GIL - przyszłość w przesyle energii elektrycznej Aleksandra Rakowska W języku i na z ma na I ma na gb" od dla GIL to z GIL się z GIS, z w Rozwój systemów elektroenergetycznych wymaga doskonalenia i optymalizowania sposobów przesyłania energii elektrycznej. Prowadzone są prace badawcze w laboratoriach, a następnie wyniki tych badań są weryfikowane w rozwiązaniach prototypowych, które są instalowane w rzeczywistych sieciach elektroenergetycznych. Uzyskanie pozytywnych doświadczeń z eksploatacji prototypowych rozwiązań technicznych pozwala na wykorzystanie nowych, bardziej opłacalnych technologii budowy linii elektroenergetycznych na różnych poziomach napięć. Ostatnio wśród coraz szerzej propagowanych systemów przesyłu energii elektrycznej znajdują się linie GIL. GIL to elektryczne rury" wypełnione gazem izolacyjnym, co schematycznie przedstawiono na rysunku 1. Ze względu na właściwości izolacyjne gazu, wymiary osłon zewnętrznych i żył są dość znaczne. Przykładowa konstrukcja [1] ma osłonę zewnętrzną o średnicy 450 mm, dla której optymalnym rozwiązaniem jest przewodnik o średnicy 170 mm. Rys. 1. > Schemat układu 3-fazowego GIL w gaz pod l przewodnik osłona ciśnieniem zewnętrzna Dr hab. inż. Aleksandra Rakowska, prof. Politechniki Poznańskiej - Instytut Elektroenergetyki Politechniki Poznańskiej, czlonek SEP Obecnie na świecie eksploatowanych jest nieco ponad 300 km linii z izolacją gazową (w przeliczeniu na jedną fazę i uwzględnieniu połączeń na terenach elektrowni), pracujących na napięciu od 72 kv do 550 kv [2, 3]. Linie zainstalowane dotychczas to stosunkowo krótkie odcinki, o długości od kilkuset metrów do nieco ponad trzy kilometry - głównie układane bezpośrednio w ziemi, w tunelach lub na estakadach. Wiele firm na świecie podejmuje próby wykorzystania tego alternatywnego sposobu przesyłu energii, ze względu na zalety systemu GIL [4]. Przykładowo, firma Siemens już w 1974 roku wprowadziła tę technologię, budując linię GIL o długości 700 m w tunelu, w Schluchseewerk na terenie Niemiec - w miejsce dotychczas eksploatowanej linii kablowej, która uległa zniszczeniu w wyniku pożaru. Firma ta również jako pierwsza przekroczyła poziom napięcia 400 kv w systemie GIL, oddając do eksploatacji odcinek 4 km linii z izolacją SF 6. Linia ta została zainstalowana w tunelu kablowym na zboczu jednej z gór pięknego Schwarzwaldu, do stacji pomp Wehr [5]. Parametry charakterystyczne linii to: napięcie 420 kv, wytrzymałość udarowa 1640kV, obciążalność prądowa 2000/2500 A oraz prąd zwarciowy 53 ka. Inne przykłady typowych linii GIL to: instalacja Chinon we Francji (525 m, układ 2-fazowy, 420 kv, oddana do eksploatacji w 1980 roku) oraz linia Claireville w Kanadzie (550 kv, wybudowana dla Ontario Hydro w 1978 roku). Znacznie dłuższe są linie wykonywane w ostatnich latach [6]: - w Japonii - GIL o długości 3,3 km, układ 2-fazowy na napięcie 275 kv, zainstalowany w tunelu, - w Arabii Saudyjskiej - GIL o długości ok. 6 km, układ 3-fazowy (sumaryczna długość linii jednofazowej ok. 18 km), na napięcie 420 kv. W wielu publikacjach właśnie uruchomienie linii GIL Shinmeika- -Tokai w Japonii, o długości 3,3 km uważa się za przełomowy etap w rozwoju tego typu linii przesyłowych [7]. Linia pracuje na napięciu 275 kv, a jej maksymalna zdolność przesyłowa wynosi 2850MW. Pozostałe parametry charakteryzujące instalację: prąd znamionowy 6300 A, wytrzymywane napięcie udarowe 1050kV, wytrzymywane napięcie przemienne 460 kv, prąd zwarciowy 50 ka przez 2 sekundy, minimalna temperatura pracy 5 C. Konstrukcja linii gazowej: przewodnik - średnica zewnętrzna 170 mm, grubość ścianki 20 mm, materiał - stop aluminium (rura wytłaczana), osłona zewnętrzna - stop Al, średnica wewnętrzna 460 mm, grubość ścianki l O mm, powierzchnia zewnętrzna powlekana, gaz - SF 6 o ciśnieniu 0,44 MPa. Oddanie do eksploatacji tej linii poprzedzone było szczegółowymi badaniami wykonanymi na kompletnym prototypie linii o długości 168 m (rys. 2). Wiele badań dotyczyło odporności instalacji na możliwość wystąpienia trzęsienia ziemi i zachowanie szczelności instalacji w tych warunkach.
