Elektroenergetyczne i sygnalizacyjne linie kablowe

Elektroenergetyczne i sygnalizacyjne linie kablowe

Elektroenergetyczne i sygnalizacyjne linie kablowe
Adam Rynkowski
Politechnika Gdańska
Norma N SEP-E-004 Elektroenergetyczne
i sygnalizacyjne linie kablowe.
Projektowanie i budowa. Dyskusja i aktualizacja
1. Wprowadzenie
Norma PN-76/E-05125 „Elektroenergetyczne i sygnalizacyjne linie kablowe.
Projektowanie i budowa” była powszechnie stosowana. Podstawową wymową tej normy było, zgodnie z ówczesnymi tendencjami, zunifikowanie wszystkiego co możliwe,
tak aby projektant był tylko realizatorem postanowień normy, a nie odpowiedzialnym autorem projektu. Postanowienia tej normy uwzględniały doświadczenia w projektowaniu i budowie linii kablowych oraz stan techniki kablowej z lat 1950–1970.
W latach 1972–1986 technika kablowa na świecie, a także w Polsce, zaczęła się
gwałtownie zmieniać w związku z wprowadzeniem do produkcji i eksploatacji kabli
o izolacji z tworzyw sztucznych, a w szczególności kabli średnich napięć o izolacji
z polietylenu termoplastycznego, a potem polietylenu usieciowanego (XLPE). Efektem tych zmian było nie tylko wypieranie ze stosowania kabli o izolacji papierowej,
ale także rozwój nowych technik kablowych w całym zakresie zagadnień związanych
z projektowaniem i budową linii kablowych (kable, osprzęt, obciążalność prądowa,
techniki układania i instalowania, badania...).
Mając powyższe na uwadze Polskie Towarzystwo Przesyłu i Rozdziału Energii
Elektrycznej z Poznania wystąpiło w 1999 roku z inicjatywą aktualizacji normy PN-76/E-05125 i w tym celu powołało 6-osobowy zespół autorski.
Zespół ten postanowił, że nowelizacja normy będzie opierała się na kilku podstawowych założeniach:
1. Nie ograniczać odpowiedzialności projektanta co do zasad (technicznych, ekonomicznych, organizacyjnych i prawnych), według których linia kablowa będzie
budowana.
2. Ograniczyć liczbę określeń typu „należy” do zagadnień związanych z zagrożeniem utraty życia lub mienia oraz do warunków eksploatacji, które mogą prowadzić do przedwczesnej utraty projektowanej niezawodności linii kablowej.
3. Ograniczyć liczbę wymagań wymiarowych a wymagania w tym zakresie podawać
jako minimalne, wynikające z dotychczasowych doświadczeń.
4. Wprowadzić i ujednolicić terminologię stosowaną aktualnie w technice budowy
linii kablowych.
5. Wyeksponować aktualne zasady techniczne, według których linie kablowe powinny być budowane.
6. Zalecenia i postanowienia przedstawić tak, aby norma mogłaby być minimalnym
wymaganiem przeznaczonym do powszechnego, wielokrotnego stosowania.
32
Elektroenergetyczne i sygnalizacyjne linie kablowe
7. Rozszerzyć zakres normy tak, aby obejmowała ona również linie kablowe przeznaczone do pracy w sieciach 110 kV.
Opracowana według powyższych założeń aktualizacja normy została przedstawiona do dyskusji powszechnej, a otrzymane opinie i sugestie były wzięte pod uwagę przy
opracowywaniu wersji ostatecznej. Wersja ta najpierw została pozytywnie zaopiniowana przez Centralną Komisję Norm i Przepisów SEP, a potem Komitet Techniczny Nr
80 PKN przyjął projekt normy do stosowania. Nowelizowana norma PN-76/E-05125
uzyskała oznaczenie N SEP-E-004 i po zatwierdzeniu przez Prezesa SEP w dniu
9.10.2003 roku skierowana została przez SEP do wydania w grudniu 2003 roku.
Norma N SEP-E-004 [1] została pozytywnie przyjęta przez społeczność zawodową i jako jedyna stanowi podstawę do wielu projektów budowy linii kablowych.
Została przywołana do stosowania w przepisach techniczno-budowlanych w zakresie dotyczącym sieci, instalacji i urządzeń elektrycznych i energetycznych i ma rangę
obowiązującej oraz posiada status Wytycznych Technicznych.
