Zagrożenia i sposoby ograniczenia zakłóceń od linii kablowych WN

Zagadnienia zakłóceń oraz oddziaływania pola magnetycznego kabli elektroenergetycznych WN mają coraz większe znaczenie. Linie kablowe wysokiego napięcia stanowią bowiem coraz większą część elektroenergetycznych sieci przesyłowych i dystrybucyjnych, a ponadto trasy tych linii prowadzone są często równolegle do innych linii elektrycznych, telefonicznych czy też ciągów gazowych lub cieplnych. Prowadzone są też pod lub w pobliżu budynków, obiektów użyteczności publicznej i mieszkaniowej. Wobec czego możliwość ich oddziaływania na systemy informatyczne i sygnalizacyjne ulega znacznemu zwiększeniu.

W artykule podano zależności, na podstawie których można ocenić wartość napięć zakłóceniowych oraz podano sposoby ograniczenia tych wartości poprzez wpływ na budowę kabla WN, budowę linii kablowej, konfigurację ułożenia i uziemienia kabli w linii oraz możliwości zastosowania przewodów kompensujących i dodatkowych ekranów przeciwzakłóceniowych [1, 2, 3, 4, 5]. Podano również kilka przykładów obliczeń (wykresów) z praktyki projektowej i rzeczoznawstwa budowlanego autora [6].

Zależności podstawowe

Jak wspomniano, obecność pola elektromagnetycznego i zmiany stanów pracy linii mogą wywołać niepożądane skutki oddziaływania, zwane zakłóceniami elektromagnetycznymi. W przypadku kabli elektroenergetycznych WN pracujących w sieciach 3-fazowych brane są pod uwagę dwie możliwości generowania zakłóceń, tj. na drodze sprzężenia magnetycznego i galwanicznego. Generowanie zakłóceń polega odpowiednio na:

1. indukowaniu napięć i prądów w metalowych elementach i przewodach znajdujących się w pobliżu linii WN, np. w kablach sygnalizacyjnych, liniach telefonicznych, informatycznych, w ciągach gazowych, cieplnych,
2. podwyższeniu potencjału uziemienia linii, do którego jednocześnie podłączone są inne metalowe elementy urządzeń lub przewody innych systemów przesyłu danych czy energii.

Sprzężenie magnetyczne

W przypadku kabli elektroenergetycznych sprzężenie to ma duże znaczenie praktyczne i techniczne. Występuje zarówno w warunkach pracy ustalonej, jak i awaryjnej. Biorąc pod uwagę kabel WN jako źródło zakłóceń, to wartość indukowanego napięcia, np. w ułożonym w pobliżu linii kablowej WN przewodzie metalowym czy też kablu telefonicznym o długości l_pi (rys. 1.), może być określona według wzoru [1]:

gdzie:

I – wartość prądu płynącego w żyle roboczej kabla WN (obciążenia lub zwarciowy),

l_pi – długość odcinka przewodu ułożonego wzdłuż kabla WN, w którym indukowane jest napięcie Ui,

M – jednostkowa indukcyjność wzajemna między kablem WN a przewodem o długości l_pi,

f – częstotliwość sieci linii kablowej WN,

r – współczynnik redukcyjny.

Wartość indukowanego napięcia w stanie ustalonym, przy założeniu równoległego ułożenia przewodu, w którym jest indukowane napięcie U_i, zależy przede wszystkim od wartości prądu płynącego w żyle roboczej oraz od indukcyjności wzajemnej uwzględniającej rezystywność gruntu, w którym ułożony jest kabel i przewód. Natomiast w przypadku zwarcia doziemnego trzeba wziąć pod uwagę fakt, że niecały prąd zwarciowy decyduje o wartości napięcia indukowanego, ale tylko jego część płynąca przez ziemię. Ten czynnik, jak i wiele innych, jest uwzględniony w r, tj. współczynniku redukcyjnym, który zostanie omówiony w osobnym punkcie.

