Analiza zjawisk przepięciowych w liniach kablowych SN ze szczególnym uwzględnieniem sposobu uziemienia ich żył powrotnych

W takim układzie zapewnione zostaje odprowadzenie prądu zwarciowego oraz bezpieczeństwo porażeniowe i przeciwprzepięciowe. Wykorzystując taką konfigurację, napięcie na żyle powrotnej jest pomijalnie niskie, co skutkuje możliwością spełnienia warunków ochrony przepięciowej bez konieczności stosowania dodatkowych środków ochrony. Istotną wadą takiego rozwiązania jest pojawienie się w trakcie normalnej pracy znacznych strat energii elektrycznej wynikających z przepływu prądów powłokowych.

Straty energii w kablach elektroenergetycznych stanowią istotny koszt dla operatorów sieci przesyłowych i dystrybucyjnych. Straty te są przedmiotem wielu prac badawczych, które mają na celu opracowanie zmian konfiguracji i sposobu pracy linii kablowej. Ich źródłem w liniach kablowych są żyły robocze, izolacje oraz powłoki przewodzące kabla, takie jak: żyła powrotna, pancerze czy warstwa półprzewodząca. Redukcja strat w kablowych sieciach SN jest możliwa poprzez wykorzystanie metod stosowanych w liniach kablowych WN i NN, a mianowicie zastosowanie alternatywnych sposobów połączeń i uziemienia żył powrotnych, takich jak: uziemienie jednostronne z ogranicznikami przepięć, przeplecenie żył powrotnych bez lub z transpozycją lub dodawanie rezystancji lub reaktancji w miejscu uziemienia [3, 7, 12].

Konfiguracja uziemienia żył powrotnych kabli elektroenergetycznych, w których żyły powrotne uziemione są dwustronnie, w wariantach jednostronnego nieuziemienia jednej lub dwóch faz żyły powrotnej to propozycja układu, który może stanowić rozwiązanie problemu, jakim są straty przesyłowe wynikające z indukowania się prądów powłokowych w żyle powrotnej, przy jednoczesnym zapewnieniu spełnienia wymagań stawianych żyłom powrotnym oraz optymalnych kosztach wprowadzenia takiego rozwiązania [1].

Analiza źródeł literaturowych dotyczących tego zagadnienia pozwala na wnioskowanie, że możliwe technicznie i opłacalne ekonomicznie jest wykonanie uziemienia żył powrotnych kabli elektroenergetycznych SN z nieuziemioną jedną bądź dwiema fazami żyły powrotnej. Podstawowym zastrzeżeniem jest jednak indukujące się w nieuziemionych żyłach napięcie, mogące stanowić zasadnicze niebezpieczeństwo przepięciowe dla powłok zewnętrznych kabli.

Wzrost wartości płynącego w żyle roboczej kabla elektroenergetycznego prądu przemiennego będzie skutkował proporcjonalnym dla tego układu wzrostem poziomu napięć wyindukowanych w żyle powrotnej [5]. Takie zjawisko będzie miało miejsce w przypadku wystąpienia warunków zakłóceniowych, podczas których prąd przepływający przez żyłę roboczą będzie krotnością prądu roboczego, co następuje między innymi w trakcie trwania zwarć międzyfazowych oraz doziemnych. W sieciach SN, będących w większości sieciami o charakterze mieszanym kablowo-napowietrznym, bardzo prawdopodobnymi zdarzeniami są zwarcia doziemne, a szczególnie zwarcia doziemne jednofazowe. Zdarzenia tego typu stanowią źródło ziemnozwarciowych przepięć dorywczych, które mogą stwarzać zagrożenie dla izolacji urządzeń elektroenergetycznych. Poziom przepięć dorywczych będzie wynikał zarówno z wartości prądu zakłóceniowego powstałego w wyniku zwarcia doziemnego, jak i z długości kabla oraz z indukcyjności wzajemnej żyły roboczej i powłok kabla zależnej od wymiarów geometrycznych układu i przenikalności magnetycznej środowiska. Wszystkie te składowe będą znaczące również z punktu widzenia zmiany sposobu uziemienia żył powrotnych.