GIL 275 kv-japonia długość 3,3 kir. f linia Shinmeika-Tokai dl. 3.3 km. moc 2850 MW 1 2 3 4 [Km] 5 Długość Rys. 3. Porównanie opłacalności stosowania.systemów GIL i linii kablowych wg [7] Jednofazowy model GIL o długości 168 m Rys. 2. Instalacja prototypowa oraz rzeczywista opracowana przez zespól japoński [7] Przesył tak dużej energii wymagał wybudowania linii dwutorowej. Gdyby zastosowano klasyczne linie kablowe, wówczas należałoby ułożyć pięć takich linii, a koszt ich zainstalowania przekraczałby koszt budowy linii GIL o ponad 5%. Opłacalny zakres instalowania linii GIL w miejsce typowych linii kablowych ułożonych kablami o izolacji z polietylenu usieciowanego (XLPE) pokazano na rysunku 3. W systemach GIS i GIL jako izolację gazową wykorzystywano początkowo SF 6. Jednakże przy liniach GIL o długościach przekraczających kilka kilometrów wymagana objętość gazu jest już znaczna. Wiadomo, że gaz ten nie jest tani i -jak wykazują ostatnie badania naukowe - może przyczyniać się w niekorzystnych warunkach eksploatacyjnych do intensyfikacji efektu cieplarnianego. Z tego względu rozpoczęto szerokie badania nad zastosowaniem azotu, ponieważ jest on głównym składnikiem powietrza i jest całkowicie przyswajany przez środowisko naturalne. Jak wynika z badań przeprowadzonych przez wiele ośrodków (m.in. ABB Energie, Alstom T&D, EdF DER, Siemens), najbardziej obiecującym medium gazowym w systemach GIL jest mieszanina N 2 /SF 6 z niską zawartością sześciofluorku siarki, w miejsce czystego SF 6. Najwięcej prowadzonych obecnie prac badawczych dotyczy właśnie optymalnego wykorzystania tej mieszaniny gazów w liniach GIL. Na rysunku 4 pokazano porównanie wytrzymałości elektrycznej izolacji gazowej [1], Wiele koncernów energetycznych prowadziło szerokie badania [8, 9] na prototypach linii gazowych z wykorzystaniem mieszaniny gazów SF 6 oraz N 2. Jeden z prototypów testowano w firmie Siemens. Główne dane techniczne tej linii: napięcie znamionowe - 420 kv, prąd znamionowy - 3200 A, moc przesyłowa - 2000MYA, skład gazu - 80% N 2 i 20% SF 6. Badania prototypu linii prowadzono przez dwa niezależne laboratoria badawcze. Zgodnie z zaleceniami IEC [10], próby rozpoczęto sprawdzeniem wytrzymałości elektrycznej układu przy napięciu przemiennym oraz wytrzymałości udarowej przy udarach piorunowych i udarach łączeniowych. Uzyskano pełną wytrzymałość elektryczną podczas próby krótkotrwałej napięciem 630 kv, przy napięciu przemiennym. Podczas tej próby kontrolowano również poziom wyładowań niezupełnych. 25 [bar] 30 Rys. 4. Porównanie wytrzymałości udarowej czystego sześciofluorku siarki i azotu oraz mieszanin tych gazów Następnie prototyp linii GIL poddano próbie wytrzymałości udarowej - sprawdzano wytrzymałość elektryczną przy wartoścach: 1050 kv - dla napięcia udarowego piorunowego oraz 1300 kv - dla napięcia udarowego łączeniowego. Uzyskany efekt był całkowicie satysfakcjonujący. Kontrolowano również wytrzymałość mechaniczną badanego układu, poddając go elektromechanicznemu oddziaływaniu prądów zwarciowych. Skrupulatnie badano wszelkie połączenia, zwracając szczególną uwagę na elementy łączące linię pod kątem 90. Sprawdzano przed, między i po próbach zwarciowych szczelność i zachowanie funkcji połączeń pomiędzy poszczególnymi elementami układu GIL. Dla przeprowadzenia badań długotrwałych, prototyp GIL umieszczono w tunelu o średnicy 3 m i długości 70 m, co pozwoliło odtworzyć rzeczywiste warunki ułożenia linii [9].