Należy zauważyć również, że wartości prądu (natężeń pola magnetycznego) mogą zmieniać się w zależności od warunków eksploatacji linii, tj. wartości prądów w pracy długotrwałej i stanach awaryjnych. Przykładem oddziaływania magnetycznego może być analiza przypadku, gdy w pobliżu linii kablowej 110 kV (ułożonej w ziemi na głębokości 1 m, w układzie płaskim), w odległości 40 cm znajduje się metalowa izolowana rura o długości 5 km (ciepłociąg) [2]. Wykonane badania wykazały, że wartość indukowanego napięcia jest wprost proporcjonalna do parametrów ujętych we wzorze, określających wartość napięcia zakłócającego U_i, tj. wartości prądu, długości zbliżenia, indukcyjności wzajemnej (odległości, rezystywności gruntu). Jak można było się spodziewać, zauważono, że wartość indukowanego napięcia względem ziemi zależy nie tylko od wartości prądu obciążenia linii czy też prądu zwarcia, ale również od warunków uziemienia rury (rys. 2.).

Najmniej korzystna sytuacja występuje w przypadku uziemienia rury w jednym końcu. Wówczas wartość napięcia indukowana na pozostałym, wolnym końcu rury osiąga wartość 50 V przy obciążeniu linii kablowej 110 kV prądem 300 A oraz 7,5 kV przy przepływie prądu zwarcia o wartości 10 kA. Wartości te są dokładnie dwa razy większe aniżeli w przypadku, gdy rura byłaby nieuziemiona. Uziemienie rury na obu końcach prowadzi do przepływu prądów wyrównawczych i generuje dodatkowe straty cieplne i indukcyjne.

Długość zbliżenia ciepłociągu była bardzo długa, bo 5 km, jednak wykazano, że w przypadku pracy długotrwałej linii i obciążenia jej prądem dopuszczalnym, indukowane napięcie miało małe wartości i z tego tytułu zagrożenie ze strony linii kablowej WN jest niewielkie. Natomiast krótkotrwałe 1-fazowe zwarcie (tz £ 0.3 s) o wartości kilkunastu kA indukuje znacznie większe napięcia, ale występuje niezwykle rzadko (< 0.01 uszkodzeń/km/rok).

Sprzężenie galwaniczne

Wartość napięcia zakłócenia U_ri wywołanego sprzężeniem galwanicznym określona jest według poniższego wzoru i występuje w przypadku przepływu prądu doziemnego przez impedancję uziemienia Z_r (rys. 3.):

gdzie:

I_r – wartość prądu przepływającego przez impedancję uziemienia Z_r,

Z_r – impedancja uziemienia,

r – współczynnik redukcyjny.

Zakładając prawidłowe zaprojektowanie i wykonanie systemu uziemienia o impedancji Z_r to groźne zakłócenie ogranicza się do przypadku krótkotrwałego zwarcia 1f występującego w niedużej odległości od wejścia kabla do stacji transformatorowej, a ewentualne zmniejszenie napięcia U_ri ogranicza się do wpływu parametrów obiektu podłączonego do tego uziemienia (kabla sygnalizacyjnego czy telefonicznego, tzn. decyduje współczynnik redukcyjny obiektu zakłóceń, a nie linii kablowej).

Wartości napięć zakłóceniowych indukowanych w kablach telefonicznych na drodze sprzężenia galwanicznego osiągają wartości do 180 V/kA w zależności od rezystancji gruntu i miejsca wystąpienia zwarcia. Na przykład w przypadku rezystancji uziemienia r_i = 0,2 Ω i przebiegu linii telefonicznej o długości 2 km w odległości 0,72 m od linii 110 kV oraz zwarciu bezpośrednio przy głowicy kabla WN, wartość napięcia indukowanego na 1 kA wynosi 150 V dla rezystancji gruntu 100 Ωm, a 90 V dla r = 10 Ωm. Wartości napięć w odległości 1 km wynoszą odpowiednio 10 V i 28 V.

Poprzez porównanie wzorów dotyczących napięć zakłóceniowych, generowanych przez linie kablowe WN, można zauważyć, że indukowane napięcie wywołane sprzężeniem galwanicznym ma znacznie mniejszą wartość aniżeli wartość napięcia powstałego na skutek sprzężenia magnetycznego związanego ze zwarciem doziemnym w tym miejscu. Jest to tym bardziej widoczne, że w prawidłowo wykonanym systemie uziemienia wartość rezystancji uziemienia jest mniejsza równa 0,2 Ω, a wartość prądu Ir mniejsza w porównaniu do prądu I we wzorze (1).

