Aleksandra RAKOWSKA Politechnika Poznańska, Instytut Elektroenergetyki Linie kablowe najwyższych napięć prądu przemiennego Streszczenie. Rozwój linii kablowych wysokiego napięcia powodowany jest między innymi reakcją społeczeństwa przeciwko budowaniu nowych linii napowietrznych wysokich i najwyższych napięć. Jednakże rozbudowa linii kablowych napotyka na pewne ograniczenia techniczne. Abstract. The expansion of high voltage cable lines construction is a result of, among the others, the increasing objections of local communities against building of new overhead power lines working with high and extra high voltage. But also the construction of new cable lines encounters certain technical limitations (HV power cable lines AC). Słowa kluczowe: linie kablowe wysokich i najwyższych napięć. Keywords: HV and EHV cable lines. Wstęp Budowa nowych linii napowietrznych wysokich i najwyższych napięć budzi sprzeciw społeczny jest to obserwowane obecnie na całym świecie. Akceptowalną alternatywą jest linia kablowa. Jednakże występują pewne, głównie technicznie i ekonomicznie uzasadnione ograniczenia w bardzo szerokim instalowaniu linii kablowych, szczególnie linii o znaczących długościach. Dotychczas projektowane i budowane linie kablowe wysokich (WN) i najwyższych napięć (NN), ze względów ekonomicznych i technicznych, są realizowane najczęściej na terenie dużych aglomeracji miejskich lub przemysłowych (wyjątek - linia Jutland w Danii). Także w wielu miastach polskich są przykłady zastępowania jednego lub kilku przęseł linii napowietrznych 110 kv linią kablową jest to rozwiązanie techniczne ze wszech miar polecane. Tylko w wyjątkowych warunkach inwestycje kablowe są budowane na terenach otwartych, a wówczas dotyczy to tylko przypadków szczególnych np. rezerwatów przyrody. Natomiast na terenach zurbanizowanych z reguły takie linie muszą być prowadzone w tunelach co z kolei znacznie podwyższa koszt budowy i eksploatacji linii [1]. W ramach prac prowadzonych przez CIGRE od wielu już lat zbierane i analizowane są dane statystyczne pozwalające ocenić długość eksploatowanej na całym świecie sieci kablowej WN i NN. Poprzednie takie prace opublikowano w 1996 roku, a najnowsze zakończono w grudniu 2007 roku [2]. Zebrane dane z kilkudziesięciu państw charakteryzują stan na koniec 2006 r. Ze względu na zróżnicowane poziomy napięć w poszczególnych państwach przyjęto pięć poziomów napięć linii kablowych dla których zgrupowano uzyskane informacje. W tabeli 1 zestawiono długość linii napowietrznych i kablowych na napięcie powyżej 50 kv. Tabela 1. Sumaryczna długość linii kablowych dla państw, w których długość linii kablowych na napięcie powyżej 50 kv przekracza 1000 km [2] Długość linii kablowych [km] na napięcie: Kraj 50-109 110-219 220-314 315-500 Dania 1 930 515 52 Francja 2 316 1 903 2 Hiszpania 509 181 479 80 Holandia 2 558 1 068 6 7 Japonia 11 760 1 769 1 440 123 Korea 2 2 144 221 Niemcy 857 4 972 45 65 Singapur 1 185 651 111 USA 946 2 904 663 536 W. Brytania 1 457 2 967 496 166 Włochy 907 197 34 Analiza stanu sieci elektroenergetycznej wysokich i najwyższych napięć pokazała, że nadal linie napowietrzne wyraźnie dominują w systemie elektroenergetycznym niezależnie od poziomu napięcia. W różnych państwach kształtuje się to nieco odmiennie, jednakże generalnie w zakresie napięć 50-109 kv linie napowietrzne stanowią 93% sieci, a w przypadku napięcia 501-764 kv to aż 100%. Na rysunku 1 pokazano procentowy udział linii kablowych dla poszczególnych poziomów napięcia. 7,0% 6,0% 5,0% 4,0% 3,0% 2,0% 1,0% 0,0% 50-109 kv 110-219 kv 220-314 kv 315-500 kv 501-764 kv Rys. 1. Procentowy udział linii kablowych w sieci dla poszczególnych poziomów napięć [2] W tabeli 2 przedstawiono długość linii kablowych na napięcie 110-219 kv czyli dla poziomu napięcia, który obejmuje linie kablowe 110 kv, a dla tego napięcia w naszym kraju obecnie i w najbliższych latach należy spodziewać się najbardziej dynamicznego rozwoju [3]. Tabela 2. Porównanie danych dotyczących długości linii kablowych na napięcie 110 219 kv; dane zebrane przez CIGRE [2] Stan na koniec roku Przyrost linii Kraj 1996 2006 kablowych [%] Australia 679 201-70 Austria 485 757 56 Belgia 140 311 122 Kanada 550 398-28 Dania 210 515 145 Finlandia 47 280 496 Niemcy 4 400 4 972 13 Irlandia 84 171 104 Włochy 280 907 224 Japonia 1 532 1 765 15 Holandia 747 1 068 43 Hiszpania 186 181-3 Szwecja 100 334 234 Szwajcaria 400 547 37 W. Brytania 2 431 2 967 22 USA 448 2 904 548 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 84 NR 4/2008 39
