Przepięcia o częstotliwości własnej obwodu (bliskiej częstotliwości siecio-wej) i przepięcia wywołane wyładowaniami bezpośrednimi lub indukowanymi scharakteryzowane w podrozdziale 2.2 monografii są dużym zagrożeniem dla układów izolacyjnych sieci SN i WN. Wskutek ich negatywnego oddziaływania ulega ograniczeniu niezawodność sieci. Liczba rejestrowanych zakłóceń*) i uszkodzeń**) jest ważną przesłanką do analiz tych zjawisk i podjęcia decyzji o niezbędnych czynnościach eksploatacyjnych lub modernizacyjnych.
Dane źródłowe o awaryjności zawierają między innymi informacje o liczbie zakłóceń i uszkodzeń poszczególnych urządzeń sieciowych, przyczynach ich powstania, czasie trwania i niedostarczonej energii elektrycznej. W zebranym materiale dotyczącym awaryjności dokonana jest charakterystyka statystyczna majątku sieciowego, obejmująca urządzenia pierwotne i wtórne sieci, a następ-nie prezentowane są wskaźniki awaryjności poszczególnych rodzajów urządzeń bądź ich elementów. Prezentacja wskaźników awaryjności uwzględnia podział wskazujący na przyczynę zdarzenia.
Do najczęściej występujących przyczyn uszkodzeń sieci elektroenergetycz-nych bądź ich elementów należą: huraganowe wiatry, miejscowe osłabienie izolacji, przepięcia sieciowe i piorunowe, korozja, starzenie materiału, zmęcze-nie mechaniczne materiału, zwierzęta oraz działazmęcze-nie osób postronnych. Prze-prowadzona przez autora analiza danych zgromadzonych w okresie ostatnich 12 lat pozwala na stwierdzenie, że liczba zakłóceń i uszkodzeń urządzeń WN i SN zmniejsza się systematycznie (rys. 2.10). Przyczyną tego jest przede wszystkim odnotowany w ostatnich latach postęp w technice i technologii produkcji urzą-dzeń elektroenergetycznych, zwłaszcza w zakresie materiałów izolacyjnych, aparatów łączeniowych i automatyki zabezpieczeniowej. Odnotowane zmniej-szenie liczby zakłóceń i uszkodzeń odnosi się również do poszczególnych rodza-jów urządzeń elektroenergetycznych. Porównanie wskaźników zakłóceń i uszkodzeń dla różnych rodzajów urządzeń SN i WN, wyrażonych procentowym udziałem w ogólnej liczbie tych zdarzeń przedstawiono na rysunku 2.11.
W rozpatrywanym okresie czasu (1995–2006) najmniejszy wskaźnik uszko-dzeń stwierdzono w grupie transformatorów, a najwyższy – w grupie linii kablo-wych. Wysoki wskaźnik uszkodzeń linii kablowych jest spowodowany znaczną liczbą eksploatowanych kabli o izolacji z polietylenu termoplastycznego nieusie-ciowanego. Polietylen termoplastyczny jest nieodporny na proces drzewienia i
*) Zakłócenie w systemie elektroenergetycznym to niekorzystny stan pracy charakteryzu-jący się utratą zdolności do spełniania wymaganych funkcji przez poszczególne urzą-dzenia w systemie.
**) Uszkodzenie jest to stan urządzenia (systemu), w którym nie jest ono zdolne do speł-niania wymaganych funkcji.
powoduje znaczące zmniejszenie m.in. wytrzymałości udarowej izolacji linii ka-blowej, a tym samym wpływa na pogorszenie jej wskaźnika awaryjności.