W sierpniu 2007 roku pojawiły się pierwsze głosy dotyczące poprawy tej Normy
i potrzeby jej aktualizacji. Część uwag nie miała charakteru merytorycznego, ale zapoczątkowała proces jej aktualizacji. Z inicjatywy Vice Prezesa SEP proces ten rozpoczął się w 2009 roku, po czasowym wstrzymaniu sprzedaży Normy i nawiązaniu
kontaktu z Autorami oraz PTPiREE – inicjatorem i sponsorem aktualizacji normy
w 2001 roku.
Wobec powyższego Polskie Towarzystwo Przesyłu i Rozdziału Energii Elektrycznej przejęło inicjatywę i zorganizowało kilka spotkań z Autorami Normy oraz
Przedstawicielami Centralnej Komisji Norm i Przepisów Elektrycznych SEP. W wyniku tych spotkań rozpoczęto procedurę zbierania uwag od społeczności zawodowej
i wprowadzania zmian do treści Normy.
W 2011 roku wydana została przez PTPiREE nowa aktualizacja Ramowej Instrukcji Eksploatacji Linii Kablowych. Treść zapisu w tej Instrukcji kolidowała z zapisami Normy w zakresie wymagań dotyczących wykonywania prób napięciowych
odbiorczych. PTPiREE zgłosiło potrzebę nowelizacji Normy w punkcie 8.4, polegającą na wycofaniu badań napięciem stałym (DC) i wprowadzenie w to miejsce prób
napięciem oscylacyjnym (DAC).
Rozpoczęła się szeroka dyskusja merytoryczna na forum publicznym oraz na
dwóch spotkaniach w Warszawie (organizatorzy SEP i PKN) oraz w Poznaniu (PTPiREE). Dyskusje w obu przypadkach nie przyniosły konsensusu, każda ze stron
pozostała przy swoich argumentach. W styczniu 2013 roku na posiedzeniu Zespołu
ds. Kabli PTPiREE podniesiono ponownie temat i przegłosowano wycofanie wniosku o skreślenie prób napięciowych DC z wykazu napięć probierczych odbiorczych
w Normie.
W międzyczasie zbierano uwagi i sukcesywnie wprowadzano je do aktualizowanej Normy, w przypadku merytorycznego uzasadnienia.
Wszystkie otrzymywane uwagi można podzielić na formalne, techniczne, językowe i interpunkcyjne. Wiele ich wprowadzono, a niektóre jeszcze są na etapie dyskusji
wewnętrznej. Przykładem uwagi zaakceptowanej może być konieczność uaktualnieNr 169
33
Elektroenergetyczne i sygnalizacyjne linie kablowe
nia spisu przywołanych norm, a przykładem odrzucenia lub braku akceptacji może
być prośba o wprowadzenie wymagań w zakresie dopuszczalnej wartości maksymalnego ładunku pozornego wyładowań niezupełnych w funkcji napięcia, w zależności
od rodzaju kabla lub osprzętu (nie większa niż 250–16000 pC).
Rozległa dyskusja dotyczyła wycofania z prób napięciowych odbiorczych napięcia stałego DC i wprowadzenia napięcia oscylacyjnego DAC. Dla wyjaśnienia można
przytoczyć komentarz z notatki [2] sporządzonej przez autorów Normy po spotkaniu w Poznaniu: „Celem dyskusji na tym spotkaniu była potrzeba sprecyzowania zalet i wad obu rodzajów napięć probierczych w odniesieniu do ich wpływu na żywotność badanych linii kablowych WN, głównie o izolacji PE i XLPE”.
Konieczność przedyskutowania tej tematyki wiązała się bezpośrednio z różnicą
zapisów dotyczących zakresu stosowań i rodzaju prób napięciowych odbiorczych
w aktualizowanej normie N SEP-E-004 Elektroenergetyczne i sygnalizacyjne linie
kablowe. Projektowanie i budowa oraz w „Ramowej Instrukcji Eksploatacji Elektroenergetycznych Linii Kablowych”, PTPiREE z 2011 roku.