Procentowy przyrost długości linii kablowych w USA, Finlandii, Szwecji i we Włoszech może budzić zazdrość wielu energetyków. Natomiast zgodne ze stanem na koniec 2006 roku zmniejszenie długości linii kablowych w porównaniu do długości zarejestrowanej na końcu 2006 roku w sieci trzech państw nie powinna dziwić, ponieważ świadczy to o przebudowie dotychczas eksploatowanych na napięciu 110-219 kv linii kablowych i przejście na wyższe poziomy napięcia, co zapewnia zwiększenie zdolności przesyłowych linii. Oczywisty jest fakt, że wśród kabli WN i NN na pierwsze miejsce wysunęły się kable z izolacją z polietylenu usieciowanego (XLPE). I to z wielu względów, ale przede wszystkim związane jest to z bardzo dobrą jakością tych kabli oraz wyjątkowo pozytywnymi doświadczeniami eksploatacyjnymi [4, 5, 6, 7]. Produkcją kabli elektroenergetycznych na najwyższych i ekstra wysokich napięć (NN lub EHV) mogą pochwalić się fabryki kabli z kilku krajów europejskich oraz między innymi z Japonii, Korei oraz z Chin. Obecnie coraz częściej instalowane są linie kablowe na napięcie 400 kv (420 kv napięcie maksymalne). Dodatkowo w kablach tych przekrój żyły roboczej wynoszący 2500 mm 2 powoli także staje się standardem [8]. W tabeli 3 zestawiono kilkanaście linii kablowych oddanych do eksploatacji w ostatnich latach. Tabela 3. Największe linie kablowe najwyższych napięć [5] Państwo Licz Przekrój Rok Dł. Nap ba żyły oddania linii toró robocz. do [km] w [mm 2 ] ekspl. Dania, Kopenhaga, etap południowy I 400 22,0 1 1600 Cu 1997 Dania, Kopenhaga, etap północny II 400 12,0 1 1600 Cu 1999 Niemcy, Berlin Mitte-Friedrichshain 400 6,3 2 1600 Cu 1998 Niemcy, Berlin Friedrichshain - 400 5,5 2 1600 Cu 2000 Marzhn Japonia, Tokio 500 39.8 2 2500 Cu 2000 Zjednoczone 800 400 1,3 4 Emiraty Abu Dhabi Cu 2000 Wielka Brytania NGC, Dartford 400 4,8 1 2500 Cu 2003 Hiszpania, Madryt 400 12,8 2 2500 Cu 2004 Dania, Jutlandia 400 14,5 2 1200 Al 2004 Wielka Brytania, Londyn 400 20,0 1 2500 Cu 2005 Holandia, Rotterdam 400 2,25 1 1600 Cu 2005 Austria, Wiedeń 400 5,2 2 1200 Cu 2005 Włochy, Mediolan 380 8,3 2 2000 Cu 2006 Irak SOE Iraq 400 0,6 1 1600 Cu 2006 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 50-109 kv 110-219 kv 220-314 kv 315-500 kv Interesujące są dane dotyczące udziału linii ułożonych kablami o izolacji wytłaczanej w ogólnej długości linii kablowych dla 5 poziomów napięcia (rysunek 2) stan na koniec 2006; dane CIGRE. Mniejszy udział kabli o izolacji wytłaczanej w liniach kablowych na wyższe napięcia odzwierciedla etapy rozwoju jakości i technologii produkcji tych kabli. Kable o izolacji wytłaczanej na niskie napięcia (czyli z niższymi natężeniami pola elektrycznego w izolacji) były opracowane i zainstalowane w systemie elektroenergetycznym wcześniej, natomiast kable wysokich i najwyższych napięć (o znacząco wyższym roboczym natężeniu pola elektrycznego) znacznie później [8]. Kable o izolacji wytłaczanej na napięcie powyżej 50 kv stosowane są od początku lat sześćdziesiątych, a kable na napięcie 400-500 kv nie były właściwie układane przed rokiem 2000 [9,10]. Praca linii kablowych WN i NN w systemie elektroenergetycznym Linie kablowe najwyższych napięć prądu przemiennego coraz częściej pracują w systemach przesyłowych jako ich części. Konieczność zastąpienia odcinka linii napowietrznej linią kablową, wynika z faktu, że coraz trudniej zlokalizować napowietrzne linie WN i NN na terenach wysoko zurbanizowanych, gdzie dodatkowo mogą prężnie działać różnego rodzaju grupy nacisku społecznego. Tylko w wyjątkowych przypadkach inwestycje kablowe są budowane na terenach otwartych, a wówczas dotyczy to tylko przypadków szczególnych np. rezerwatów przyrody. Kabel w takich przypadkach może być zakopany bezpośrednio w gruncie. Na terenie aglomeracji ze względu na istniejącą infrastrukturę stosowanie bezpośredniego układania linii kablowej w ziemi często nie jest możliwe [1]. Poważnym problemem, który musi być uwzględniony w procesie projektowania linii kablowych, jest fakt, że najwyższa aktualnie uzyskana zdolność przesyłowa zbudowanej linii kablowej 400 kv nie przekracza 1500 MVA. Wielotorową linię wysokiego i najwyższego napięcia, trzeba zastąpić równoważną wielotorową linię kablową. W tym celu konieczne jest zajęcie znacznego pasa terenu, aby zapobiec