6. Napięcia dotykowe indukowane na początku (krzywe 1, 3, 5) i końcu (krzywe 2, 4, 6) rozwijanego odcinka podczas montażu sekcji odciągowej linii 110 kv: a) w stanie pracy normalnej linii 400 kv, b) podczas zwarcia jednofazowego linii 400 kv 1, 2 brak uziemienia bębna i rolek prowadzących zawieszonych na izolatorach liniowych; 3, 4 uziemienie bębna przez rezystancję R UB1 = 50 oraz brak uziemienia rolek prowadzących; 5, 6 uziemienie bębna przez rezystancję R UB1 = 50 oraz uziemienie rolek prowadzących przez rezystancje słupów R US = 15 Rys. 7. Prądy rażeniowe dla maksymalnej długości 2400 m rozwijanego odcinka, podczas montażu sekcji odciągowej linii 110 kv, w stanie pracy normalnej linii 400 kv (N) i podczas zwarcia jednofazowego linii 400 kv (Z) A brak uziemienia bębna i rolek prowadzących zawieszonych na izolatorach liniowych; B uziemienie bębna przez rezystancję R UB1 = 50 oraz brak uziemienia rolek prowadzących; C uziemienie bębna przez rezystancję R UB1 = 50 oraz uziemienie rolek prowadzących przez rezystancje słupów R US = 15 Z przeprowadzonej analizy spodziewanych napięć dotykowych i prądów rażeniowych wynika, że podczas budowy linii 110 kv w pasie technologicznym linii 400 kv może wystąpić zagrożenie porażeniowe nie tylko podczas zwarć, ale również w warunkach
normalnej pracy linii 400 kv. Występowanie zagrożenia porażeniowego jest praktycznie niezależne od sposobu uziemienia bębna, z którego rozwijana jest linka, oraz uziemienia rolek prowadzących. Analizując wpływ linii 400 kv na pracę linii 110 kv, rozważono następujące przypadki: - stan pracy normalnej linii 400 kv i 110 kv, - załączanie linii 400 kv, - zwarcie jednofazowe w linii 400 kv. Analiza wykazała, że po wybudowaniu linii 110 kv wpływ linii 400 kv na linię 110 kv jest znikomy. Dotyczy to zarówno normalnej (ustalonej) pracy linii 400 kv, jak i oddziaływań w stanach nieustalonych, wynikających z procesów łączeniowych i zwarć w linii 400 kv. a) b) c) Rys. 8. Warianty odłączenia linii 110 kv: a) brak uziemień, b) uziemienia jednostronne w rozdzielni C, c) uziemienie dwustronne w rozdzielniach C i D
Analizę warunków wykonywania prac eksploatacyjnych na wyłączonych 110 kv przeprowadzono dla trzech wariantów ich obustronnego odłączenia od zasilania: 1. przy nieuziemianiu ich końców rysunek 8a, 2. przy uziemianiu linii w rozdzielni C rysunek 8b, 3. przy uziemianiu linii w rozdzielni C i D rysunek 8c. Otrzymane wartości skuteczne napięć dotykowych i prądów rażeniowych wzdłuż linii 110 kv w funkcji odległości od rozdzielni C przedstawiono na rysunkach 9 i 10. Z obliczeń wynika, że podczas wykonywania prac eksploatacyjnych na linii 110 kv może wystąpić zagrożenie porażeniowe nie tylko podczas zwarć, ale również w warunkach normalnej pracy linii 400 kv. Występowanie zagrożenia porażeniowego jest praktycznie niezależne od sposobu uziemienia odłączonych od zasilania linii 110 kv. a) b) Rys. 9. Wartości napięć dotykowych wzdłuż linii 110 kv w funkcji odległości od rozdzielni C: a) w stanie pracy normalnej linii 400 kv, b) podczas zwarcia jednofazowego linii 400 kv 1 brak uziemienia linii 110 kv; 2 uziemienie w rozdzielni C; 3 uziemienie w rozdzielniach C i D a) b) Rys. 10. Wartości prądów rażeniowych wzdłuż linii 110 kv w funkcji odległości od rozdzielni C: a) w stanie pracy normalnej linii 400 kv, b) podczas zwarcia jednofazowego linii 400 kv 1 brak uziemienia linii 110 kv; 2 uziemienie w rozdzielni C; 3 uziemienie w rozdzielniach C i D
Podsumowanie Zastosowanie wielotorowych, wielonapięciowych linii elektroenergetycznych, poza istotnymi zaletami, charakteryzuje się oddziaływaniami elektromagnetycznymi mogącymi w istotny sposób utrudnić eksploatację takich linii. Należy tu wskazać nie tylko na brak możliwości ich uziemienia, ale również na zwiększone zagrożenie porażeniowe pracowników. W przypadku wykonywania prac eksploatacyjnych lub remontowych należy liczyć się z występowaniem niebezpiecznych napięć dotykowych i prądów rażeniowych. Ma to miejsce przede wszystkim przy braku uziemienia odłączonych torów 15 kv, jednak zagrożenie może również wystąpić przy jednostronnym uziemieniu, np. podczas zakładania oraz demontażu przenośnych uziemiaczy na stanowisku pracy. Wzajemne zbliżenie na znacznej długości linii elektroenergetycznych może również prowadzić do oddziaływań elektromagnetycznych istotnych z punktu widzenia ich budowy i eksploatacji. Przedstawiona w artykule analiza pokazała, że podczas budowy linii 110 kv w pasie technologicznym istniejącej linii 400 kv może wystąpić zagrożenie porażeniowe. Może wystąpić ono nie tylko podczas zwarć w linii 400 kv, ale również w warunkach jej normalnej pracy. W przypadku wykonywania prac eksploatacyjnych na odłączonej od zasilania linii 110 kv należy również liczyć się z występowaniem niebezpiecznych napięć dotykowych i prądów rażeniowych. Zagrożenie to może występować zarówno podczas zwarć, jak i w warunkach normalnej pracy linii 400 kv. Należy podkreślić, że występowanie zagrożenia porażeniowego jest praktycznie niezależne od sposobu uziemienia odłączonych od zasilania linii 110 kv. Literatura 1. Bąchorek W., Kot A., Nowak W., Szpyra W., Tarko R., Problemy projektowania i eksploatacji napowietrznych linii elektroenergetycznych w aspekcie pól elektromagnetycznych, V Konferencja Naukowo- Techniczna Elektroenergetyczne linie napowietrzne, PTPiREE, Dźwirzyno, 15 maja 2012 r., s. 6-1 6-11. 2. Nowak W., Tarko R., Jaglarz A., Kozioł J., Analiza warunków eksploatacyjnych linii 110 kv Klikowa Połaniec i 220 kv Klikowa Niziny w aspekcie oddziaływania elektromagnetycznego,,,energetyka 2006 nr 2, s. 118 123. 3. PSE Operator SA, Linia napowietrzna 400 kv, Standardowe Specyfikacje Techniczne, Konstancin-Jeziorna, 2009. 4. Nowak W., Tarko R., Analysis of the feasibility of locating 110 kv line in 400 kv right-ofway in terms of electromagnetic interaction,,,acta Energetica no. 1/14, 2013, pp.102-113. 5. Nowak W., Tarko R., Analiza możliwości lokalizacji linii 110 kv w pasie technologicznym linii 400 kv w aspekcie oddziaływań elektromagnetycznych,,,zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej nr 32, 2013, s.19-22.