Intencją tego badania była symulacja narażeń elektrycznych i mechanicznych, które wystąpią podczas 40-letniego okresu eksploatacji w warunkach rzeczywistych. Próba długotrwała obejmowała poddawanie prototypu GIL-a cyklom: 5 godzin obciążenia prądem 3200 A, a następnie 7 godzin przyłożenia napięcia o wartości 480 kv, przy równoczesnym kontrolowaniu poziomu wyładowań niezupełnych. Badania podobne do prowadzonych przez Niemców wykonywano również we Francji. Różnica w testowanym w laboratorium EDF-u prototypie, wykonanym przez firmę ABB, polegała na zastosowaniu innej proporcji mieszaniny gazu - 90% N 2 i 10% SF 6 dla układu GIL 2000 MV A [8]. Prototyp ten poddano sprawdzeniu wytrzymałości elektrycznej przy napięciu 50 Hz, stwierdzając że w pełni wytrzymał on działanie napięcia 800 kv przez okres l minuty. Następnie przeprowadzono test długotrwały, trwający 6000 godzin. Badanie to miało na celu odtworzenie pięćdziesięcioletniej eksploatacji linii w warunkach rzeczywistych. Linie GIL, w których zastosowano mieszaninę SF 6 i N 2, nazywane są liniami drugiej generacji. W styczniu 2001 r. uruchomiono pierwszą w Europie linię GIL z mieszaniną SF 6 i N 2-80% + 20% [11, 12]. Jest to linia ułożona pod halą wystawową w Genewie - w miejsce dotychczas istniejącej linii napowietrznej (rys. 6). Przęsło istniejącej dwutorowej linii napowietrznej zastąpiono linią GIL - również trójfazową i dwutorową. Jej budowa odbywała się w okresie od września do grudnia 2000 r., przy zastosowaniu dwóch technik instalacji: układaniu w tunelu oraz zakopaniu bezpośrednio w ziemi. Po ułożeniu całej linii przeprowadzono badania i przekazano instalację do eksploatacji. Szacunkowo oceniono, że koszt budowy jednego kilometra linii GIL drugiej generacji wynosi ok. 5 min euro [11]. Uzyskano obniżenie kosztów instalowania linii GIL drugiej generacji o ok. 50%, w porównaniu do kosztów analogicznej GEL, gdyby wybudowano ją wykorzystując pierwszą generację tych linii. Zgodnie z wymaganiami instytucji międzynarodowych, takich jak IEC czy CIGRE [13], na wszelkich prototypach urządzeń lub wysokonapięciowych instalacji elektroenergetycznych konieczne jest wykonywanie nie tylko testów wytrzymałości elektrycznej, lecz przede wszystkich wymagane jest prowadzenie prób długotrwałych - dla pełnego zapewnienia odpowiedniej niezawodności urządzenia oraz całkowitego wyeliminowania jakiegokolwiek zagrożenia ekologicznego w przypadku zaistnienia awarii tegoż urządzenia lub systemu. Przy wykonywaniu linii w Genewie szczególnie wiele uwagi zwrócono na bezpieczeństwo tej instalacji. Zastosowano taką technologię spawania i rygorystyczną kontrolę szczelności, aby maksymalnie wyeliminować możliwość wystąpienia ubytku gazu z instalacji. Odcinki rur zewnętrznych były spawane wzdłuż linii śrubowej, przewożone na plac budowy i tam prefabrykowane na odcinki liniowe. Spiralny szew zapewnia równy rozkład naprężeń mechanicznych na obudowie linii. Końce segmentów były przystosowane do spawania czołowego, a po połączeniu kolejnych odcinków przeprowadzana była bardzo szczegółowa kontrola spawu. Podczas budowy linii poszczególne jej odcinki umieszczano na rolkach na każdym ze wsporników podtrzymujących konstrukcję [l 1], Po zamontowaniu całej linii, rolki były zastępowane elastycznymi podkładkami, z wyjątkiem rolek w części środkowej linii, co umożliwiło niwelację efektów rozszerzalności termicznej poszczególnych elementów - dzięki możliwości wykorzystania przesuwnych kompensatorów umieszczonych na końcach elementów linii. Od stycznia 2002 roku eksploatowany jest GIL na napięcie 550 kv - oczywiście z zastosowaniem drugiej generacji konstrukcji linii. Jest to linia do stacji Sai Noi w Bangkoku w Tajlandii i - jak dotychczas - stanowi światowy rekord w zdolności przesyłowej linii elektroenergetycznych [14]. Linii nadano bardzo rozbudowaną nazwę: Bulk Power Supplyfor the Greater Bangkok Areas Project, Rys. 5. Tunel, w którym przeprowadzano próby długotrwałe linii GIL : - ;v: Rys. 6. PALEKPO - Genewa w pobliżu lotniska: widok przęsła linii, które zastąpiono oraz instalacja GIL w tunelu pod halą wystawienniczą (wymiary tunelu: szerokość 2.4 m. wysokość 2.6111)