wzajemnemu oddziaływaniu na siebie kabli i umożliwić ewentualne prace eksploatacyjne. Dodatkowo poszerzenie tego pasa może być spowodowane koniecznością zainstalowania dwóch lub więcej torów linii aby zapewnić wymaganą moc przesyłową, równą mocy linii napowietrznej. W ramach prac wykonywanych dla PSE S.A. przez zespół z Politechniki Poznańskiej w roku 2005 rozpatrywano możliwości zastąpienia odcinkiem linii kablowej fragmentu wielotorowej linii napowietrznej 2 x 400 kv + 2 x 220 kv. Zaproponowano wówczas rozwiązanie przedstawione na rysunku 3, które zapewniało równoważność zdolności przesyłowej proponowanych linii kablowych z budowaną wówczas linią napowietrzną [11]. Budując wielotorową linię kablową WN i NN konieczne jest zajęcie znaczącego pasa terenu, aby zapobiec wzajemnemu oddziaływaniu na siebie kabli [12]. Dodatkowo poszerzenie tego pasa może być spowodowane koniecznością zainstalowania dwóch lub więcej kabli elektroenergetycznych na jedną fazę aby zapewnić wymaganą moc przesyłową, równą mocy tej linii napowietrznej, której fragment ma być linią kablową [13]. Rys. 2. Procentowy udział kabli o izolacji wytłaczanej w sumarycznej długości linii kablowych [2] 40 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 84 NR 4/2008
a) b) niewiele przekracza 1500 MVA. [3]. Na rysunku 5 pokazano średnią moc przesyłową linii kablowych dla danych statystycznych zebranych przez CIGRE WG B1-07 [2]. [MVA] 2000 1500 1000 500 0 50-109 kv 110-219 kv 220-314 kv 315-500 kv Rys.3. Wymagany pas terenu przy zastąpieniu linii napowietrznej linią kablową, a) 4 tory linii kablowej 220 kv i 400 kv [11]; b) przewód budowanej linii napowietrznej 400 kv, c) widok sylwetki słupa zdjęcie wykonano podczas budowy linii 2 x 400 kv + 2 x 220 kv (zdj. W.Król) Rys. 4. Przykładowe porównanie wymiarów kabla 400 kv i przewodu linii napowietrznej o porównywalnych zdolnościach przesyłowych [2] Tabela 4. Parametry przewodu linii napowietrznej oraz żyły kabla o porównywalnych zdolnościach przesyłowych (dane kompletnego kabla podano dla celów porównawczych) [2] Element Przewód linii napowietrznej Żyła robocza kabla Kabel elektroenerg. Materiał c) Przekrój [mm 2 ] Śred. [mm] Masa [kg/km] Rezystan. [Ω/km] stop Al 821 37,3 2,3 0,039 Cu 2 500 64,0 22 0,007 149,0 39 Na rysunku 4 oraz w tabeli 4 pokazano przykładowe wymiary przewodu linii napowietrznej oraz kabla 400 kv o porównywalnych zdolnościach przesyłu energii elektrycznej [2]. Innym poważnym ograniczeniem stosowania linii kablowych NN jest fakt, że najwyższa aktualnie uzyskana zdolność przesyłowa zbudowanej linii kablowej np. 400 kv Rys. 5. Średnia moc przesyłowa (wyrażona w MVA) linii jednotorowej dla poszczególnych poziomów napięć [13 wg.2] Kompensacja mocy biernej Linia elektroenergetyczna, bez względu na jej rodzaj, jest zarówno odbiornikiem mocy biernej (straty wzdłużne mocy biernej wywołane przesyłem mocy), jak i źródłem tej mocy (moce płynące gałęzią poprzeczną - tzw. moc ładowania linii). Moc bierna generowana lub pobierana przez linię elektroenergetyczną zależy od stopnia obciążenia tej linii. W systemie elektroenergetycznym linia kablowa zachowuje się jak kondensator. Kiedy jest podłączona do napięcia przemiennego podległa nieustannemu ładowaniu i rozładowywaniu. Dla kabli 400 kv prąd ładowania jest około 10-40 razy większy od analogicznego prądu pojawiającego się w przewodach linii napowietrznych [2]. Dlatego dla dłuższych linii kablowych konieczne jest instalowanie dławików (jako źródeł indukcyjnych) w celu kompensacji mocy biernej. Urządzenie to wraz z konieczną aparaturą łączeniową i elementami łączeniowymi podraża koszt linii kablowych. Ze względów praktycznych wskazane jest montowanie kompensatorów bezpośrednio w stacji, z której linia kablowa wychodzi (lub dochodzi) lub w miejscu łączenia linii kablowej z linią napowietrzną. Konieczność przesyłu energii elektrycznej na dalsze odległości wymaga budowy linii o znacznych długościach. W polskim systemie elektroenergetycznym pracują więc linie napowietrzne o długościach 100 lub 200 km. Przy rozpatrywaniu zjawisk zachodzących w systemie konieczna jest znajomość stosunku pomiędzy indukcją i pojemnością fizycznie reprezentowanego przez impedancję linii. Impedancja zastępcza linii kablowej jest znacznie mniejsza niż dla równoważnej linii napowietrznej. Moc bierna pojemnościowa linii kablowych staje się bardzo ważnym elementem, który należy uwzględnić przy pracach projektowych szczególnie w przypadku linii na wyższe napięcia. W tabeli 5 zestawiono dane charakteryzujące moc bierną powstającą w liniach nieobciążonych [2]. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 84 NR 4/2008 41