0 500 1000 1500 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 Lata Liczba zdarze ń
Liczba zakłóceń Liczba uszkodzeń
Rys. 2.10. Porównanie liczby zakłóceń i liczby uszkodzeń urządzeń wysokiego i
śred-niego napięcia w latach 1995–2006 [189]
Fig. 2.10. Comparison of failure frequency of high and medium voltage devices during
the period of 1995–2006 [189]. 0 5 10 15 20 25 30 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 Lata Warto ść ws ka źnika (w %)
Wskaźnik zakłóceń linii napowietrznych Wskaźnik zakłóceń linii kablowych
Wskaźnik uszkodzeń linii napowietrznych Wskaźnik uszkodzeń linii kablowych
Wskaźnik uszkodzeń transformatorów
Rys. 2.11. Porównanie wskaźników zakłóceń i uszkodzeń dla różnych rodzajów
urzą-dzeń wysokiego i średniego napięcia w podziale na lata [189]
Fig. 2.11. Comparison of failure and fault rates for various types of high and medium
voltage devices on periodic terms [189].
Zakłócenia w sieciach elektroenergetycznych są zjawiskiem niepożądanym głównie ze względu na ich skutki. Miarą racjonalności podejmowanych działań w kierunku ograniczenia tych zdarzeń, a tym samym zagwarantowania ciągłości dostaw energii elektrycznej, stabilności pracy systemu i możliwości rozwoju
sieci, są wskaźniki określające w skali roku ilość niedostarczonej energii elek-trycznej oraz wskaźniki nieciągłości zasilania.
Dane dotyczące energii elektrycznej niedostarczonej odbiorcom wskutek uszkodzeń występujących w sieci elektroenergetycznej SN i WN w latach 1996– 2006 wykorzystano do sporządzenia wykresu przedstawionego na rys. 2.12. Bazą wyjściową do obliczania wskaźnika nieciągłości zasilania są ilości energii sprzeda-nej i energii niedostarczosprzeda-nej (q = energia niedostarczona/energia sprzedana). Wskaźniki nieciągłości zasilania są określane dla poziomu napięcia średniego i ni-skiego oraz uwzględniają niedostarczenie energii elektrycznej zarówno wskutek zakłóceń, jak i wykonywania prac planowych. Również w tym przypadku notowana jest korzystna tendencja obniżenia wskaźnika nieciągłości zasilania (rys. 2.13).
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 Lata N ied ost ar cz on a e n er gi a el ek tr yc zn a ( M W h )
Rys. 2.12. Energia elektryczna niedostarczona odbiorcom wskutek uszkodzeń
występujących w sieciach elektroenergetycznych SN i WN [189]
Fig. 2.12. Amounts of undelivered energy due to power network failure
in power networks MV and HV[189].
5,51 10,84 2,55 5,84 5,22 4,2 4,32 0 2 4 6 8 10 12 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 Lata Ws ka źni k ni ec ią gł oś ci ( q)
Rys. 2.13. Wskaźnik nieciągłości zasilania (q·10-4) dla sieci SN z powodu uszkodzeń [189]
Fig. 2.13. Supply discontinuity rate (q·10-4) for middle voltage networks resulting from failures [189].
Wśród wielu przyczyn zakłóceń lub uszkodzeń rejestrowanych w liniach na-powietrznych, kablowych i stacjach transformatorowych na szczególną uwagę zasługują przepięcia. Na podstawie danych statystycznych zebranych z doku-mentacji eksploatacyjnej urządzeń elektroenergetycznych Oddziału Opole Ener-giiPro KE SA określono procentowy wskaźnik uszkadzalności linii napowietrz-nych SN i WN, linii kablowych średniego napięcia oraz stacji transformatoro-wych WN/SN i SN/nn spowodowanej przepięciami sieciowymi i piorunowymi. Uzyskane wyniki zostały przedstawione w formie wykresów na rysunkach 2.14– 2.17. 0 20 40 60 80 100 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 Lata Wsk aź nik us zkod ze ń (% )
przepięcia sieciowe przepięcia piorunowe inne
Rys. 2.14. Procentowy udział uszkodzeń linii napowietrznych SN i WN wywołanych
przepięciami sieciowymi i piorunowymi w ogólnej liczbie uszkodzeń tych linii [189]
Fig. 2.14. Share of medium and high voltage overhead line failures resulting from
internal and lightning overvoltages in the total number of failures in these lines [189].