a parametry ją charakteryzujące są następujące: - napięcie znamionowe 525 kv, - napięcie maksymalne 550 kv, - prąd znamionowy 4000 A, - zdolność przesyłowa 3800 MV A, - wytrzymałość udarowa 1550 kv - wytrzymałość przy 50 Hz 740 kv, - prąd zwarciowy 50kA/l s, - mieszanina SF 6 /N 2 60% + 40%, - długość linii 3,5 km. Prace instalacyjne trwały tylko 5 miesięcy (rys. 7). Po mechanicznym połączeniu wszystkich elementów linii, wnętrze GŁ-a zostało wypełnione suchym powietrzem i wykonano test ciśnieniowy zgodnie z wymaganiami IEC61640. Następnie wypełniono wnętrze mieszaniną gazu i rozpoczęto kondycjonowanie napięciem przemiennym, w celu usunięcia wszelkich zanieczyszczeń - było to możliwe dzięki zastosowaniu specjalnych pułapek do wychwytywania zanieczyszczeń. Badania prowadzono zgodnie z wymaganiami IEC, poddając układ działaniu napięcia przemiennego o wartości 592 kv, co stanowi 80% napięcia wytrzymywanego. Dodatkowo linię poddano próbie udarowej. Podczas wszystkich badań napięciowych kontrolowano poziom zanieczyszczeń na powierzchni izolatorów. Stosowane są dwie techniki łączenia odcinków linii GIL. Jedna to spawanie proste, z zastosowaniem wszelkich możliwych technik diagnostycznych do sprawdzania poprawności i bardzo wysokiej jakości połączenia [12, 15]. Druga to użycie połączeń kołnierzowych. Interesujące jest zastosowanie połączeń teleskopowych, umożliwiających prowadzenie prac naprawczych (rys. 8) [3]. Dotychczasowe badania wykazują, że linie GIL mogą być stosowane w zakresie napięć do 800 kv. Ich jednostkowa zdolność przesyłowa energii elektrycznej jest ogromna - od 500 do 3000 MW. Wykorzystanie tej technologii przesyłu energii pozwala obniżyć straty (wynikające ze zjawiska Joule' a) do połowy lub do trzeciej części strat powstających w liniach napowietrznych. a^satmumtmammm^r^bm^mmimmnak.- \ Rys. 8. Widok wewnętrzny linii ora/ poiac/enie teleskopowe..naprawc/e" - GIL 550 kv w Tajlandii : ' - : - ' Rys. 7. Instalacja GIL-a w Bangkoku [!4j: namiot do łączenia elementów - widok zewnętrzny i wewnętrzny (łączenie elementów oraz fragment linii)
Natomiast jednostkowa pojemność linii w systemie GIL jest znacznie niższa niż pojemność typowych linii kablowych. Właśnie wartość pojemności linii wpływa na fakt, że długość linii GIL może przekraczać 100 km - bez konieczności wprowadzania dodatkowo kompensacji mocy biernej. Zwiększająca się liczba instalowanych linii GIL wpływa na zmniejszenie kosztów opracowywania i wykonania tych instalacji oraz na zwiększenie szybkości układania linii (obecnie możliwe jest układanie ponad 100 m linii w ciągu dnia). W początkowym etapie wprowadzania tej technologii instalacja linii GIL była około 30-krotnie bardziej kosztowna od budowy równoważnej linii kablowej. Obecnie koszt ten jest tylko około siedmiokrotnie wyższy (wg innych źródeł ok. 8-10 razy) [3, 15, 16]. Wiadomo również, że wykorzystanie wszelkich dostępnych współcześnie technik komputerowych pozwala na optymalizację kształtu i wymiarów systemu GIL. Prototypy nowej generacji Gaś Insulated Lines, tworzone z wykorzystaniem technik optymalizacyjnych, są obecnie budowane i badane w kilku ośrodkach na świecie. Budowane są coraz częściej krótkie odcinki linii GIL na napięcie 420kV, z mieszaniną gazu 80% SF 6 i 20% N 2. Wyniki prowadzonych prac pozwalają sądzić, że wszystkie zalety tego sposobu przesyłu