1.1 Założenia do płaszczyzny dyskusji
Należy założyć, że płaszczyzna dyskusji nie dotyczy nowoczesności mierzonej liczbą komputerów do obróbki danych, ale pojęć podstawowych, tzn. rodzaju
i kształtu napięcia, za pomocą którego badamy wytrzymałość elektryczną izolacji
(klasyfikacja napięć).
Wychodząc z podstaw elektrotechniki mamy określić czy do prób napięciowych
odbiorczych mamy stosować napięcia występujące w stanach ustalonych czy też
w stanach nieustalonych (przebiegi chwilowe). Do pierwszej grupy możemy zaliczyć
napięcie stałe DC i napięcia przemienne (okresowe, sinusoidalne, cosinusoidalno-prostokątne...). Do drugiej grupy możemy zaliczyć napięcia typu udarowego (piorunowe, łączeniowe, oscylacyjne).
To znaczy, że mamy wybrać pomiędzy napięciem probierczym stałym i napięciem
przemiennym a napięciem typu udarowego (piorunowym, oscylacyjnym).
Przebiegi napięcia stałego (DC) i przemiennego sinusoidalnego (AC) oraz napięcia piorunowego (Imp) i napięcia oscylacyjnego (OW) są powszechnie znane i stosowane w technice wysokich napięć od dziesiątków lat.
Natomiast układy probiercze napięcia przemiennego cosinusoidalno-prostokątnego (CP) powstały ok. 20 lat temu z potrzeby badań linii kablowych jako alternatywa do dużych, ciężkich zespołów napięcia przemiennego sinusoidalnego. Zespoły
probiercze CP łączą w sobie zalety prób przy napięciu stałym i napięciu przemiennym 50–60 Hz. Układ CP można scharakteryzować jako kompaktowy, polaryzacja
napięcia stałego zmieniana okresowo, zmiana napięcia wg krzywej napięcia sinusoidalnego 50–60 Hz. Wyniki badań wytrzymałości elektrycznej CP kabli są bardzo
zbliżone do wyników przy AC, ustalone są procedury prowadzenia badań i interpretacji wyników.
Wprowadzenie do badań odbiorczych linii kablowych napięcia oscylacyjnego
(OW, DAC) umożliwia wykonywanie badań linii kablowych w terenie, ale wprowadza pewien niepokój z uwagi na kształt napięcia i brak publikacji na temat jego od34
Elektroenergetyczne i sygnalizacyjne linie kablowe
działywania na linie kablowe. Generatory udarów oscylacyjnych stosowane są od lat
do badań m.in. ograniczników przepięć. Genezą ich działania jest stan nieustalony,
gwałtowne rozładowanie kondensatora w układzie RL.
W obecnych czasach pomiar wyładowań niezupełnych (wnz) może być wykonany przy wykorzystaniu każdego z ww. napięć probierczych.
2. Próby napięciowe w Normie i w Instrukcji
2.1Norma
W nowelizowanej normie N SEP-E-004 wymieniono 3 rodzaje napięcia probierczego jakie mogą być stosowane podczas badań napięciowych odbiorczych. Próby
można wykonać:
1. Napięciem przemiennym sinusoidalnym (AC) o stałej amplitudzie i stałej częstotliwości, zawartej między 20 Hz a 300 Hz. Nominalną częstotliwością w tych
próbach powinno być 50 Hz.
2. Napięciem przemiennym cosinusoidalno-prostokątnym (VLF-CP) o stałej amplitudzie i częstotliwości 0,1 Hz. Zmiana biegunowości napięcia powinna zachodzić
wg krzywej napięcia przemiennego cosinusoidalnego o częstotliwości 50 Hz.
3. Napięciem stałym lub wyprostowanym (DC).
Wspólną cechą wymienionych napięć probierczych jest to, że są znane procedury ich wykonania. Procedury te polegają na przyłożeniu określonego napięcia (stała
amplituda, kształt i częstotliwość) na ustalony czas próby. Wybór wymienionych rodzajów napięć był podyktowany również tym, że dla tych napięć znane są jakościowe
i ilościowe korelacje z żywotnością kabli, a także mechanizmy przebicia oraz parametry rozwoju kanałów przedprzebiciowych (drzewienia elektrycznego). Podstawą wyboru był również fakt znanych, normalizacyjnie udokumentowanych procedur ich
wykonania. Ten fakt jest bardzo istotny z uwagi na to, że zaakceptowane procedury
są podstawą rozstrzygania ewentualnych sporów np. gwarancyjnych.