0 10 20 30 40 50 60 70 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 Lata Wsp ół czynnik us zkodze ń (% )
przepięcia sieciowe przepięcia piorunowe inne
Rys. 2.15. Procentowy udział uszkodzeń linii kablowych SN wywołanych
przepię-ciami sieciowymi i piorunowymi w ogólnej liczbie uszkodzeń tych linii (linia czerwo-na ozczerwo-nacza tendencję) [189]
Fig. 2.15. Share of medium and high voltage cable line failures resulting from internal
and lightning overvoltages in the total number of failures in these lines (the red line means tendency) [189].
Wynika z nich, że największe zagrożenie dla urządzeń elektroenergetycznych stanowią przepięcia piorunowe i sieciowe.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 Lata Wsk aź nik us zkodz eń (% )
przepięcia sieciowe przepięcia piorunowe inne
Rys. 2.16. Procentowy udział uszkodzeń stacji transformatorowych 110/15 kV
wywo-łanych przepięciami sieciowymi i piorunowymi w ogólnej liczbie uszkodzeń tych linii (linia czerwona oznacza tendencję) [189]
Fig. 2.16. Share of 110/15 kV transformer station failures resulting from internal
and lightning overvoltages in the total number of failures in these lines (the red line means tendency) [189].
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 Lata Ws ka źni k us zkod ze ń (% )
przepięcia sieciowe przepięcia piorunowe inne
Rys. 2.17. Procentowy udział uszkodzeń stacji transformatorowych 15/0,4 kV
wywołanych przepięciami sieciowymi i piorunowymi w ogólnej liczbie uszkodzeń tych linii (linia czerwona oznacza tendencję) [189]
Fig. 2.17. Share of 15/0.4 kV transformer station failures resulting from internal and
lightning overvoltages in the total number of failures in these lines (the red line means tendency) [189].
W celu dokonania oceny udziału liczby uszkodzeń linii napowietrznych WN i SN, linii kablowych oraz stacji transformatorowych wywołanych przepięciami sieciowymi i piorunowymi w ogólnej liczbie uszkodzeń tych urządzeń, w tablicy 2.8 zestawiono wartości średnie tych wskaźników, wyrażone w procentach. Na podstawie otrzymanych wykresów określono również tendencje ich zachowania w ciągu ostatnich ośmiu lat.
Analiza wartości wskaźnika uszkodzeń dla urządzeń wyszczególnionych w tablicy 2.8 wskazuje, że przepięcia sieciowe stanowią największe zagrożenie dla izolacji żył roboczych kabli SN. Natomiast przepięcia piorunowe stanowią naj-większe zagrożenie dla izolacji urządzeń zainstalowanych na stacjach transfor-matorowych SN/nn.
Jednocześnie stwierdzono, że przepięcia sieciowe mają znikome znaczenie w przypadku izolacji linii napowietrznych SN i WN (rys. 2.14). Natomiast oba rodzaje przepięć stanowią narażenie przepięciowe – prawie na jednakowym poziomie – dla stacji transformatorowych WN/SN.
Wysoka wartość wskaźnika uszkodzeń powodowanych przepięciami siecio-wymi (rys. 2.15) odnotowana dla linii kablowych wynika przede wszystkim z obniżonej wytrzymałości udarowej izolacji żył roboczych kabli (na podstawie danych statystycznych określono, że ok. 80% uszkodzeń dotyczy kabli, w któ-rych izolacja żył roboczych wykonana jest z polietylenu nieusieciowanego po-datnego na rozwój procesu drzewienia wodnego*)). Innym, również istotnym powodem wysokiej wartości wskaźnika uszkodzeń jest nieprawidłowo prowa-dzona kompensacja pojemnościowego prądu zwarcia doziemnego (rozpatrywane w analizie awaryjności linie kablowe pracują w sieci z punktem neutralnym uziemionym przez indukcyjność – patrz podrozdz. 5.2.2).
Tablica 2.8.