Celem zaprezentowanych w artykule badań jest ocena wpływu parametrów sieci elektroenergetycznych na poziom napięć ziemnozwarciowych w sytuacji wykorzystania w sieci kablowej zaproponowanych konfiguracji uziemienia ich żył powrotnych.

Kable elektroenergetyczne średniego napięcia

Prądy powłokowe w żyłach powrotnych

Zastosowanie w systemie elektroenergetycznym linii kablowej wymaga uwzględnienia zjawisk fizycznych, jakie zachodzą między powłokami kabla. Zarówno w przypadku przepływu przez żyłę roboczą prądów roboczych, jak i prądów zakłóceniowych, dochodzi do wyindukowania się siły elektromotorycznej w żyle powrotnej. Zjawisko to nazywane jest rozwojem prądów powłokowych w liniach kablowych [4, 8, 9].

Na rysunku 1. przedstawione zostało zjawisko rozwoju prądów powłokowych, wynikające ze sprzężenia magnetycznego istniejącego pomiędzy żyłą roboczą a ekranem metalicznym. Przepływ prądu przez przewodnik, wynikający z różnicy potencjałów na niego oddziałujących, można opisać, korzystając z równań Maxwella.

W wyniku pojawiania się sił oddziałujących na powłoki kabli elektroenergetycznych, w żyłach powrotnych dochodzi do przepływu indukowanego prądu elektrycznego, którego konsekwencją jest powstawanie strat energii elektrycznej. Jest to jeden z czynników, których występowanie powoduje wzmożone zainteresowanie sposobami uziemienia żył powrotnych linii kablowych na poziomie napięć średnich.

Propozycja konfiguracji uziemienia

W literaturze można spotkać wiele rozwiązań, które pozwalają na ograniczenie niebezpiecznych poziomów napięć pojawiających się na ekranach metalicznych w różnych warunkach pracy linii kablowej oraz zminimalizowanie przepływu prądu powłokowego. Najczęściej stosowane metody uziemienia żył powrotnych omówione są w normach oraz standardach [2, 6]. Bez względu na sposób, w jaki są wykonane, uziemienia ekranów metalicznych muszą spełniać następujące warunki:

• zapewniać uziemienie kabla elektroenergetycznego,
• zagwarantować drogę przepływu dla prądu zakłóceniowego przez żyłę powrotną,
• ograniczyć napięcie indukowane na żyle powrotnej do akceptowalnego i minimalnego poziomu,
• znacznie zmniejszyć lub wyeliminować straty energii elektrycznej,
• ograniczyć przepięcia w stanach przejściowych do poziomu akceptowalnego, z uwzględnieniem połączeń z ogranicznikami przepięć.

Możliwość spełnienia wszystkich tych warunków jest ważnym zagadnieniem, które rozpatruje się dla linii kablowych na wszystkich poziomach napięć. Najczęściej wykorzystywane sposoby łączenia żyły powrotnej z ziemią są w stanie zapewnić całkowite spełnienie części z tych wymagań. W związku z zastrzeżeniami dotyczącymi aktualnie stosowanych metod uziemienia żył powrotnych kabli SN, zostały zaproponowane zmiany w podejściu do konfiguracji obustronnego ich uziemienia. Ograniczenie strat energii elektrycznej w kablach, przy jednoczesnym zapewnieniu ochrony przeciwporażeniowej i zminimalizowaniu zagrożenia przepięciowego, jest możliwe poprzez zaproponowanie alternatywnego układu połączeń żyły powrotnej, przedstawionego na rysunkach 2., 3. oraz 4. Na potrzeby badań konfiguracje otrzymały oznaczenia: wariant a, wariant b oraz wariant c.