W zapisie, w normie, nie wyróżnia się żadnej z wymienionych metod, traktując
wszystkie jako równoważne. Wskazuje się jednak na istotne szczegóły wykonywania tych prób (np. dla DC m.in. konieczność unikania przeskoków podczas próby
i konieczność wolnego, stopniowego rozładowania i uziemienia kabla po próbach
napięciowych).
2.2Instrukcja
W „Ramowej Instrukcji Eksploatacji Elektroenergetycznych Linii Kablowych”
wymieniono 5 rodzajów napięć probierczych, a w tabeli zalecającej również 5, w tym:
DC, VLF0,1 Hz, AC (20–300), DAC i DAC (20–300) Hz (bez podziału VLF0,1 Hz
na napięcie przemienne sinusoidalne i cosinusoidalno-prostokątne, natomiast z podziałem na DAC i DAC [20–300 Hz]). Wymienione w tabeli rodzaje napięć zalecane
są jako probiercze i diagnostyczne.
Stosowanie podanych i zalecanych w tabeli i w załączniku nr 1 rodzajów napięć
probierczych i diagnostycznych jest zróżnicowane w zależności od typu kabli (XLPE,
PE, PILC) oraz zakresu napięcia znamionowego sieci (6–30 kV) i (31–110 kV).
Nr 169
35
Elektroenergetyczne i sygnalizacyjne linie kablowe
Dodatkowo, pod tabelą, powołując się na normy międzynarodowe, stwierdzono,
że stosowanie napięcia DC może być szkodliwe (ale dopuszcza się stosowanie dla
kabli XLPE do 30 kV, a dla 110 kV nie?).
W załączniku nr 1 do „ Ramowej Instrukcji...” wyspecyfikowano dokładnie wartości napięć probierczych oraz czasy ich przyłożenia dla poszczególnych rodzajów
prób, w tym dla DAC (30 lub 60 minut).
[P.S. trzeba zauważyć, że w przywołanych normach kablowych IEC 60840 i IEC
62067 nie ma wzmianki o możliwości stosowaniu napięcia DAC (DC jest w IEC
60502) do badań izolacji kabli, a podanie czasu próby dla napięcia oscylacyjnego
(DAC) w minutach jest całkowitym nieporozumieniem (to jest tak, jakby próby napięciem udarowym piorunowym mierzyć w minutach lub godzinach!)]
2.2.1 Napięcie oscylacyjne (OW, DAC)
Jak wspomniano wspólną cechą napięć probierczych AC, VLF0.1 i VLF0.1 CP
jest to, że są to napięcia przemienne, a więc okresowe, dla których amplituda oraz
częstotliwość i kształt napięcia podczas badania pozostają stałe. Próby DC z definicji
oznaczają stałą polaryzację i amplitudę podczas badań odbiorczych.
Natomiast napięcie oscylacyjne (OW, DAC) nie ma wyżej wymienionych cech.
Powstaje ono na skutek szybkiego rozładowania kabla naładowanego uprzednio napięciem stałym (DC) do określonej wartości.
Napięcie to (OW, DAC), w sensie prób napięciowych kabli, ma charakter jednokrotnego rozładowania, a więc napięcia udarowego (impulsowego) o przebiegu
oscylacyjnym. Dla osiągnięcia efektu sprawdzającego lub przebicia powinno ono być
powtarzane wielokrotnie wg określonej procedury. Czas jednokrotnej próby napięciem oscylacyjnym (OW, DAC), łącznie z czasem ładowania kabla napięciem stałym
probierczym (DC), zawiera się w granicach minut. Amplituda napięcia oscylacyjnego podczas próby nie jest stała i maleje z prędkością zależną od parametrów kabla
i obwodu rozładowania. Tylko w jednym (pierwszym) okresie amplituda napięcia
oscylacyjnego jest równa wartości napięcia probierczego DC. Przebieg napięcia oscylacyjnego dla każdego odcinka kabla może być różny(m.in. zależy od długości kabla).
Dla badanych linii nie ma wspólnej płaszczyzny porównania.
