Ochrona przed przepięciami osłon zewnętrznych kabli 110 kV pracujących z jednostronnym uziemieniem żył powrotnych
Ryc. 1. Układ SPB wraz z ogranicznikami przepięć i kabli ECC, rys. D. Duda
Kable jednożyłowe WN z izolacją XLPE są standardowo wyposażone w ekrany metaliczne, wykonane zazwyczaj z drutów lub taśm miedzianych (jako tzw. żyła powrotna), ze stopu ołowiu (jako płaszcz ołowiany) lub w postaci ekranu z taśm aluminiowych. Ten element konstrukcyjny kabla jest zawsze (przynajmniej jednostronnie) uziemiany w celu uzyskania na nim potencjału ziemi. Taka konstrukcja pozwala na wytworzenie w izolacji kabla promieniowego rozkładu pola elektrycznego. Innym celem stosowania ekranów metalicznych jest stworzenie bezpiecznej drogi powrotnej dla prądów zwarciowych płynących po przebiciu izolacji kabla oraz przy zwarciach występujących poza daną linią kablową (zwłaszcza 1-fazowych).
W artykule:
|
Pożądana duża obciążalność kabli WN oznacza stosowanie dużych przekrojów żył roboczych, zaś duże moce zwarciowe występujące w stanie aktualnym lub w planach rozwojowych decydują o dużym przekroju żył powrotnych. Na obciążalność kabli oprócz przekroju żyły roboczej wpływają straty dodatkowe występujące w żyłach powrotnych. Te z kolei zależą od przestrzennego rozmieszczenia kabli (trójkątne lub płaskie) oraz sposobu połączenia i uziemienia ich żył powrotnych.
W zależności od potrzeb, długości linii, warunków ułożenia itp. stosowane są trzy układy połączeń i uziemienia ekranów metalicznych kabli:
- układ z obustronnym połączeniem i uziemieniem ekranów (ang. both-ends bonding),
- układ z krzyżowaniem żył powrotnych (ang. cross-bonding screens – CB),
- układ z jednostronnym uziemieniem ekranów (ang. single point bonding – SPB).
Układ z obustronnym połączeniem i uziemieniem żył powrotnych nie wymaga stosowania ochrony przeciwprzepięciowej osłon kabli, gdyż potencjał obu końców żył powrotnych utrzymywany jest na poziomie potencjału ziemi. W układzie takim w żyłach powrotnych płyną stale prądy, co powoduje powstawanie dodatkowych strat mocy. W liniach kablowych WN straty te, szczególnie przy płaskim rozmieszczeniu kabli, mogą być nawet dwukrotnie większe od strat w żyłach roboczych. Wpływa to niestety na spadek obciążalności linii kablowych, dlatego w liniach kablowych WN stosuje się raczej dwa pozostałe układy, w których prądy w żyłach powrotnych nie płyną.
We wszystkich układach połączeń i uziemienia ekranów metalicznych kabli wymagana jest ochrona przed przepięciami izolacji głównej kabli WN, wykonana zgodnie z wytycznymi [5], natomiast układy z jednostronnym uziemieniem żył powrotnych i z cross-bondingiem wymagają dodatkowej ochrony przeciwprzepięciowej osłon zewnętrznych lub specjalnych muf przeznaczonych do krzyżowania żył powrotnych.
Układ z jednostronnym uziemieniem ekranów
Jednym ze sposobów ograniczenia, a wręcz wyeliminowania strat dodatkowych w żyłach powrotnych jest stosowanie jedynie jednostronnego połączenia i uziemienia żył powrotnych. W takim układzie, pod wpływem prądów płynących w żyłach roboczych, w żyłach powrotnych indukowane są napięcia, nie ma jednak zamkniętego obwodu, w którym napięcia te mogłyby wywołać przepływ prądu. Układ z jednostronnym połączeniem i uziemieniem ekranów zapewnia dużą obciążalność prądową, wymaga jednak ułożenia dodatkowego elementu w postaci kabla ECC (ang. insulated earth continuity conductor), tj. izolowanego kabla zapewniającego ciągłość uziemienia na obu końcach i umieszczanego jak najbliżej kabli WN (rys. 1.).