Wobec powyższego zagadnienia sprzężenia galwanicznego z praktycznego punktu widzenia i zagrożenia ze strony kabli WN mogą być pomijalne. Ewentualne zakłócenie może zostać pomniejszone wpływem dodatkowego współczynnika redukcyjnego r_it, który uwzględnia np. wpływ obecności ekranu metalicznego na kablu sygnalizacyjnym czy telefonicznym.

Współczynnik redukcyjny r

Analiza dotycząca generowania zakłóceń w liniach kablowych wn ograniczyła je, ze względów praktycznych, do zagadnień sprzężeń magnetycznych i wartości prądów zwarcia płynących przez impedancję uziemienia. Zagadnienia te wiążą się głównie z obecnością pola magnetycznego wokół pracującej linii kablowej, pola o określonych wartościach natężeń charakterystycznych dla danej linii. Wartości tych natężeń mogą zmieniać się w zależności od warunków eksploatacji linii, tj. wartości napięć i prądów w pracy długotrwałej i stanach awaryjnych.

Powstaje więc pytanie, jak możemy oszacować wartość napięcia indukowanego w obiektach metalowych znajdujących się w pobliżu linii kablowej WN i jakie zabiegi powinniśmy podjąć, aby zagrożenie z tytułu obecności linii zmniejszyć, np. zmniejszyć wartość natężenia pola magnetycznego występującego na powierzchni ziemi, w której jest zakopany kabel WN. Część tych decyzji możemy podjąć na etapie projektowania, a część poprzez zabiegi na określonym obszarze występowania nadmiernych zakłóceń.

Podstawowa jest tu możliwość zmian U_i czy U_ri poprzez wprowadzenie współczynnika redukcyjnego r (wzory 1, 2) rozumianego jako iloczyn współczynników redukcyjnych zastosowanych i rozpatrywanych jednocześnie w danej linii w celu zmniejszenia generowanych napięć zakłóceniowych, jak również współczynników dotyczących obiektów zakłócanych. Wartość współczynnika r biorącego pod uwagę tylko kabel elektroenergetyczny jako źródło zakłóceń można sprowadzić do:

gdzie:

r_k – współczynnik redukcyjny prądowy linii kablowej WN,

r_k2, r_k3 – współczynnik redukcyjny ekranów metalowych, zbrojenia kabli WN,

r_lp – współczynnik redukcyjny uziemionego przewodu (bednarki) ułożonego wzdłuż linii,

r_c1, r_c2 – współczynnik redukcyjny dodatkowych przewodów kompensacyjnych,

r_ls – współczynnik redukcyjny długości sprzężenia, korekcyjny.

Rozpatrując zagadnienie tylko z punktu widzenia linii kablowej jako źródła zakłóceń musimy przede wszystkim przedyskutować rolę współczynnika r_k rozumianego jako współczynnika redukcyjnego prądu I występującego we wzorze na U_i. Współczynnik redukcyjny r_k występuje w przypadku zwarcia z ziemią i bierze pod uwagę fakt, że niecały prąd zwarciowy bierze udział w generowaniu zakłóceń. Część tego płynie z powrotem do transformatora nie przez ziemię, ale przez żyłę powrotną od miejsca zwarcia do transformatora. Prąd ten kompensuje część pola magnetycznego wywołanego przepływem prądu zwarcia w żyle roboczej uszkodzonej fazy, a więc zmniejsza wartość zakłóceń generowanych podczas zwarcia linii kablowej. Definiowany jest jako stosunek aktualnego napięcia zakłóceniowego do napięcia bez uwzględnienia efektu kompensującego prąd zwarciowy:

gdzie:

U_i – aktualna wartość napięcia zakłóceniowego w obiekcie zakłócanym,

U_io – wartość napięcia zakłóceniowego bez uwzględnienia efektu kompensacyjnego prąd zwarciowy.