Istotnym aspektem koniecznym do oceny sposobu pracy żył powrotnych jest możliwość występowania przepięć zagrażających powłoce zewnętrznej linii kablowej. W przypadku pracy normalnej nie występuje zagrożenie przepięciowe w liniach z jednostronnie nieuziemionymi, całkowicie lub częściowo, żyłami powrotnymi. Znaczne zagrożenie pojawia się natomiast w momencie występowania zwarć doziemnych oraz międzyfazowych w kablach SN. Szczególnie narażone na zjawiska przepięciowe będą kable współpracujące w układzie z linią napowietrzną, gdzie zwarcia zdarzają się dużo częściej [13, 14].

Badania symulacyjne

Założenia ogólne

Ocena wpływu zmian parametrów sieci na powstanie przepięć ziemnozwarciowych w żyłach powrotnych kabla, przy zastosowaniu proponowanych wariantów konfiguracji ich pracy, opierać się będzie na badaniach symulacyjnych przeprowadzonych z wykorzystaniem narzędzia DIgSILENT Power Factory w wersji programu z roku 2022.

Na rysunku 5. przedstawiony został schemat poglądowy fragmentu sieci elektroenergetycznej, który posłużył jako punkt wyjścia do stworzenia modelu symulacyjnego. 

Sieć, przyjęta jako podstawowa konfiguracja układu, składa się z części zasilającej układ w stacji WN/SN. W trakcie symulacji komputerowych sieć uziemiona jest przez dławik gaszący.

Ponadto stacja wyposażona jest w dwa pola liniowe, spośród których pole kablowo-napowietrzne będzie stanowiło miejsce wykonywania modyfikacji. Zakres badań będzie obejmował badanie maksymalnego poziomu przepięć ziemnozwarciowych powstających w żyłach powrotnych kabla elektroenergetycznego na skutek występowania zwarcia doziemnego w pobliżu kabla.

Kroki symulacji komputerowej zostały dobrane w sposób pozwalający zarejestrować napięcia indukowane w żyłach powrotnych w stanie pracy normalnej oraz podczas zmiany stanu na zakłóceniowy, wynikający ze zwarcia doziemnego. Power Factory pozwala na stworzenie zdarzeń symulacyjnych o określonych właściwościach, w trakcie których obliczane są wielkości charakterystyczne dla wszystkich elementów zawartych w zamodelowanej sieci elektroenergetycznej. W przypadku analizy przepięć ziemnozwarciowych zasymulowane jest zwarcie doziemne, którego prąd wpłynie na indukowane w żyłach powrotnych kabla napięcia, przy jednoczesnym przepływie prądu przez żyły robocze kabla elektroenergetycznego. Opis zdarzenia symulacyjnego zamieszczono w tabeli 1.

Ocena wpływu parametrów na poziom przepięć ziemnozwarciowych

Symulacje komputerowe zostały przeprowadzone dla trzech wariantów pracy żył powrotnych ciągu kablowego, a ocenie podlegały bezwzględne, maksymalne wartości napięcia indukowanego w żyłach powrotnych, przy zmianie wybranych parametrów. Zmianie będą podlegać takie parametry, jak: obciążenie kabla prądem roboczym, sposób ułożenia trójfazowej linii kablowej, pole przekroju poprzecznego żył roboczych i powrotnych, długość linii kablowej oraz rezystancja przejścia w miejscu zwarcia. Najważniejsze rezultaty dla poszczególnych zakresów zmiennych przedstawione zostały w postaci przykładowych wykresów wartości maksymalnych uzyskanych dla fazy i przebiegów oraz tabel z wynikami maksymalnych przepięć ziemnozwarciowych. Dla wariantów a, b oraz c przeprowadzono symulacje komputerowe uwzględniające wszystkie podane powyżej zmienne.

Obciążenie kabla prądem robocznym

Graficzna prezentacja wyników na rysunku 6. wskazuje na znaczącą relację między prądami obciążenia w żyłach roboczych linii kablowej a przepięciami indukowanymi w żyłach powrotnych w trakcie powstawania zwarcia. 