Ryc. 1. Układ SPB wraz z ogranicznikami przepięć i kabli ECC,
rys. D. Duda
Kabel ECC stosowany jest w celu:
- zapewnienia bezpiecznego przepływu powrotnego prądu zwarcia 1-fazowego przy zwarciu poza kablem, np. na słupie kablowym, innym słupie lub w rozdzielni WN,
- zapewnienia znacznego zmniejszenia wartości napięć indukowanych na żyłach powrotnych, które – gdy osiągają zbyt dużą wartość – wymagają ograniczenia długości linii.
Kabli ECC nie można zastępować taśmą uziemiającą Fe-Zn. Taki element ułożony bezpośrednio w ziemi wywołuje wzdłuż całej trasy linii (teren może być ogólnodostępny) niebezpieczne napięcia krokowe podczas zwarcia. Niezależnie od tego, taśma uziemiająca Fe-Zn (z uwagi na dużą rezystywność stali) nie jest zwykle w stanie obniżyć napięć indukowanych do poziomu dopuszczalnego długotrwale.
W przypadku prowadzenia kabli po terenie stacji można uwzględnić zastosowanie przewodów ECC gołych (bez izolacji), np. miedzianej taśmy uziemiającej, linki miedzianej lub aluminiowej. Przyjmowana głębokość ułożenia przewodów ECC wypada zwykle poniżej głębokości ułożenia kraty uziemiającej. Jednak w każdym przypadku, gdy linia kablowa WN w układzie SPB wychodzi poza teren stacji (poza obszar kraty uziemiającej), należy ułożyć kabel ECC (izolowany). Dotyczy to przypadków wyprowadzeń kablowych ze stacji (przechodzących dalej w linie napowietrzne) kończących się na słupie kablowym. Dotyczy to także wstawek kablowych do linii napowietrznych oraz linii kablowych łączących dwie stacje elektroenergetyczne [2].
Uziemiając żyły powrotne tylko z jednej strony linii, należy jednak brać pod uwagę, że na drugim (nieuziemionym) końcu żył powrotnych wystąpi w różnych sytuacjach napięcie w stosunku do ziemi. Napięcie to zależy (podobnie jak straty mocy w linii z obustronnie uziemionymi żyłami powrotnymi) od budowy kabli, ich przestrzennego rozmieszczenia oraz prądów w żyłach roboczych. Stąd też największe wartości tych napięć występują podczas zwarć. Układ SPB jest zalecany w niezbyt długich liniach kablowych (do ok. 1000 m), co wynika z dopuszczalnych napięć, jakie mogą wystąpić na żyłach powrotnych.
W warunkach propagacji przepięć zarówno zewnętrznych (piorunowych), jak i wewnętrznych (sieciowych), w wyniku sprzężeń indukcyjnych i pojemnościowych między żyłami powrotnymi i ziemią, mogą pojawiać się napięcia zagrażające wytrzymałości osłony zewnętrznej kabla. Zagrożenie to jest mniejsze w układach z obustronnym uziemieniem żył powrotnych, natomiast nasila się w układach z uziemieniem jednostronnym, gdyż na nieuziemionym końcu żył powrotnych występuje sumowanie fal przepięciowych: dochodzącej do nieuziemionego końca żyły powrotnej oraz odbitej od tego końca (rys. 2.).
Rys. 2. Efekt wzrostu napięcia na nieuziemionym końcu linii (rysunek poglądowy): a) fala przepięciowa docierająca do nieuziemionego końca żyły powrotnej, b) stan bezpośrednio po odbiciu,
c) i d) stan po kilku mikrosekundach, rys. D. Duda
Konsekwencją zagrożenia przebiciem osłon zewnętrznych kabli w układach SPB jest konieczność ochrony takich osłon poprzez instalowanie na otwartych (nieuziemionych) końcach żył powrotnych ograniczników przepięć, możliwie blisko głowic. Wymaganie to zawarte jest w wytycznych [5], ale również w normie [11]. W normie tej podano jedynie przybliżony sposób określania napięcia pracy ciągłej ograniczników przepięć służących do ochrony osłon zewnętrznych kabli WN. Wymaga się, aby napięcie pracy ciągłej takich ograniczników było wyższe niż napięcie indukowane w układzie: żyła powrotna – ziemia. Oznacza to, że ograniczniki przepięć nie powinny działać pod wpływem stosunkowo długo trwających napięć występujących na żyłach powrotnych podczas zwarć. Nie są to zatem elementy służące ograniczaniu napięć indukowanych (przepięć dorywczych) występujących na żyłach powrotnych podczas zwarć.