Współczynnik r_k przyjmuje wartości od 0 do 1 i może być określany na podstawie pomiaru prądów zwarciowych w żyle roboczej i powrotnej podczas zwarcia:

Jeżeli kabel elektroenergetyczny WN ma dodatkowe ekrany metaliczne, to w ekranach tych będą płynąć prądy, których działanie będzie też kompensować efekt zakłóceniowy. Uwzględnia się to poprzez wprowadzenie współczynnika r_k2, r_k3. Efekt kompensujący wykazują również uziemione przewody ułożone wzdłuż długości linii. Ich obecność uwzględnia się poprzez wprowadzenie współczynnika redukcyjnego rlp. Podobną funkcję pełnią specjalnie zainstalowane przewody kompensujące, których udział jest uwzględniany przez r_c1, r_c2. Czasami wprowadza się dodatkowy współczynnik redukcyjny zwany również korekcyjnym (r_ls). Współczynnik ten przyjmuje wartości zawsze mniejsze od 1 i bierze pod uwagę fakt, że jest mało prawdopodobne, aby prąd zwarciowy linii kablowej płynął wzdłuż całej długości zbliżenia przewodu, w którym indukowane są zakłócenia.

Współczynnik długości sprzężenia, korekcyjny nie jest brany pod uwagę np. w przypadku linii sygnalizacyjnych kolejowych. Pozostałe zabiegi polegające na dodatkowym ekranowaniu części linii kablowej oraz na prawidłowym ułożeniu kabli w linii kablowej względem siebie i innych systemów mogą być ocenione na podstawie pomiarów indukcji magnetycznej wokół linii lub np. nad powierzchnią ziemi, w której są ułożone linie kablowe.

Analiza możliwości ograniczenia zakłóceń generowanych przez linie kablowe WN

Podstawą do wyboru technicznych i praktycznie możliwych do wykonania sposobów ograniczenia wartości napięć zakłóceniowych w obiektach metalowych ułożonych wzdłuż linii kablowej WN jest szczegółowa analiza parametrów budowy kabla i linii kablowej. Istotne znaczenie ma analiza współczynnika redukcyjnego prądowego rk charakterystycznego dla kabli WN, a więc dla źródła zakłóceń. Współczynnik ten określony jako:

dla którego:

Biorąc pod uwagę, że wartość prądów zależy od parametrów obwodów, w których prądy te płyną, współczynnik ten możemy określić jako:

gdzie:

R_zp i R_r – rezystancje odpowiednio żyły powrotnej i uziemienia,

L_zp i L_r – indukcyjności żyły powrotnej i systemu uziemienia.

Ze wzoru tego wynikają najważniejsze możliwości zmniejszenia współczynnika redukcyjnego r_k, r_k2, r_k3.

Przy założeniu braku najmniejszego lub żadnego wpływu na zmianę impedancji systemu uziemienia do dyspozycji pozostaje nam możliwość wpływu na rezystancję żyły powrotnej kabla elektroenergetycznego. Zmniejszenie rezystancji możemy uzyskać poprzez wykonanie żyły powrotnej z materiału o mniejszej rezystywności lub/i powiększenie przekroju żyły powrotnej.

W technice kablowej do wykonania żył powrotnych wykorzystuje się miedź, aluminium i ołów oraz stal, w zależności od rodzaju kabla i jego izolacji. Żyły te mogą być wykonane w postaci obwoju z drutów, taśm i rur gładkich lub falowanych promieniowo albo spiralnie. Przekrój żył powrotnych przeważnie wzrasta wraz z przekrojem żyły roboczej i napięcia znamionowego kabla, chociaż w niektórych rozwiązaniach jest utrzymywany na tym samym poziomie przez kilka przekrojów żyły roboczej (np. kable XLPE ). W wykonaniach specjalnych mamy więc możliwość wyboru materiału, przekroju i budowy żyły powrotnej, a tym samym wpływ na wartość napięć zakłóceniowych generowanych przez linie kablowe WN. W wykonaniach standardowych, typowych dla rodzaju kabli WN, otrzymujemy różne wartości współczynnika redukcyjnego [2]. Współczynniki r_k mogą mieć wartości w granicach >0,05 do 0,98. Najmniejsze wartości r_k (0,05) otrzymujemy dla kabli gazowych w liniach kablowych typu GIL. Żyły robocze tych kabli są otoczone stalową rurą o znacznej średnicy (0,5–1 m). Przykładowo, dla kabli o porównywalnych wymiarach (średnica ok. 25 cm) wartości te wynoszą dla kabli olejowych odpowiednio, z ekranem ołowianym r_k = 0,4, z ekranem aluminiowym w postaci rury falowanej r_k = 0,25, a dla kabli XLPE z ekranem w postaci obwoju z drutów miedzianych r_k = 0,16.