Można zauważyć, że dla niższych wartości prądów obciążenia linii wartości napięć maksymalnych są największe i przyjmują dla faz jednostronnie nieuziemionych wartości nawet powyżej 4 kV.

Zgodnie z wykresem zmian, można zauważyć, że wraz ze wzrostem obciążenia napięcia są tłumione i przy bardzo dużych obciążeniach linii kablowej przepięcia są mniejsze niż przy małych obciążeniach, chociaż zgodnie z przebiegami napięć w czasie, napięcia indukowane w żyłach powrotnych w stanie zwarcia wzrastają wraz z mocą odbioru. W celu zobrazowania tego zjawiska przedstawiono przykładowe porównanie przebiegów napięć indukowanych w żyłach powrotnych wszystkich faz linii kablowej, które zamieszczono na rysunku 7. 

Dla wariantu b i obciążenia 0,5 MW oraz 5 MW przedstawiono zmienność napięcia w czasie w miejscu przyłączenia linii kablowej do słupa linii napowietrznej.

Sposób ułożenia trójfazowej linii kablowej

Do układania w ziemi trójfazowych linii kablowych wykorzystuje się głównie dwie metody rozmieszczania kabli jednożyłowych – układ trójkąta i układ płaski. W układzie trójkąta odległości między osiami poszczególnych kabli są takie same we wszystkich punktach ciągu kablowego i równe średnicy zewnętrznej tych kabli. W przypadku układu płaskiego odległości między środkami kabli są różne i zależne od standardu, w którym została ułożona linia kablowa.

Metody ułożenia i odległości między jednożyłowymi kablami dobrane zostały na podstawie danych literaturowych oraz standardów i norm krajowych. Założono, że przewody zostały ułożone w rowach, na głębokości 0,8 m. W ramach badań symulacyjnych przeprowadzone zostały analizy zdarzeń zwarciowych, zgodne z założeniami poczynionymi na wstępie.

Pole przekroju poprzecznego żyły roboczej

Rezystancja żył roboczych zmniejsza się odwrotnie proporcjonalnie do ich pola przekroju poprzecznego, a zatem: im większe pole przekroju poprzecznego kabla, tym mniejszych strat można się spodziewać. W celu przeprowadzenia symulacji przy zmiennym polu przekroju żyły roboczej zdecydowano się na pogrupowanie ich ze względu na pole przekroju żył powrotnych.

Pole przekrojów poprzecznych powłok metalowych i pozostałe parametry kabli wybrane do badań zostały zaczerpnięte z kart katalogowych kabli średniego napięcia o izolacji polietylenowej.

Jako reprezentację zależności na rysunku 8. przedstawiono wykres wpływu pola przekroju poprzecznego żyły roboczej na przepięcia ziemnozwarciowe dla przykładowego układu z kablem elektroenergetycznym o stałym polu przekroju poprzecznego żyły powrotnej równym 50 mm².

Pole przekroju poprzecznego żyły powrotnej

Zmiany prądów i napięć indukowanych w żyłach powrotnych kabla elektroenergetycznego zależeć będą również od ich pola przekroju poprzecznego. Zgodnie z wartościami katalogowymi, rezystancja żył powrotnych o większych polach przekroju będzie mniejsza w porównaniu do żył o mniejszych polach przekroju. Na rysunku 9. zaprezentowano graficzne ujęcie wartości przepięć w układzie z kablami o polu przekroju poprzecznego żyły roboczej równym 150 mm². 

Uzyskane wyniki wskazują na nieznaczny spadek wartości maksymalnego przepięcia ziemnozwarciowego w żyle powrotnej fazy A oraz wzrost w przypadku pozostałych faz, bez względu na sposób uziemienia żył powrotnych linii kablowych.