Napięcia indukowane w żyłach powrotnych kabli
Każdy tor prądowy (przewód) wiodący prąd I (roboczy lub zwarciowy) indukuje w torach równoległych (przewodach) odpowiednią siłę elektromotoryczną (SEM). W układzie z jednostronnym uziemieniem żył powrotnych przy trójkątnym ułożeniu kabli, symetryczny prąd
3-fazowy I indukuje w każdej żyle powrotnej SEM. Wartość SEM wyrażoną w V/km można wyznaczyć z zależności:
gdzie:
S – odległość między osiami kabli, w [mm],
d – średnica żyły powrotnej kabla, w [mm].
Największe napięcie indukowane w żyłach powrotnych kabli w układzie SPB jest zwykle spodziewane przy zwarciu 1-fazowym poza linią kablową. Przy braku przewodu ECC spodziewaną wartość indukowanej SEM wyrażonej w V/km określa wzór:
gdzie:
DE jest odległością kabla od fikcyjnego przewodu powrotnego znajdującego się w ziemi, zależną od rezystywności gruntu ρE, ważoną w m wg wzoru:
Ułożenie równoległego kabla ECC przybliża drogę powrotną prądu zwarcia 1-fazowego do kabli WN. Prąd zwarcia 1-fazowego w dużym stopniu powraca wtedy do stacji zasilającej przez przewód powrotny (kabel ECC). Część prądu płynie także przez uziemienia oraz ziemię. Napięcia indukowane na żyłach powrotnych kabli wyznacza się metodą opartą na zespolonych impedancjach obwodów ziemnopowrotnych [6, 9].
Ograniczniki przepięć SN na żyłach powrotnych kabli są przyłączone do żył powrotnych i do uziemienia słupa kablowego lub uziemienia stacji (rys. 1.). Na ograniczniki te działa odpowiednie napięcie Ui, które jest różnicą SEM indukowanej w żyłach powrotnych Ei oraz straty napięcia ΔUc na żyle kabla ECC. Napięcie to jest napięciem żył powrotnych względem ziemi lokalnej, np. względem uziemionej konstrukcji słupa. Napięcie to dla każdej żyły powrotnej ma inną wartość, ale największą wartość osiąga na żyle powrotnej kabla, przez który płynie prąd zwarcia. Napięcie będące podstawą do doboru ograniczników przepięć w układzie SPB, wyrażone w V/km, wyznacza się ze wzoru:
gdzie:
I – prąd zwarcia płynący przez kabel WN, w [A],
Ic – prąd powrotny płynący przez kabel ECC, w [A],
R'c – rezystancja jednostkowa kabla ECC, w [Ω/km],
γc – promień zastępczy żyły kabla ECC, w [mm],
Scf – średnia geometryczna odległość między żyłą kabla WN a żyłą kabla ECC, w [mm] [1].
Korzystanie ze wzoru (4) wymaga znajomości rozpływu prądu zwarciowego w układzie uziomowym. Należy zatem określić, jaka część prądu zwarcia jednofazowego wraca do źródła przez kabel ECC, a jaka część płynie przez ziemię. Szczegóły obliczania takiego rozpływu wyjaśniono w [3]. Wzór (4) można jednak uprościć przy założeniu, że praktycznie cały prąd powrotny przy zwarciu płynie przez kabel ECC, tj. że Ic ≈ I. Uzyskuje się wyrażenie praktyczne, które pozwala oszacować nieco zawyżoną (w stosunku do wartości uzyskiwanej przy korzystaniu ze wzoru (4)) wartość napięcia indukowanego przy przepływie prądu zwarcia 1-fazowego przez kabel:
Maksymalną wartość napięcia, jakie może występować podczas zwarć w układzie żyła powrotna – ziemia lokalna, powinien określić producent kabla. Jeżeli nie ma informacji od producenta kabla, wskazówką do określenia maksymalnej wartości napięcia pracy ciągłej ograniczników przepięć mogą być poziomy napięć używanych do prób szczelności osłon kabli WN. W eksploatacji próbę szczelności powłoki wykonuje się najczęściej napięciem o wartości 5 kV przykładanym na czas 1 minuty. Podane wartości napięć informują o wytrzymałości statycznej powłok takich kabli. Można zatem stwierdzić, że jeżeli nie ma innych informacji dotyczących wytrzymałości osłon kabli WN, napięcia w układzie żyła powrotna – ziemia lokalna podczas zwarć jednofazowych, poza rozważaną linią kablową, przy maksymalnym prądzie zwarcia jednofazowego, nie powinny przekraczać 5 kV. Dla kabli nowych próbę szczelności powłok można przeprowadzać napięciem stałym o wartości 10 kV. Stąd autorzy poradnika [4] proponują, aby maksymalna wartość skuteczna napięcia indukowanego nie przekraczała 7 kV, co odpowiada wartości szczytowej 10 kV. Przy wyższych napięciach może dojść do przebicia osłon podczas zwarć jednofazowych wskutek napięć indukowanych 50 Hz.