Tabela 5. Wybrane dane dla linii nie obciążonych WN [2] Przewód Nap. Rodzaj C L (żyła) linii [μf/km] [mh/km] /materiał Qc [Mvar /km] 66 napow. 524, Al 0,010 1,440 0,01 66 kablowa 300, Cu 0,178 0,768 0,20 150 napow. 52/591, stal-al 0,011 1,115 0,10 150 kablowa 1200, Al 0,191 0,592 1,30 400 napow. 92/591, stal-al 0,015 0,800 0,70 400 kablowa 2000, Cu 0,200 0,756 10,00 400 kablowa 2500, Cu 0,240 0,724 12,10 Istnieje dodatkowo kilka ograniczeń eksploatacyjnych związanych z zastosowaniem linii kablowej, jako linii przesyłowej [13]. Najważniejsze ograniczenia to: - moc ładowania linii kablowej 400 kv jest 20..krotnie większa od mocy ładowania linii napowietrznej, co wymaga zastosowania głębokiej regulacji napięcia i dławików równoległych, - linia kablowa 400 kv włączona szeregowo do linii napowietrznej wymaga doboru nowych, specjalnie dobranych zabezpieczeń elektroenergetycznych, - linia wielotorowa, często wielonapięciowa ogranicza dodatkowo zdolności przesyłowe chyba, że pas terenu zajęty przez takie linie będzie bardzo szeroki i nie wystąpi cieplne oddziaływanie wzajemne kabli, - prowadzenie badań odbiorczych linii kablowej wymaga zastosowania specjalistycznej i kosztownej aparatury pomiarowej; jak dotychczas w Polsce nie posiadamy tego typu zestawu probierczego, - ze względu na ważność linii w systemie elektroenergetycznym oraz wartość zainwestowanego majątku wskazana jest konieczność ciągłego monitoringu stanu linii przez cały czas jej eksploatacji. Przykłady inwestycji światowych wykazują, że aktualnie zbudowane i uruchomione linie kablowe najwyższych napięć prądu przemiennego (powyżej 110 kv) łączą ze sobą stacje energetyczne, a nie słupy krańcowe wyposażone tylko w głowice i ograniczniki przepięć. Stacje takie muszą być między innymi wyposażone w dławiki równoległe. Dławiki stanowią urządzenie o dużych gabarytach, kosztowne i najczęściej o układach izolacyjnych wykorzystujących olej co może być nie zawsze akceptowalne ze względów środowiskowych. W chwili obecnej najczęściej stosowanymi rozwiązaniami jest zastępowanie odcinka przesyłowej linii napowietrznej, równoważną linią kablową (mixed line). Potrzeba taka występuje głównie w przypadkach zasilania dużych aglomeracji miejskich lub przekroczeń rzek czy też dużych zbiorników wodnych. Wymaga to przeprowadzenia szerokiej analizy. Ważnym elementem w prowadzonej analizie jest usytuowanie odcinka linii kablowej w systemie elektroenergetycznym, gdyż od tego będzie zależało, w jaki sposób będzie można dostarczyć do układu przesyłowego moc bierną. Takie przypadki są opisane w literaturze [14, 15] i odnoszą się głównie do kabli NN pracujących w dużych aglomeracjach miejskich takich jak: Wiedeń, Londyn, Berlin czy Kopenhaga. Jednak i tam projektanci dążyli do maksymalnego ograniczenia długości odcinków linii kablowych, które nie przekraczają kilku km. Jedyne dłuższe odcinki linii przesyłowych NN pracują w Wielkiej Brytanii i Danii [5, 15]. W niektórych przypadkach zastąpienie linii napowietrznej równoważną linią kablową wymaga wprowadzenia linii kablowych wielotorowych [16]. Przeprowadzone obliczenia i zestawienie wyników wykazują, że możliwość zastąpienia linii napowietrznych przesyłowymi liniami kablowymi NN jest częściowo ograniczone. Jak wspomniano poprzednio, moc ładowania generowana przez linię kablową o napięciu np. 400 kv jest wielokrotnie wyższa od mocy generowanej przez linię napowietrzną o podobnych możliwościach przesyłowych. Z drugiej strony moc ładowania jednego toru linii napowietrznej 400 kv o długości ponad 100 km jest też niebagatelna i przekracza wartość 50 Mvar. Problematyka kompensacji mocy ładowania linii kablowych WN i NN jak dotychczas nie jest wyczerpująco i precyzyjnie opisywana w literaturze technicznej. Nieliczne z publikacji, zwracające uwagę na ważkość tego problemu [17] i przedstawiają przyjęte rozwiązania. Problem generacji mocy biernej przez linie kablowe wysokiego napięcia, pracujących w głębi sieci, a nie bezpośrednio przy elektrowni, można opanować jedynie poprzez instalacje w takich liniach dławików równoległych [17]. W przypadku linii kablowej 400 kv, gdyby chcieć zachować pełny stopień kompensacji, dławiki równoległe