Długość linii kablowej

Długość linii dystrybucyjnej jest ważną wielkością z punktu widzenia parametrów ich schematów zastępczych, a zatem wielkości charakterystycznych, takich jak: prądy i napięcia w fazach. Zakres wybranych długości kabla od 1 km do 10 km jest zakresem skrajnym i zakładającym, że kabel stworzony jest z jednego, spójnego odcinka. Graficzna prezentacja wyników dla przekroju poprzecznego kabla 150/50 zamieszczona została na rysunku 10. 

Otrzymane wyniki wskazują na zachowanie pewnej powtarzalności względem wpływu długości kabla na napięcie indukowane w żyłach powrotnych, która związana jest z tłumieniem rezystancyjnym przepięcia we wszystkich trzech fazach, dla wariantów a oraz c, oraz tłumieniem przepięcia w żyłach powrotnych faz A i C. Dla wariantu b żyła powrotna pozostaje jednostronnie połączona z uziemieniem, a zatem w fazie B zmienia się rozpływ prądów wpływający na indukowanie się napięcia w obwodzie powrotnym tej fazy.

Rezystancja przejścia w miejscu zwarcia

Ostatnią kategorią prowadzonych badań jest ocena wpływu wielkości rezystancji przejścia w miejscu zwarcia doziemnego na poziom przepięć ziemnozwarciowych w żyłach powrotnych. Zgodnie z literaturą, rezystancja przejścia jest parametrem wykorzystywanym do obliczenia poziomu parametrów ziemnozwarciowych i wzrost jej wartości będzie miał wpływ na zmniejszenie się prądów zwarciowych. Zakres tej części badań obejmował zmianę rezystancji przejścia w zakresie od 0 Ω do 25 Ω, czyli przedział zwarć niskooporowych. Wyniki przedstawiono na rysunku 11. w postaci wykresu zmienności napięć indukowanych w żyłach powrotnych trzech faz linii kablowej w zależności od rezystancji przejścia.

Wnioski i podsumowanie

Podstawą podjęcia tematu była próba odpowiedzi na wyzwania zminimalizowania strat dystrybucji energii elektrycznej w kablach elektroenergetycznych średniego napięcia, związanych z indukowaniem się prądów przepływu w żyłach powrotnych tych kabli. Jednym z rozwiązań tego problemu są zaproponowane we wstępie do pracy warianty z różnymi konfiguracjami uziemienia żył powrotnych trójfazowych linii kablowych. Zaletami rozwiązań łączących dwustronne i jednostronne uziemienie żył powrotnych – poza zmniejszeniem strat energii – są również niewielkie nakłady związane z wprowadzeniem tych koncepcji do istniejących już sieci elektroenergetycznych. W podstawowej wersji zaproponowane warianty nie wymagają zmian w układach funkcjonalnych – poza odziemieniem jednej lub dwóch żył powrotnych istniejącej trójfazowej linii kablowej – i mogą być zastosowane w dowolnym istniejącym układzie, bez konieczności zmiany elementów systemu. Najważniejszym wyznacznikiem takiego postępowania było określenie, czy przepięcia mogące pojawić się na nieuziemionych żyłach powrotnych nie będą stanowiły zagrożenia przepięciowego dla izolacji zewnętrznej kabla.

Zgodnie z zaleceniami normatywnymi, powłoki zewnętrzne kabli elektroenergetycznych średniego napięcia muszą przejść test szczelności, który polega na przyłożeniu do nich napięcia o wartości 5 kV przez 1 min. Warunkiem oceny przepięć uzyskanych w wyniku badań było zatem nieprzekroczenie wartości 5 kV [11]. Zgodnie z przedstawionymi wynikami wartości przepięć ziemnozwarciowych, istnieją takie warunki pracy sieci, przy których wartość ta zostaje przekroczona. Oznacza to, że dla określonych parametrów sieci należy przeprowadzić analizę przypadku i w sytuacji, gdy w sieci zostanie zaimplementowany sposób uziemienia żyły powrotnej mogący wpłynąć na zagrożenie przepięciowe, należy zastosować ograniczniki przepięć SVL.