Wytrzymałość elektryczna kabli DAC, badanych przy tym samym napięciu ładowania kabla napięciem stałym (DC, np. 2U0), zależy od liczby rozładowań oscylacyjnych (liczby prób, impulsów), a także długości przerwy między kolejnymi próbami.
Procedura prób i oceny jest trudna do zdefiniowania (ale możliwa), jest zbliżona do
procedury badań napięciem udarowym, gdzie podaje się np. po dziesięć udarów na
każdym poziomie napięciowym. W badaniach DAC zwykle podaje się 50 kolejnych
impulsów, dla stwierdzenia czy kabel spełnia wymagania.
Wytrzymałość elektryczna AC kabli zmniejsza się wraz z liczbą przyłożonych impulsów oscylacyjnych (OW, DAC). Zmniejszenie wytrzymałości AC w funkcji liczby
przyłożonych impulsów oscylacyjnych DAC świadczy o degradacyjnym charakterze
działania napięcia DAC. Inicjacja wyładowań niezupełnych tuż po rozładowaniu
może być spowodowana wielokrotnym wzrostem natężenia pola elektrycznego wokół wady, która w normalnych warunkach pracy mogłaby się nie ujawnić.
36
Elektroenergetyczne i sygnalizacyjne linie kablowe
Przebieg napięcia oscylacyjnego DAC i skutki jego działania można przyrównać
w sensie jakościowym i ilościowym do przeskoku na głowicy podczas prób DC.
2.2.2 Czas próby DAC, komentarz
W „Ramowej Instrukcji Eksploatacji Elektroenergetycznych Linii Kablowych”
w załączniku nr 1 dla prób napięciem oscylacyjnym DAC zdefiniowano wartość napięcia próby na 2U0 , a czas próby na 30 lub 60 minut. Określenie czasu próby napięciowej DAC w minutach jest czymś nowym, nigdzie nie zdefiniowanym, oficjalnie
nie wiadomo jak obliczanym. Normalnie, jak wspomniano, wymagania próby odnosi
się do liczby impulsów rozładowczych, oscylacyjnych (shots, udarów).
Jako współautor „Ramowej Instrukcji...” zgłosiłem votum separatum do zaleceń
ujętych w tabeli (pkt 2.5.5.4) oraz wymagań w załączniku nr 1 z uwagi na ich treść,
błędy oraz brak procedur wykonania prób kabli napięciem DAC. Moje votum separatum związane było także z brakiem udokumentowanych wyników badań kabli
z eksploatacji, za pomocą napięcia DAC!
Brak powszechnej (several IEEE) akceptacji stosowania napięcia oscylacyjnego
(OW, DAC) w próbach odbiorczych jest związany z tym, że w literaturze światowej
nie można znaleźć wyników badań wytrzymałości elektrycznej kabli (nowych, z eksploatacji lub starzonych laboratoryjnie) określanej za pomocą napięcia oscylacyjnego
(OW, DAC) i odniesionych do wytrzymałości elektrycznej przy napięciu AC 50 Hz
oraz badanych wg metodyki mogącej mieć zastosowanie do badań napięciowych odbiorczych linii kablowych.
Brak jest również wyników badań laboratoryjnych pozwalających na sprawdzenie mechanizmu przebicia izolacji XLPE oraz określenia charakteru i czasów rozwoju kanałów przedprzebiciowych w izolacji (drzewienia elektrycznego) na skutek
wielokrotnego przyłożenia napięcia oscylacyjnego DAC, o określonym napięciu ładowania DC i częstotliwości przebiegu oscylacyjnego.
Konieczna jest też znajomość żywotności linii kablowych (kabli) poddanych starzeniu napięciem oscylacyjnym DAC, aby można było określić wpływ i warunki wykonywania prób napięciowych odbiorczych za pomocą napięcia oscylacyjnego DAC.
2.2.3 Pomiar wnz
Na podstawie dzisiejszej wiedzy merytorycznej i wiedzy technicznej osobiście
widzę możliwość stosowania napięcia oscylacyjnego (DAC) do diagnostycznego pomiaru wyładowań niezupełnych w liniach kablowych WN. Pomiary diagnostyczne
jednak nie powinny kojarzyć się z próbami napięciowymi odbiorczymi linii, a jedynie umożliwiać sprawdzenie stanu technicznego linii przed próbami napięciowymi
na podstawie decyzji Inwestora lub Operatora czy też pisemnej umowy między tymi
podmiotami. Napięcie probiercze DC tych prób diagnostycznych powinno być niższe od napięcia U0 (ok. 60%). Taka wartość napięcia umożliwiałaby wykrycie wad
typu powierzchniowego, w warstwach granicznych kabli i osprzętu. Napięcie zapłonu wyładowań niezupełnych w takich przypadkach zamyka się w granicach do ok.