o mocy 10 Mvar musiałyby być montowane co ok. 1000 m, w każdym z dwóch torów linii kablowej - a więc praktycznie przy każdej mufie kablowej. Aktualnie w krajowej sieci przesyłowej pracuje jedynie kilka dławików równoległych o mocach znamionowych rzędu 50 Mvar, są one przyłączone w wybranych węzłach sieci (między innymi w stacji Ostrów) do trzeciego uzwojenia transformatorów 400/110 kv lub 400/220 kv [13]. Należy przyjąć, że dla dłuższych linii kablowych konieczne jest instalowanie dławików (jako źródeł indukcyjnych) w celu kompensacji mocy biernej. Urządzenie to wraz z konieczną aparaturą łączeniową i elementami łączeniowymi podrażają koszt linii kablowych. Ze względów praktycznych wskazane jest montowanie kompensatorów bezpośrednio w stacji, z której linia kablowa wychodzi (lub dochodzi) lub w miejscu łączenia linii kablowej z linią napowietrzną. Jak wspomniano już poprzednio, moc ładowania kabli WN i NN powinna być kompensowana z trzech przyczyn: - łagodzeniu zjawisk towarzyszących załączaniu kabla, - zachowaniu optymalnych możliwości przesyłowych kabla, - minimalizowaniu problemów napięciowych w sieci przesyłowej WN i NN. Zaprojektowanie i optymalizacja liczby elementów kompensacyjnych w linii kablowej jest procesem złożonym. W procesie tym musi być branych pod uwagę wiele czynników: - jako pierwszy i najważniejszy rozwiązanie musi być ekonomicznie uzasadnione (efektywne), - powinien być możliwy przesył przewidywanej mocy przesyłowej, bez przekroczenia dopuszczalnego obciążenia prądowego kabla, - odległość pomiędzy reaktancjami powinna być liczbą całkowitą - krotnością długości kabla na bębnie ponieważ w innym przypadku spowoduje dodatkowe koszty instalacji linii, - powinno być możliwe zastosowanie tego samego środka transportu do przewozu dławików równoległych i bębnów kablowych, - przyjęte rozwiązanie ostateczne musi być przyjazne dla środowiska. Przykład rozwiązania kompensacji mocy biernej przy pomocy dławika zastosowanego w stacji Sydney South przy budowie wysokonapięciowej kablowej linii przedstawiono na rysunku 6 [18]. Zainstalowany jest on w linii 330 kv MetroGrid. Dławik ten o wysokości 10 m i masie 180 ton został zaprojektowany i wykonany w fabryce ABB Ludvika w Szwecji. Jest to rozwiązanie unikatowe, skompletowane w lutym 2004, załączone do sieci w marcu 2004 r rys.6. Jak widać kompensacja mocy biernej dla dłuższych odcinków linii kablowych WN i NN wiąże się z koniecznością zainstalowania dławików o dość znaczących wymiarach. Na tej samej stacji znajduje się już inny dławik - zainstalowany w 2003 roku. 42 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 84 NR 4/2008
Linia MetroGrid została zaprojektowana dla poprawy bezpieczeństwa zasilania ludności mieszkającej na południowym obrzeżu Sydney. Linia o długości 27 km została podłączona do nowej stacji na terenie Haymarket. Pozwoli to w okresie najbliższych lat zminimalizować niebezpieczeństwo blackout-u. Inwestorem, a także właścicielem tej linii oraz stacji jest TransGrid. Jest to jedna z największych firm odpowiedzialnych za przesył energii, a jest operatorem i właścicielem systemu przesyłowego w New South Wales [19]. Rys. 7. Dławik trójfazowy do kompensacji mocy biernej w linii 400 kv (160 MVAr) [2] Rys. 6. Dławik do kompensacji mocy biernej linii MetroGrid 330 kv [18] Stosowanie kompensacji mocy biernej wymagane jest z trzech powodów: - kompensacji wysokiego prądu pojemnościowego (optymalizacji sprawności przesyłowej linii), - kontroli poziomu napięcia w sieci, - odbudowy systemu (black start) dla elektrowni z długimi przyłączeniami kablowymi. Dodatkowo kompensatory zwiększają sprawność przesyłu energii oraz elastyczność systemu. Tak jak wspomniano, instalowane są z reguły na końcach linii kablowej w stacjach lub jeżeli jest to konieczne przy bardzo długich liniach w miejscach łączenia linii kablowych z liniami napowietrznymi. Nie jest wskazane instalowanie kompensatorów w środku bardzo długich linii kablowych. Na rysunku 7 przedstawiono inny 3-fazowy dławik do kompensacji mocy biernej w linii kablowej 400 kv. Dławik ten waży 160 ton, a jego wymiary to 9 m x 6 m x 9 m [2]. Kompensację mocy biernej pojemnościowej zastosowano także w układzie przesyłowym 400 kv Jutland (Dania) [16, 20]. W układzie tym trzy wstawki (tzw. syfony kablowe ) stanowią fragmenty linii przesyłowej 400 kv. Pierwsza wstawka ma długość 4,5 km i przecina dolinę oraz rzekę Gudenaaen, następna