Jeżeli wyniki obliczeń projektowych wykażą, że przy proponowanym układzie uziemiania żył powrotnych i ułożeniu kabla ECC wartości napięć indukowanych są wyższe niż dopuszcza producent kabla (lub są wyższe od wartości napięć wynikających z warunków prób szczelności), należy podjąć działania mające na celu obniżenie wartości napięć indukowanych.
Sposoby obniżania wartości napięć indukowanych
Jak opisano powyżej, napięcia indukowane w żyłach powrotnych nie mogą być zbyt duże. Klasyczny układ SPB ma zatem pewne ograniczenia. Jak wynika z zależności (4) i (5), na wartość napięcia indukowanego przypadającego na jednostkę długości linii kablowej wpływa prąd zwarcia jednofazowego, a na końcową wartość napięcia wpływ ma oczywiście długość takiej linii. Ze względu na poziom napięć indukowanych, po przekroczeniu określonych kombinacji długości linii kablowej i poziomu prądu zwarciowego stosowanie klasycznego układu SPB jest już niedopuszczalne. Duże wartości napięć indukowanych w żyłach powrotnych wymagają również stosowania ograniczników przepięć o wyższych napięciach pracy ciągłej, czego konsekwencją są wyższe wartości napięć obniżonych takich ograniczników, a tym samym gorsza ochrona osłon zewnętrznych kabli przed przepięciami o charakterze udarowym. Przy pewnych modyfikacjach podstawowego układu SPB możliwe jest obniżenie wartości napięć indukowanych do akceptowalnego poziomu.
Jednym ze sposobów jest zastosowanie kabla ECC o przekroju większym niż wynikałoby to z obciążeń zwarciowych w miejscu zainstalowania linii kablowej. Rozwiązanie to nie daje jednak zbyt dużych efektów. Znacznie bardziej efektywnym rozwiązaniem jest zastosowanie dwóch kabli ECC, tak jak pokazano na rysunku 3d.
Rys. 3. Warianty rozmieszczenia kabli WN oraz kabli ECC: a) trójkątne
z jednym kablem ECC, b) płaskie z jednym kablem ECC,
c) transponowanie położenia jednego kabla ECC w układzie płaskim,
d) transponowanie położenia dwóch kabli ECC w układzie płaskim;
na podstawie [2, 8]
W przypadku dwóch kabli ECC należy uwzględnić geometryczny promień zastępczy żył tak utworzonej wiązki kabli. Korzystając z ogólnej zależności na geometryczny promień zastępczy wiązek przewodów, przedstawionej w [6], można przedstawić zależność dla wiązki dwóch kabli ECC:
gdzie:
γc – promień zastępczy żyły kabla ECC, w [mm],
SECC – odległość między kablami ECC, w [mm].
Określony z równania (6) geometryczny promień zastępczy wiązki dwóch przewodów ECC podstawia się w zależnościach (4) lub (5) zamiast promienia γc, w wyniku czego uzyskuje się niższe wartości napięć występujących w miejscu instalacji ograniczników przepięć.
Przy zastosowaniu dwóch kabli ECC (które są połączone i uziemione na obu końcach) może pojawić się problem przepływu prądu w takich kablach (podobnie jak ma to miejsce w układzie z obustronnym uziemieniem żył powrotnych), a zatem problem cieplnego oddziaływania kabli ECC na kable WN. Aby uniknąć tego problemu, zaleca się prowadzić kable ECC po obu stronach kabla środkowego (rys. 3d), przy czym w połowie trasy kable ECC należy zamienić miejscami między sobą (należy wykonać przeplot). Gwarantuje to, że obciążalność prądowa linii nie ulegnie zmniejszeniu.