Głównym osiągnięciem przeprowadzonych badań symulacyjnych było określenie poziomów przepięć, na jakie narażona będzie powłoka zewnętrzna kabla elektroenergetycznego w następstwie zmiany sposobu uziemienia żyły powrotnej. Otrzymane na ich podstawie wartości maksymalne przepięć ziemnozwarciowych, indukowanych w żyłach powrotnych jako efekt pojawienia się zwarcia w ciągu kablowo-napowietrznym, wskazują na konfiguracje pracy sieci, w których wykorzystanie zaproponowanych wariantów będzie możliwe, przy zapewnieniu izolacji zewnętrznej kabla bezpiecznych warunków pracy, przy jednoczesnym nieingerowaniu w układ sieci, a także niedołączaniu dodatkowych urządzeń.

Literatura:

1. J. Andruszkiewicz, J. Lorenc, K. Łowczowski, A. Weychan, J. Zawodniak, Energy losses’ reduction in metallic screens of MV cable power lines and busbar bridges composed of single-core cables, Eksploatacja i Niezawodność, 2020, 22(1), s. 15-25. 
2. CIGRE Technical Brochure 283: Special bonding of high voltage power cables, Working group B1.18, 2005.
3. S. Czapp, K. Dobrzyński, J. Klucznik, Z. Lubośny, Analysis of Induced Voltages and Power Losses in High Voltage Cables for Selected Methods of Cables Sheaths Bonding, Acta Energetica, 2017, vol. no 2(31), s. 29-35.
4. P. Czarnywojtek, J. Kozłowski, W. Machczyński, Elektromagnetyzm, Wydawnictwo Uczelni Państwo-wej Wyższej Szkoły Zawodowej im. Prezydenta Stanisława Wojciechowskiego w Kaliszu, Kalisz 2011.
5. D. Duda, M. Szadkowski, Ochrona przeciwprze-pięciowa osłon kabli WN w różnych układach połączeń żył powrotnych, Przegląd Elektrotechniczny, 2014, 10, s. 37-40.
6. IEEE Guide for Bonding Shields and Sheaths of Single-Conductor Power Cables Rated 5 kV trough 500 kV; IEEE Standard Association: Piscataway, NJ, USA, 2014.
7. C.K. Jung, J.B. Lee, J.W. Kang, X.H. Wang, Y.H. Song, Sheath current characteristic and its reduction on underground power cable system, IEEE Power En-gineering Society General Meeting, 2005, San Fran-cisco, CA, USA, 2005, Vol. 3, pp. 2562-2569.
8. M. Krakowski, Obwody ziemnopowrotne, Wy-dawnictwo Naukowe WNT, Warszawa 1979.
9. M. Krakowski, Elektrotechnika Teoretyczna. Pole elektromagnetyczne, tom 2, wydanie 5, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1995.
10. PN-HD 605 S1:2007 Kable elektroenergetyczne - Dodatkowe metody badania.
11. PN-HD 620 S2:2010 Kable energetyczne o izolacji wytłaczanej na napięcie znamionowe od 3,6/6 (7,2) kV do 20,8/36(42) kV włącznie.
12. S. Sakalkale, K. Kanakgiri, Study of Underground Power Cable Considering Sheath Circulating Current, Proceedings of Fourth IRF International Conference 2014; 7-10.
13. X. Zhao, J. Li, L. Pu, Z. Ju, S. Ren and W. Duan, Transient Overvoltage in 10kV Hybrid OHL-Cable System during Line Energization, IEEE International Conference on High Voltage Engineering and Applica-tion, 2018.
14. D. Zhao, J. Zhang, H. Huang, R. Ma, Overvoltage and insulation coordination of 220 kV urban cable and hybrid lines, East China Electric Power, vol. 40, no. 2, pp. 270-274, Feb. 2012.