ma 2,8 km długości i przechodzi przez Mariager Fjord. Trzecia to 7,4 km linii kablowej ułożonej w dolinie Indkildedalen [12]. Kable 400 kv pobierają około 10,5 Mvar mocy pojemnościowej na jeden kilometr. Oznacza to, że linii dwa tory linii o długości 14,7 km pobierają blisko 300 Mvar mocy biernej pojemnościowej. Kompensowana jest ona przy użyciu dwóch dławików (kompensatorów) (100 Mvar i 140 Mvar), które podłączone są bezpośrednio do linii. Pozostałe dwa kompensatory (po 70 Mvar) mogą być załączane i wyłączane w razie potrzeby. Pierwszy dławik 100 Mvar podłączony jest do linii w stacji w pobliżu odcinka kablowego o długości 7.4 km. Drugi kompensator o mocy 140 Mvar znajduje się również bezpośrednio przy drugim końcu linii kablowej. W tej stacji zamontowano również oba kompensatory o mocy 70 Mvar, które są wyposażone w system regulacji działający przy zmianach obciążenia. Trasę linii przesyłowej wraz z wstawkami kablowymi oraz widok jednej ze stacji przedstawiono na rysunku 8. Rys. 8. Trasa linii przesyłowej 400 kv Jutland (Dania) i widok stacji końcowej z zamontowanym dławikiem [16, 20] Najnowsze rozwiązania konstrukcyjne służące do kompensacji mocy biernej to Static VAR Compensator (SVC) oparte na Thyristor Controlled Reactors (TCR). Jest to energoelektroniczne urządzenie pozwalające szybko reagować na zmiany obciążenia w wysokonapięciowym systemie elektroenergetycznym. SVC jest częścią Flexible Alternating Current Transmission System (FACTS) [21]. Widok takiego urządzenia przedstawiono na rysunku 9. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 84 NR 4/2008 43
Rys. 9. Thyristor Controlled Reactors w linii 230 kv, z możliwością płynnej regulacji mocy biernej w granicach 0-100 Mvar [21] Obecnie w krajowej sieci przesyłowej występuje nadwyżka mocy ładowania linii (problem ten dotyczy głównie linii 220 i 400 kv w okresie tzw. doliny nocnej) nad stratami wzdłużnymi w tych liniach. Powoduje to wzrost napięć ponad wartości dopuszczalne. Ograniczenie tego zjawiska może być dokonana poprzez: - wyłącznie wszelkich lokalnych źródeł mocy biernej w węzłach 110 kv, - zmiany nastaw regulatorów generatorów w elektrowniach lokalnych, - załączenie odbiorników mocy biernej (np. dławików równoległych), - rozstrojenie przekładni transformatorów pracujących równolegle w węzłach sieciowych 400/110 i 220/110 kv w celu zwiększenia strat sieciowych mocy biernej, - obniżenie wartości zadanych regulatorów generatorów w elektrowniach podstawowych, przyłączonych poprzez transformatory blokowe do sieci przesyłowej, do granic określonych obszarem dopuszczalnych stanów pracy tych generatorów. W przypadku, gdy wymienione działania nie doprowadzają do spodziewanych efektów (obniżenia napięć), jedynym sposobem obniżenia napięcia jest wyłączenie linii przesyłowych 400 kv. Sposób ten jednak prowadzi do zmniejszenia niezawodności pracy systemu elektroenergetycznego i wymaga przeprowadzenia analizy czy wyłączenie konkretnej linii nie spowoduje poważnych konsekwencji w pracy krajowej sieci elektroenergetycznej z wystąpieniem awarii katastrofalnej (black-out) włącznie. W chwili obecnej nie projektuje się w naszym kraju dłuższych linii przesyłowych linii kablowych NN. Problemem jest natomiast zastąpienie odcinka przesyłowej linii napowietrznej, równoważną linią kablową (mixed line). Potrzeba taka występuje głównie w przypadkach zasilania dużych aglomeracji miejskich lub przekroczeń rzek czy też dużych zbiorników wodnych. Wymaga to przeprowadzenia szerokiej analizy. Ważnym elementem w prowadzonej analizie jest usytuowanie odcinka linii kablowej w systemie elektroenergetycznym, gdyż od tego będzie zależało, w jaki sposób będzie można dostarczyć do układu przesyłowego moc bierną. W Polsce uruchomiono (bez kompensacji mocy biernej) linię kablową 110 kv, wyprowadzoną bezpośrednio z elektrowni Bełchatów. Jest to linia jednotorowa o długości ponad 8,3 km na trasie Elektrownia Bełchatów Gmina Kleszczów [22]. Do wykonania linii użyto kable o odcinkach 980 m, a dostarczano je na bębnach o średnicy 3,2 m. Masa bębna z odcinkiem kabla wynosiła 14 ton. Zastosowane do wyprowadzenia mocy odcinki kablowe w elektrowniach są krótkie i łączą transformatory blokowe z rozdzielnią systemową. Ze względu na możliwość wytworzenia mocy biernej pojemnościowej przez generator nie jest wymagane stosowanie kompensatorów. Przykładem takim są dwa odcinki linii kablowej 220 kv i 400 kv