Zestawienie zbiorcze wartości wskaźnika uszkodzeń spowodowanych przez przepięcia dla linii i stacji elektroenergetycznych
Średni procentowy udział uszkodzeń spo-wodowanych przepięciami w ogólnej
liczbie uszkodzeń Lp. Rodzaj linii lub stacji
transformatorowej
przepięcia sieciowe,
w %/(tendencja) we, w %/(tendencja) przepięcia pioruno-1 Linie napowietrzne SN i WN 0,5/(brak) 11,0/(brak)
2 Linie kablowe SN1) 57,2/(malejąca) 6,6/(brak) 3 Stacje transformatorowe 110/15 kV 12,1/(malejąca) 9,8/(malejąca) 4 Stacje transformatorowe 15/0,4 kV 4,8/(malejąca) 20,6/(brak)
1) Nie ujęto linii o napięciu znamionowym Un = 110 kV (dotychczas bezawaryjnych), gdyż łączna długość tych linii na terenie EnergiiPro KE SA nie przekracza 1500 m.
*) Degradacja izolacji polimerowej poddanej działaniu pola elektrycznego o natężeniu powyżej 107 Vm-1 w obecności cząsteczek wody.
Szczególnym zagrożeniem dla izolacji żył roboczych kabli (wykonanych za-równo z polietylenu termoplastycznego jak i sieciowanego) są przepięcia ziem-nozwarciowe z powtarzającym się zapłonem łuku. W tym przypadku występuje dodatkowo obniżenie wytrzymałości izolacji (o 10-20%) wskutek przepięciowe-go efektu kumulacyjneprzepięciowe-go [1].
Poza opisanymi przypadkami oddziaływania przepięć sieciowych, nie stano-wią one większego zagrożenia dla sieci SN i WN. Zwykle znaczenie przepięć sieciowych ogranicza się do linii przesyłowych o napięciu znamionowym powy-żej 220 kV. Wówczas przepięcia sieciowe stanowią czynnik determinujący od-stępy izolacyjne w powietrzu, wyznaczone przez odpowiednio dobraną długość izolatorów (łańcuchów izolatorów).
Ochrona stacji transformatorowych przed przepięciami piorunowymi i prze-noszonymi przewodami roboczymi sieci jest zagadnieniem znacznie bardziej złożonym, gdyż przepięcia te mogą wystąpić we wszystkich miejscach i urzą-dzeniach stacji. Ich intensywność zależy od skuteczności ochrony odgromowej stacji transformatorowej oraz połączonych z nią linii napowietrznych i kablo-wych. Z prezentacji wskaźników uszkodzeń wynika, że zagrożenie przepięciowe dla tego rodzaju urządzeń utrzymuje się na stałym poziomie z lekką tendencją malejącą, na co wpływ mają między innymi: stosowanie materiałów izolacyj-nych o lepszych parametrach wytrzymałościowych (np. izolacja kompozytowa, izolacja gazowa SF6), stosowanie coraz lepszych urządzeń do ochrony przed przepięciami (np. warystorowe ograniczniki przepięć), stosowanie dużej różnicy między poziomem podstawowym izolacji a poziomem ochrony w całym prze-dziale czasów do przeskoku lub przebicia izolacji.
Dodatkowym narażeniem dla izolacji linii rozdzielczych są przepięcia indu-kowane, opisane w podrozdziale 2.2.1.2. W szczególnych przypadkach linii SN z uziemionymi poprzecznikami, przepięcia indukowane mają wpływ na wyma-ganą wytrzymałość udarową piorunową izolacji linii. Natomiast, gdy linia SN posiada nieuziemione poprzeczniki (linie na słupach drewnianych), przepięcia indukowane nie mają znaczącego wpływu. Jednak wówczas duża wytrzymałość elektryczna układu przewód roboczy – ziemia powoduje, że do stacji transfor-matorowych przyłączonych do takiej linii mogą docierać przepięcia o dużej amplitudzie. Stąd, na etapie prowadzenia prac projektowych należy zwrócić szczególną uwagę na właściwy dobór ograniczników przepięć w stacjach trans-formatorowych.