znacznych mocy będą jeszcze bardziej wyeksponowane, a rozwiązania techniczne pozwolą przekroczyć kolejne bariery poziomu zdolności przesyłowych energii elektrycznej. Dotychczasowe doświadczenia eksploatacyjne potwierdzają, że przyszłość dla niektórych linii to właśnie GIL. Realizowana jest kolejna duża inwestycja - GIL w Indiach, a coraz częściej standardem stają się krótkie odcinki linii GIL na napięcie 420kV, z mieszaniną gazu 80% SF 6 i 20% N 2 - np. w Wielkiej Brytanii linia Elstree (długość 0,84 km, 2004 r.) oraz linia Hams Hali (0,54km, 2003 r.). W ramach CIGRE wyłoniono grupę roboczą z trzech Komitetów Studiów: 21, 23 i 33 (nazewnictwo z 2002 roku), która opublikowała opracowanie zawierające zestawienie dotychczasowej wiedzy na temat Gaś Insulated Lines, z omówieniem parametrów elektrycznych, mechanicznych i termicznych, metod badań, a także z zebraniem wszystkich dostępnych doświadczeń eksploatacyjnych. Bardzo obiecującym faktem jest stwierdzenie, że podczas już ponad 25-letniej eksploatacji linii GIL nie zanotowano żadnych zasadniczych awarii w ich pracy. LITERATURA [1] Guillen M., BertrandM.: Optimised gas-insulated transmission linę. International Conference on Insulated Power Cables JICABLE'99, Paryż 1999 [2] Koch H.: Experience4 with 2 nd generation gas-insulated transmission lines GIL. JICABLE'04, Paryż 2004 [3] Coventry P., Girodet A., Loray F.: New generation of GIL. Session 2004 CIGRE. Paryż 2004 [4] Rakowska A.: GIL - alternatywa dla energetyki zawodowej. Konferencja Gazoszczelne urządzenia elektroenergetyczne", Bielsko-Biała 1999 [5] www.eci.siemens.com - informacje o systemach GIL [6] Rakowska A.: Wysokonapięciowe linie elektroenergetyczne w systemie GIL oraz LIGHT - jako przykłady nowoczesnych instalacji do przesyłu energii elektrycznej. Konferencja Instalacje elektryczne niskiego, średniego i wysokiego napięcia". Targi Technologii Przemysłowych i Dóbr Inwestycyjnych, Poznań 2002 [7] Okubo H.. Takahashi L: Insulation design and on-site testing method for a long distance GIL. IEEE Mag. 1998 nr 6 [8] Bourdet M., Hopkins M., Feldmann D., Maugain Y.: Long term test of a directly buried GIL prototype. JICABLE'99, Paryż 1999 [9] Schuette A., Koch H.: Gas-insulated transmission lines (GIL). Type tests and preąualification. JICABLE'99, Paryż 1999 [10] IEC 61640. Rigid high-voltage, gas-insulated transmission lines for rated yoltages of 72 5 kv and above [11] Ashmore C.: Cutting the cost of piped power. Trans-Power Europę, March 2001 [12] Koch H., Hillers T.: Second-generation gas-insulated linę. Power Engineering Journal, June 2002 [13] GIL - Gas-insulated Transmission Lines. Electra 2003 nr 211 [14] Piputvat V., Koch H., Poehler S., Hillers T.: 550 kv gas-insulated transmission linę for high power rating. Session 2004 CIGRE, Paryż 2004 [15] Ponchon Ph Bues M., Girodet A.: New generation of GIL. Characteristics and applications. JICABLE'04. Paryż 2004 [16] Kuffel E.: The properties of gaś mixtures replacing SF 6 in power apparatus (GIT and GIL). Przegląd Elektrotechniczny 2004 nr l PREFABRYKOWANE OKABLOWANIE MASZYN I LINII PRODUKCYJNYCH Montaż elektryczny skomplikowanych maszyn i linii produkcyjnych jest jednym z najbardziej pracochłonnych zajęć. Wymaga ponadto wysoko kwalifikowanego personelu. Jedna z niemieckich fabryk, zatrudniająca ponad 1600 pracowników i mająca swoje przedstawicielstwa i stacje obsługi serwisowej w 32 krajach, specjalizuje się w przygotowywaniu prefabrykowanego okablowania maszyn i linii produkcyjnych. Na zdjęciu przedstawiono przygotowywanie okablowania układu zasilania maszyny. Prefabrykowane układy okablowania upraszczają w sposób istotny montaż elektryczny u odbiorców maszyn lub linii produkcyjnych. (wb-u) Elektro Automation 2004 nr 3