łączące transformatory blokowe z rozdzielnią systemową w elektrowni Pątnów. Kompensacja mocy pojemnościowej, generowanej przez kable NN, stanowi nie tylko problem techniczny, ale także poważny problem ekonomiczny. Długość linii kablowej limitowana jest również stratami, które będą powstawały w wyniku przepływu prądu w żyle powrotnej lub w powłokach metalowych kabli. Trwają intensywne prace Grupy Roboczej CIGRE WG B1-18, których celem jest opracowanie specjalnego systemu crossbondingu w wysokonapięciowych liniach kablowych. W publikacji [23] podano założenia metod pozwalających straty te minimalizować. Kolejny limit długości linii kablowych WN i NN związany jest ze zdolnością łączeniową możliwych do wykorzystania wyłączników w sieci elektroenergetycznej. Pole magnetyczne Nie rozpatrywane jeszcze kilka lat temu zagadnienie możliwości generowania pola elektromagnetycznego, a właściwie przede wszystkim pola magnetycznego przez linie kablowe WN i NN obecnie stanowi ważny punkt przy projektowaniu linii kablowych, czasami wręcz decydujący o wielu aspektach nowej instalacji. Problem z koniecznością obniżania poziomu pola magnetycznego wokół linii kablowych skutkuje stosowaniem różnego typu środków zaradczych. w celu obniżenia pola magnetycznego działa obecność płaskich blach z materiałów o wysokiej przewodności właściwej Może to być przykładowo układanie bezpośrednio nad kablem blachy z takich materiałów jak miedź i aluminium. Badania ukształtowania ekranów prowadzono między innymi we Włoszech w CESI. Ekranowanie pola magnetycznego uzyskuje się również poprzez stosowanie osłon z materiałów ferromagnetycznych, które pole magnetyczne przyciągają i je absorbują. Na rysunku 10 pokazano zastosowanie ferromagnetycznych rur wykonanych z niskowęglowej stali dla ekranowania wysokonapięciowych kabli. W rozwiązaniu tym trzy rury z tworzywa sztucznego są wsunięte do rury ekranującej, która w końcowym etapie instalowania linii kablowej jest wypełniana betonem. Rury pokryte są warstwą polietylenu jako zabezpieczeniem antykorozyjnym. Miejsce połączenia każdorazowo zabezpieczano osłona polietylenową. Po takim przygotowaniu rur i umieszczeniu w rowie kablowym kable energetyczne były w poszczególne rury z tworzywa. Takie rozwiązanie zastosowano między innymi w mieście Genua (rysunek 10) i w małej miejscowości Cerveteri. W pierwszym przypadku dotyczyło to 2 km linii kablowej 132 kv w miejsce starej instalacji przy dostępie do bardzo wąskiego pasa terenu i konieczność bardzo płytkiego tylko zakopania w niektórych odcinkach linii rysunek 11 [24]. Rys. 10. Rura stalowa i rury z tworzywa z kablami wewnątrz [24] Czasami jednak utrudnione jest umieszczanie kabli we wnętrzu rur, szczególnie gdy trasa kabla jest bardzo kręta. 44 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 84 NR 4/2008
Wówczas najczęściej stosuje się technologię przedstawioną na rysunku 11 tworząc z materiałów ferromagnetycznych ekran. Na dnie rowu kablowego układa się wcześniej przygotowane ekrany przypominające coś na kształt rynienki kablowej. Następnie po ułożeniu kabli i wypełnieniu betonem (cementem) rynienkę przykrywa się z góry stosując różnego typu łączenie elementów. Rys. 11. Widok przykładowej rynienki kablowej [24] Należy jednak po raz kolejny podkreślić, że każdy z przypadków projektowania linii musi być rozpatrywany indywidualnie, aby szczegółowo uwzględnić przy projektowaniu linii wszystkie czynniki i warunki wpływające na niezawodność pracy linii kablowej. Podsumowanie Jak wynika z przedstawionych rozważań w przesyłowych liniach napowietrznych najwyższych napięć, zastąpienie nawet stosunkowo krótkich odcinków linii napowietrznej linią kablową wymaga kompensacji mocy biernej pojemnościowej. Urządzenia kompensujące o odpowiednio dobranej mocy powinny być zainstalowane na końcach odcinka linii kablowej. Moc tych urządzeń powinna pokryć zapotrzebowanie na moc bierną pojemnościową (tzw. moc ładowania kabla) przy pracy linii na biegu jałowym. Kompensator powinien mieć możliwość regulacji w szerokim zakresie [21]. Zadanie takie mogą spełnić kompensatory z regulacją tyrystorową (FACTS Flexible Alternating Current Transmission System). Jeżeli kompensator mocy biernej jest zlokalizowany w odległej stacji systemowej lub moc pojemnościowa ma być dostarczona z generatorów pracujących w elektrowniach systemowych, to jej przesył oprócz problemów technicznych związanych z pracą systemu