Zalecenie wykonania przeplotu dotyczy także przypadku z jednym kablem ECC. W tym przypadku przeplot ma na celu wyrównanie maksymalnych wartości napięć indukowanych niezależnie od tego, w której fazie nastąpi zwarcie. Aby osiągnąć równość ww. napięć, należy jeszcze dodatkowo zachować odległości między kablem ECC a kablami fazowymi – zgodnie z zasadą podaną na rysunku 3b.
Jeżeli opisane powyżej zabiegi – mające na celu obniżenie napięcia występującego na żyłach powrotnych – są niewystarczające, zamiast klasycznego układu (end-point bonding) można zastosować układ przedstawiony na rysunku 4. Na rysunku tym pokazano schemat układu z uziemieniem żył powrotnych w środku trasy linii (midpoint bonding [8]). W takim układzie napięcia indukowane na żyłach powrotnych (a tym samym w miejscu instalowania ograniczników przepięć) wynikają z połowy długości linii kablowej. Pozwala to dość znacznie obniżyć wartości tych napięć, a tym samym zastosować układ z jednostronnym uziemieniem żył powrotnych do znacznie dłuższych linii kablowych.
Rys. 4. Linia kablowa z uziemieniem żył powrotnych w środku trasy, rys. D. Duda
W przypadku uziemiania linii w środku trasy wymaga się bezwzględnie wykonania dobrego połączenia żył powrotnych z kablem (kablami) ECC. W przypadku braku takiego połączenia lub niezastosowania kabla ECC, podczas zwarcia jednofazowego wewnątrz linii kablowej cały prąd zwarcia przepłynie przez uziemienie w środku linii. W takiej sytuacji nawet przy niewielkim prądzie zwarcia wystąpią niebezpieczne napięcia rażeniowe, a na nieuziemionych końcach żył powrotnych – napięcia powodujące zniszczenie zainstalowanych tam ograniczników przepięć do ochrony osłon zewnętrznych, a nawet przebicie samych osłon. Połączenia między żyłami powrotnymi a kablem ECC i uziemieniem powinny być jednak możliwe do rozłączenia (po wyłączeniu linii spod napięcia i przy użyciu odpowiednich narzędzi), w celu umożliwienia wykonania prób szczelności osłon zewnętrznych [4].
Oprócz układu przedstawionego na rysunku 4. istnieje również układ, w którym wykonuje się uziemienie żył powrotnych na obu końcach linii, a w środku rozcina się żyły powrotne i łączy je z dwoma kompletami ograniczników przepięć. Również w tym przypadku wymagane jest połączenie zacisków uziomowych ograniczników nie tylko uziomem, ale także z kablem ECC.
Jeżeli w układzie z jednostronnym uziemieniem żył powrotnych – nawet przy zastosowaniu ww. środków, pozwalających na obniżenie napięć w układzie żyła powrotna – ziemia lokalna – napięcia te są zbyt wysokie, należy zastosować układ z krzyżowaniem żył powrotnych.
Dobór ograniczników przepięć do ochrony osłon zewnętrznych
Ograniczniki przepięć podłączane do żył powrotnych mają za zadanie ochronę osłon kabli WN przed przepięciami o charakterze udarowym (przepięcia piorunowe i łączeniowe), natomiast nie są w stanie – bez zniszczenia – chronić przed przepięciami o częstotliwości sieciowej, występującymi np. podczas zwarć. Stąd konieczność doboru takich parametrów ograniczników, które zapewniają ich działanie dopiero po przekroczeniu maksymalnych wartości napięć w układzie żyła powrotna – ziemia lokalna występujących podczas zwarć. Samo ograniczanie wartości maksymalnych napięć w układzie żyła powrotna – ziemia lokalna powinno odbywać się na zasadzie doboru odpowiedniego układu połączeń i uziemień żył powrotnych i zastosowania odpowiedniego kabla lub kabli ECC.