40% U0 (najczęściej między 1,5–15 kV dla linii 6–110 kV). Złe połączenia lub ich
brak też będzie mieścił się w granicach do ok. 60% U0 .
Nr 169
37
Elektroenergetyczne i sygnalizacyjne linie kablowe
Warunkiem jest opracowanie procedury tych badań oraz wymagań co do sposobu ich wykonania [np. jakie napięcie probiercze DC ładowania, jak podnoszone, ile
strzałów na każdym poziomie podnoszenia, ile strzałów (impulsów, udarów) na poziomie pomiarowym, jaka przerwa między impulsami, kiedy, na jak długo uziemiać,
jaki parametr wnz do kryterium, jaka dopuszczalna różnica (+, –) w parametrach
wnz pomiędzy pierwszym strzałem, a ostatnim, jakie wspólne kryterium oceny, itd.].
Wyżej wymienione działania powinny być oparte na rzeczywistych, opublikowanych
wynikach badań i prób kabli. Badania DAC mogłyby być wymienione w Instrukcji, w wykazie napięć diagnostycznych. Interpretacja wyników badań wnz w liniach
kablowych, z zastosowaniem DAC i TDR (Time Domain Reflectrometry), wymaga
jednak też szerszej dyskusji.
Ważną rzeczą jest opracowanie podstaw i procedury orzeczenia o niespełnieniu
wymagań. Wielokrotne powtarzanie próby DAC przed lub po odbiorze linii może
skutkować utratą gwarancji na odebraną linię kablową. W postępowaniu można udowodnić, że liczba impulsów DAC zmniejsza wytrzymałość elektryczną kabli i może
wpływać na żywotność i uszkadzalność linii kablowych. Podstawą do roszczeń może
też być decyzja o wyłączeniu linii z eksploatacji (mogłaby pracować, gdyby nie była
badana! – zasada „nie szkodzić”).
Na podstawie dzisiejszej wiedzy można zauważyć, że podstawą wykonywania
badań napięciowych linii kablowych, za pomocą napięć probierczych AC, DC, jak
również VLF CP0,1 Hz, są znane ich korelacje z żywotnością linii kablowych oraz
proste procedury wykonania. Procedura polegająca na przyłożeniu ustalonego napięcia probierczego, na ściśle ustalony czas, nie budzi żadnych wątpliwości.
Wobec tego, dla jasności sytuacji, zaproponowałbym zapisy w aktualizowanej
Normie (pkt 8.4) pozostawić nie zmienione. Natomiast w Instrukcji zaproponowałbym wydzielenie z punktu 2.1.5.4 Próby napięciowe linii kablowych SN i WN prób
diagnostycznych, czyli napięć mogących mieć zastosowanie w diagnostyce, stosowanej wg zasad podanych w Instrukcji.
Do prób napięciowych odbiorczych zaliczyłbym napięcie przemienne sinusoidalne AC (20–300) Hz i napięcie przemienne cosinusoidalno-prostokątne 0,1 Hz oraz
napięcie stałe DC, w brzmieniu zbliżonym do zapisów w aktualizowanej Normie
N SEP-E-004.
Ponieważ oba dokumenty (Norma i Instrukcja) były opracowane z inicjatywy
PTPiREE w latach poprzednich, to jednoczesna aktualizacja obu dokumentów byłaby uzasadniona.
3. Literatura
1. Norma: N SEP-E-004 Elektroenergetyczne i sygnalizacyjne linie kablowe. Projektowanie i budowa., L. Latocha, A. Ceglarek, H. Domagała, A. Rynkowski,
F. Spyra, L. Wieczorek.
2. Notatka z komentarzem Spotkanie ZK PTPiREE, Poznań, 10.02.2012 r.,
A. Rynkowski, F. Spyra, M. Urbańczyk, L. Latocha,
38