Kable elektroenergetyczne mogą dodatkowo być chronione przed uszkodzeniami mechanicznymi zewnętrznym pancerzem wykonanym w postaci obwoju z ze stalowych drutów lub cienkich blach. Dla opancerzenia stalowego wartość współczynnika redukcyjnego r_k2 zmienia się w zależności od wartości prądu zwarcia. Duże wartości prądów mogą wywołać bowiem zmniejszenie indukcyjności wraz ze zmianą stopnia nasycenia magnetycznego stalowych blach. Wartości tego współczynnika mogą zmieniać się w granicach 0,1 do 0,7. Stosuje się też rozwiązania w budowie kabli WN, w których opancerzenie wykonane jest z aluminium lub miedzi. Dla tych kabli współczynnik r_k2 może wynosić od 0,2 do 0,8 w zależności od średnicy opancerzenia, budowy i przekroju.

Różnice w wartościach r_k i r_k2 są znaczne wobec tego przy analizie wartości napięć zakłóceniowych generowanych przez kable trzeba dokładnie zapoznać się z budową ekranu metalicznego, czyli żyły powrotnej kabla, a także opancerzenia. Innym sposobem ograniczenia wartości napięć zakłóceniowych jest instalowanie po obu stronach i ponad torem linii kablowej wysokiego napięcia metalowych przewodów uziemionych na obu końcach (rys. 5.) lub uziemionego przewodu między linią kablową a linią, np. telefoniczną. Nie bez znaczenia jest również uwzględnienie roli dodatkowego przewodu (bednarki) układanego wzdłuż linii kablowej, który też może odgrywać rolę przewodu kompensującego. Współczynnik redukcyjny jest wówczas zależny od materiału przewodu (Fe,Fe/Cu,Fe/Al) oraz jego przekroju. Wartość jest oceniana w granicach 0,6 do 0,98.

Duży wpływ na wartość generowanych napięć zakłóceniowych może mieć także sposób ułożenia linii kablowej WN. Podstawowym celem w tym przypadku jest zmniejszenie wartości indukcji magnetycznej nad linią kablową. Zmniejszenie to możemy osiągnąć poprzez zmniejszenie odległości między kablami, fazami linii lub zwiększenie głębokości ułożenia. Na rysunkach 7. i 8. pokazano wpływ konfiguracji ułożenia kabli w linii oraz zmian odległości między fazami, a także głębokości zakopania kabli na wartość indukcji magnetycznej na poziomie ziemi na linią kablową [3].

Można zauważyć, że mniejsze wartości indukcji uzyskujemy poprzez ułożenie kabli w trójkąt niż w układzie płaskim. Natomiast przy ułożeniu w układzie płaskim zmniejszenie wartości indukcji magnetycznej nad linią możemy uzyskać poprzez zmniejszanie odległości między kablami linii lub pogłębienie ułożenia kabli. Zmiana głębokości ułożenia o 1 m lub zmniejszenie odległości między fazami o 22 cm powoduje ok. 50% zmniejszenie indukcji B w stosunku do wartości wyjściowych. Jest to bardzo dużo.