Podstawą doboru ograniczników przepięć stosowanych do ochrony osłon zewnętrznych kabli WN jest napięcie występujące w miejscu ich instalowania podczas zwarcia jednofazowego występującego bezpośrednio za analizowaną linią kablową, określone zależnościami (4) lub (5). Zgodnie z zapisami normy [11], do określenia napięcia pracy ciągłej dobieranych ograniczników można jeszcze wykorzystać współczynnik TOV, który określa się z charakterystyk podawanych przez producenta dobieranego typu ograniczników i czasu występowania przepięcia dorywczego (TOV), który jest równy czasowi trwania zwarcia. Przy braku szczegółowych informacji o wytrzymałości osłon kabli WN, napięcia pracy ciągłej ograniczników przepięć nie powinny przekraczać wartości dopuszczalnej Udop (5 lub 7 kV). Zastosowanie ogranicznika o napięciu pracy ciągłej wyższym powinno być związane z informacją o dopuszczalnym dla osłony poziomie napięć o częstotliwości sieciowej, podanym przez producenta kabla. Ograniczniki przepięć o napięciu pracy ciągłej nieprzekraczającym Udop zapewniają jednocześnie poziom ochrony (dla przepięć o charakterze udarowym), który nie powinien przekraczać udarowej wytrzymałości osłon zewnętrznych kabli WN.
Zgodnie z powyższym, napięcie pracy ciągłej ograniczników stosowanych do ochrony osłon zewnętrznych powinno spełniać nierówność:
gdzie:
Tc – współczynnik TOV dla dobieranego typu ograniczników przepięć,
Uo – napięcie występujące w miejscu instalowania ograniczników, określone zależnościami (4) lub (5) i długością linii.
W przypadku, gdy stosuje się automatykę SPZ, odczytywana powinna być wartość Tc dla warystorów, które już zaabsorbowały określoną porcję energii.
Oprócz napięcia pracy ciągłej przy doborze ograniczników chroniących powłoki kabli należy brać pod uwagę znamionowy prąd wyładowczy Iw. Obecne wydanie normy [11] nie precyzuje wymagań w zakresie znamionowego prądu wyładowczego rozpatrywanych ograniczników. We wcześniejszych wersjach normy [11] były jednak zawarte wymagania, aby prąd ten był taki sam (lub większy) jak w przypadku ograniczników zainstalowanych na żyłach głównych kabli. Do ochrony izolacji głównej kabli 110 kV stosuje się zwykle ograniczniki o znamionowym prądzie wyładowczym 10 kA, zatem znamionowy prąd wyładowczy ograniczników przepięć do ochrony osłon zewnętrznych również nie powinien być mniejszy od 10 kA.
Kolejnym parametrem beziskiernikowych ograniczników przepięć jest napięcie obniżone przy znamionowym prądzie wyładowczym. Zgodnie z wymaganiami normy [11], poziom ochrony powinien być tak niski, jak to jest możliwe, ponieważ wytrzymałość napięciowa osłony w czasie eksploatacji nie jest dobrze znana i nie jest sprawdzana w żadnych znormalizowanych badaniach. W związku z brakiem informacji o wytrzymałości udarowej powłok kabli należy dobierać ograniczniki, które spełniając pozostałe kryteria, oferują jak najniższe wartości napięć obniżonych. Według [7, 10] wytrzymałość udarowa osłon powinna być uzależniona od poziomu wytrzymałości udarowej izolacji głównej kabli. Ograniczając się do najniższych poziomów wytrzymałości izolacji głównej, wytrzymałość udarowa osłon kabli 110 kV powinna wynosić ok. 37 kV (o ile producent kabla nie określił innej wartości). Napięcie obniżone ogranicznika powinno być zatem mniejsze od ww. wartości z 15-proc. marginesem bezpieczeństwa (uwzględnienie m.in. napięć na przewodach łączących).
Wytrzymałość zwarciowa dobieranego ogranicznika, zapewniająca wytrzymywanie przepływu prądów zwarciowych bez gwałtownego rozerwania osłony lub zapłonu, powinna być większa lub równa największej wartości prądu zwarcia jednofazowego, jaki może przepłynąć przez ogranicznik w miejscu jego zainstalowania, gdy ten stanie się przyczyną zwarcia. W celu dokładnego określenia prądu, jaki może przepłynąć przez ogranicznik wskutek jego uszkodzenia, należy wyznaczyć rozpływ prądu zwarcia jednofazowego między układ uziemiający, kabel (lub kable) ECC i jedną z żył powrotnych chronionego kabla (zakłada się, że jeden ogranicznik uległ uszkodzeniu i zwiera żyłę powrotną z kablem ECC i uziemieniem). Wytrzymałość zwarciowa powinna być w takiej sytuacji większa od części prądu zwarcia jednofazowego płynącego w takiej sytuacji w żyle powrotnej chronionego kabla.