spowoduje dodatkowe straty mocy czynnej w elementach składowych układu przesyłowego. Przebieg trasy linii kablowej musi być przeanalizowany pod kątem oddziaływania pola magnetycznego na środowisko [25], a dobór kabla oraz innych elementów linii powinien być silnie uzależniony od warunków otoczenia na trasie linii oraz warunków pracy systemu elektroenergetycznego, do której linia będzie włączona. LITERATURA [1] Rakowska A., Linia kablowa czy napowietrzna dylemat nie tylko techniczny, II Ogólnopolska Konf. Elektroenergetyka na terenach wiejskich, ETW 2004 Jachranka, 2004 [2] CIGRE TB 338, Statistics of AC underground cables in power networks, WB B1.07, December 2007 [3] Grzybowski A., Rakowska A., Siodła K., Stiller J., Praca linii kablowej wysokiego napięcia w systemie elektroenergetycznym, VI Konferencja Naukowo-Techniczna Linie kablowe- Stan obecny, nowe techniki, Bełchatów, 2007 [4] Rakowska A., Rozwój linii kablowych a oczekiwania eksploatacyjne, Przegląd Elektrotechniczny, 2006, nr 3, 31-35 [5] Argaut P., Bjorlow-Larsen K., Zaccone E., Gustafsson A., Schell F., Waschk V., Large projects of EHV underground cable systems, JICABEL 2007, paper A.2.1 [6] Rakowska A., Grzybowski A., Siodła K., Stiller J., Wysokonapięciowe kable elektroenergetyczne napięcia przemiennego, Wydawnictwo PP, 2008 (w druku) [7] Update of service experience of underground and submarine cable systems, CIGRE WG B1-10, Draft, 2007 [8] Rakowska A. Zwiększanie obciążalności kabli wysokich i najwyższych napięć, XIV Konferencja Elektroenergetyczne linie kablowe i napowietrzne, Zakopane, KABEL 2007 [9] Toya A., Kobashi K., Okuyama Y., Sakuma S., Higher stress designed XLPE insulated cable in Japan, General Session CIGRE 2004, paper B1-111 [10] Rakowska A., Kryteria weryfikujące jakość polietylenu usieciowanego stosowanego jako izolacja kabli elektroenergetycznych, Wydawnictwo PP, sierpień 2000 [11] Rakowska A., Grzybowski A., Aspekty technicznoekonomiczne związane z projektowaniem, budową i eksploatacją wielotorowych kablowych linii przesyłowych o napięciu maksymalnym 400 kv, opracowanie IE PP nr IE 730/JGU/05, Poznań, wrzesień 2005; od 2005 http://www.nowaliniapoznan.pl/index.php?mg=9 [12] Rakowska A., Grzybowski A., Siodła K., Stiller J., Nowe technologie budowy linii kablowych NN, opracowanie IE PP dla PSE-Operator, Poznań 2007/2008 [13] Rakowska A., Grzybowski A., Siodła K., Stiller J., Kable wysokich i najwyższych napięć w systemie elektroenergetycznym, Konferencja Nowoczesne rozwiązania sieciowe, SEP, Energa Kalisz, styczeń 2008 [14] Vavra J., Wanda J. M., 400 kv Vienna North Input, CIGRE 2006, paper B1-101, [15] Mikkelsen S., Argaut P., New 400 kv underground cable system in Jutland, JICABLE 03, Versailles, 2003, paper A.4.3 [16] General guidelines for the integration of a new underground cable system in the network, CIGRE Brochure No 250, 2004 [17] Halvarsson P., Karlstrand J., Larsson D., A novel approach to long buried AC transmission system, CIGRE Session 2002, Paris, paper 21-201 [18] www.abb.com/global/seitp/seitp202.nsf [19] Rakowska A., Zwiększanie obciążalności kabli wysokich i najwyższych napięć, XIV Konferencja Elektroenergetyczne Linie Kablowe I Napowietrzne, KABEL 2007, s.117-130 [20] Mikkelsen S., Argaut P., New 400 kv underground cable system in Jutland, JICABLE 03, June 2003, paper A.4.3 [21] Grünbaum R., Karlstrand J., FACTS for optimum utilisation of cable networks in power systems, JICABLE 2007, paper A.6.1 [22] Staworko H., Linie kablowe 110 kv doświadczenia w wykonawstwie, IV Konferencja Elektroenergetyczne linie kablowe stan obecny, nowe techniki, Piechowice, 2003 [23] CIGRE WG-B1.18, Special bonding of high voltage power cables, Technical Brochure No 283, October 2005, ELECTRA, No 222 [24] Conti R., Donazzi F., Maioli P., Rendina R., Sena E.A., Some Italian experiences in the utilization of HV underground cable systems to solve local problems due to magnetic field and other environmental issues, CIGRE 2006, Paper C4-303 [25] Rakowska A., Grzybowski A., Stiller J., Oddziaływanie linii kablowych najwyższych napięć prądu przemiennego (AC) na środowisko, Opracowanie IE PP dla PSE, Poznań 2006 Autor: dr hab. inż. Aleksandra Rakowska prof. PP, Politechnika Poznańska, Instytut Elektroenergetyki, ul. Piotrowo 3a, 60-965 Poznań, E-mail: aleksandra.rakowska@put.poznan.pl PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 84 NR 4/2008 45