Do innych zabiegów zmniejszających indukcję magnetyczną na linią kablową WN należy wzajemna konfiguracja faz linii kablowych w przypadku, gdy w systemie jest ich kilka. Zasada sprowadza się do przeciwsobnego fazowo ułożenia kabli zewnętrznych poszczególnych linii. Dla torów ułożonych na tym samym poziomie, dla układu płaskiego fazy poszczególnych linii powinny być ułożone wg zasady RST TSR RST..., dla układu trójkąta równobocznego, przy założeniu, że faza S jest nad fazami RT, sekwencja powinna być RST TSR RST TSR [4]. Na rysunku 9. pokazano optymalne ułożenie faz kabli linii dwutorowej ze względu na wartość indukcji magnetycznej nad poziomem ziemi. W przypadkach, gdy każda nieomal wartość pola magnetycznego generowana przez linię kablową jest zagrożeniem dla ułożonych nad nią lub w pobliżu systemów pomiarowych, sygnalizacyjnych czy informatycznych, wówczas problem sprowadza się do dodatkowego ekranowania tej linii. Do przebadanych metod należy pokrywanie torów linii kablowych stalowymi płytami lub układanie trójfazowych linii w stalowych rurach lub przepustach [5].

Na rysunkach 10. i 11. przedstawiono przykładowe rozkłady pola magnetycznego pod liniami napowietrznymi (rys. 10) i nad liniami kablowymi WN. Na rysunku 12. pokazano wyniki obliczeń indukowanej SEM w obwodach zakłócanych ( kable telekomunikacyjne) w funkcji długości zbliżenia, z uwzględnieniem miejsca krzyżowania się tras linii zakłócającej i zakłócanej oraz zastosowania środków ograniczających wartość indukowanych napięć do wartości dopuszczalnych [6]. Z praktyki projektowej i rzeczoznawstwa budowlanego autora wynika, że obliczenia te nie są proste, a szacunkowe obliczenia prowadzą często do mylnych wniosków. Należy więc zaznaczyć, że pełne obliczenia do celów projektowych obejmują szereg zagadnień związanych z analizą zagrożenia zakłóceniowego. Pod uwagę bierze się rozpływ prądów zwarciowych i prądów zwarcia oraz lokalne wartości z uwzględnieniem kierunku ich przepływu, profile odległościowe wzdłuż długości zbliżenia, konfigurację ułożenia i uziemienia linii, parametry elektryczne i geometryczne linii kablowych lub napowietrznych (lub linie kablowo napowietrzne), liczbę torów i ich wzajemne usytuowanie, itp. Na rysunkach 10–12 przedstawiono przykłady obliczeń prowadzące do określenia stopnia oddziaływania niebezpiecznego oraz napięcia przy sprzężeniach konduktancyjnych. Obliczenia te ważne są szczególnie w odniesieniu tras kabli układanych w pobliżu linii kolejowych, w pasie technicznym kolei.

Podsumowanie

Linie kablowe wysokiego napięcia stanowią coraz większą część elektroenergetycznych sieci przesyłowych i dystrybucyjnych. Udział ten jest największy w sieciach o napięciu znamionowym do 110 kV. W Polsce w zakresie napięć 15–20 kV długość linii kablowych stanowi znaczącą część sieci i osiąga udział w granicach 40–95%. W ostatnim okresie wzrasta również systematycznie ilość linii kablowych o napięciu 110 kV. Dotyczy to szczególnie konglomeracji miejskich. Wobec powyższego i wobec rozwijającej się ery informatycznej coraz większą uwagę i wymagania stawia się liniom elektroenergetycznym WN, w tym kablowym. Coraz częściej dotyczy to generowania zakłóceń elektromagnetycznych, które mogą być zagrożeniem dla niezawodności systemów informatycznych i pomiarowych.

Literatura

1. L. Heinhold, Kabel und Leitungen fur Starkstrom, Verlag Siemens AG Berlin&Munich,1987.
2. W. Brandes, Plannungspramissen 110 kV- Kabelnetze, ETG Konf. Essen, 1993.
3. J.C. Verite, Magnetic fields in HV cable systems, CIGRE,1996.
4. A. Charoy, Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych, WNT, Warszawa 2000.
5. G. Bucea, H. Kent, Shielding techniques to reduce magnetic fields associated with underground power cables, CIGRE 1998.
6. A. Rynkowski, Projekty i ekspertyzy dotyczące oddziaływania zakłóceniowego linii kablowych i napowietrznych WN na infrastrukturę telekomunikacyjną oraz infrastrukturę teletechniczną i sygnalizacyjną. Materiały niepublikowane.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!