Znamionowy prąd wyładowczy na poziomie 10 kA determinuje klasę ograniczników na DH (distribution high).
Jeżeli projektant przewiduje wykonanie napowietrzne ogranicznika, długość drogi upływu osłony zewnętrznej dobieranych ograniczników powinna być dostosowana do warunków zabrudzeniowych. Minimalną długość drogi upływu należy przyjmować na tym samym poziomie, co długość drogi upływu ograniczników chroniących izolację główną. Ograniczniki przepięć chroniące osłony kabli mogą być także zainstalowane w specjalnych skrzynkach połączeniowych, tzw. link boxach. Eliminuje się przez to narażenia środowiskowe oddziałujące na ograniczniki. W takim przypadku kryterium minimalnej drogi upływu może być pominięte.
Podsumowanie
Jednym ze sposobów eliminowania strat dodatkowych w żyłach powrotnych kabli WN jest ich uziemianie na jednym końcu. W takim układzie, jak pokazano w artykule, występuje jednak wzrost zagrożenia przepięciowego na nieuziemionym końcu żył powrotnych i zwiększone ryzyko przebijania osłon zewnętrznych kabli. Niezbędne jest zatem stosowanie odpowiedniej ochrony przed przepięciami.
Do ochrony przed przepięciami osłon zewnętrznych kabli stosuje się ograniczniki przepięć, których podstawą doboru jest napięcie będące różnicą SEM indukowanej w żyłach powrotnych oraz straty napięcia na żyle kabla ECC podczas zwarcia jednofazowego. Napięcie to nie może być zbyt wysokie, aby nie było zagrożeniem dla wytrzymałości osłon kabli WN i umożliwiało dobór takich ograniczników, które zapewnią skuteczną ochronę przed przepięciami.
Jednym z parametrów decydujących o wartości napięcia na ogranicznikach jest długość linii kablowej. Z tej racji długość linii jest krytycznym parametrem, po przekroczeniu którego układ SPB nie może być już stosowany. W artykule przedstawiono kilka sposobów pozwalających na obniżenie napięć indukowanych, a tym samym umożliwienie jeszcze stosowania układu SPB lub zastosowanie ograniczników o niższym napięciu pracy ciągłej, czyli poprawę poziomu ochrony przed przepięciami dla osłon zewnętrznych kabli WN.
Literatura
- D. Duda, M. Szadkowski, Ochrona przeciwprzepięciowa osłon kabli WN w różnych układach połączeń żył powrotnych, „Przegląd Elektrotechniczny” 2014, vol. R. 90, nr 10, s. 37-40. DOI:10.12915/pe.2014.10.09.
- D. Duda, M. Szadkowski, Kable ECC w układzie SPB kabli wysokiego napięcia, „Przegląd Elektrotechniczny” 2016, vol. R. 92, nr 10, s. 104-107. DOI:10.15199/48.2016.10.25
- D. Duda, Rozpływ prądu zwarcia 1-fazowego a dobór ograniczników przepięć do ochrony osłon kabli WN, „Przegląd Elektrotechniczny” 2018 vol. R. 94, nr 10, s. 57-60. DOI:10.15199/48.2018.10.13.
- J. Jakubowski, A. Cichy, A. Rakowska, Wytyczne projektowania linii kablowych 110 kV. Wyd. PTPiREE, Poznań 2020.
- M. Szadkowski, D. Duda, M. Kiełboń, K. Maźniewski, Z. Gacek, Zasady ochrony przed przepięciami linii i stacji elektroenergetycznych WN, SN oraz nn w spółkach OSD, Gliwice 2020.
- K. Żmuda, Elektroenergetyczne układy przesyłowe i rozdzielcze. Wybrane zagadnienia z przykładami, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2016.
- Guide to the protection of specially bonded systems against sheath overvoltages. Paper presented by Working Group 07 Study Committee no.21. Electra No.128, 1990.
- IEEE Guide for the application of sheath-bonding methods for single-conductor cables and the calculation of induced voltages and currents in cable sheaths ANSI/IEEE Std 575-1988.
- Special bonding of high voltage power cables. Technical Brochure No. 283, Working Group B1.18 CIGRE, October 2005.
- IEC 60840:2020 Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltages above 30 kV (Um= 36 kV) up to 150 kV (Um = 170 kV) – Test methods and requirements.
- PN-EN 60099-5:2018 Ograniczniki przepięć. Zalecenia wyboru i stosowania.
