1

Branimir Đikić Božidar Filipović-Grčić RAVEL d.o.o. Fakultet elektrotehnike i računarstva, Zagreb branimir.dikic@ravel.hr bozidar.filipovic-grcic@fer.hr Ivo Uglešić Goran Justinić Fakultet elektrotehnike i računarstva, Zagreb Hrvatski operator prijenosnog sustava d.o.o. ivo.uglesic@fer.hr goran.justinic@hops.hr

OPTIMALNI SLIJED SKLOPNIH OPERACIJA VN APARATIMA U 110 kV METALOM OKLOPLJENIM I PLINOM SF6 IZOLIRANIM POSTROJENJIMA NA PODRUČJU

GRADA RIJEKE

SAŽETAK

U članku su analizirani sklopni prenaponi uslijed operacija prekidačima u metalom oklopljenim i plinom izoliranim postrojenjima 110 kV mreže grada Rijeke. Također, provedena je analiza izbijanja 110 kV kabela preko induktivnih naponskih mjernih transformatora.

Ključne riječi: sklopni prenaponi, prekidač, metalom oklopljena i plinom izolirana postrojenja, induktivni naponski transformatori, izbijanje kabela.

OPTIMAL SWITCHING SEQUENCE OF HV DEVICES IN 110 kV GAS INSULATED SWITCHGEARS AT THE AREA OF RIJEKA

SUMMARY Switching overvoltges due to circuit breakers operations in gas insulated switchgears at the area

of Rijeka was analyzed. Analyze of cable discharge though the inductive voltage transformers was performed as well.

Key words: switching overvoltges, circuit breaker, gas insulated switchgear, inductive voltage

transformers, cable discharge.

1. UVOD Na području grada Rijeke položeno je 40-ak km 110 kV kabelskih vodova koji povezuju 110 kV

metalom oklopljena i plinom SF6 izolirana postrojenja: TS 220/110/35 kV Pehlin, TS 110/10(20) kV Turnić, TS 110/10(20) kV Sušak i buduće TS 110/10(20) kV Zamet. Uz navedene 110 kV kabelske vodove potrebno je spomenuti i 110 kV zračne vodove koji se priključuju na 110 kV postrojenje u TS Pehlin. Na slici 1 prikazana je shema 110 kV mreže [1].

12. savjetovanje HRO CIGRÉ

Šibenik, 8. – 11. studenoga 2015.

HRVATSKI OGRANAK MEĐUNARODNOG VIJEĆA ZA VELIKE ELEKTROENERGETSKE SUSTAVE – CIGRÉ

X-XX

2

Slika 1. Shema 110 kV mreže na području grada Rijeke

2. PRORAČUN PRENAPONA USLIJED SKLOPNIH OPERACIJA 2.1. Općenito

Na slici 2 nalazi se shematski prikaz 110 kV kabelskih vodova za povezivanje TS Turnić, TS Pehlin,

TS Zamet i TS Sušak [1]. U članku su razmatrani sklopni prenaponi pri uklopu prekidača u TS Pehlin. Kod uklapanja neopterećene kabelske mreže najveći prenaponi pojavljuju se na otvorenom kraju. Iznos prenapona ovisi o trenutku uklapanja polova prekidača, koji se mogu uklopiti u bilo kojem trenutku periode izmjeničnog napona. Najviši prenaponi pojaviti će se ukoliko je uklapanje izvršeno u trenutku maksimuma sinusoidalnog napona. Neistovremenost uklopa polova prekidača ima veliki utjecaj na faktore prenapona i predstavlja nepoznanicu u proračunu. Budući da je vjerojatnost uklapanja polova prekidača jako blizu maksimuma napona mala, odabrana je analiza pojave prenapona statističkim sklapanjem kod kojeg se uklop događa u slučajno odabranim vremenima prema Monte Carlo metodi. Pri tome je odabrana uniformna

raspodjela u kojoj rasipanje vremena uklopa polova prekidača iznosi 3 1 msrp

T oko srednjeg

vremena uklopa μ, koje je za sve polove prekidača jednako [2], [3]. Za sva tri pola prekidača zadano je srednje vrijeme uklopa μ=10 ms (trenutak koji odgovara maksimumu napona u fazi A) i standardna

devijacija =0,5774 ms. Kao rezultat proračuna sklopnih prenapona određene su maksimalni iznosi prenapona Umax na

početku i kraju kabela te U2% sklopni prenapon koji prema statističkom proračunu može biti dosegnut ili premašen u samo 2% slučajeva. U svim sklopnim manipulacijama proračuni su provedeni s pretpostavljenim maksimalnim pogonskim naponom mreže 123 kV, a rezultati su iskazani u per unit (p.u.) vrijednostima s obzirom na amplitudu faznog maksimalnog pogonskog napona mreže.

3

Slika 2. Shematski prikaz 110 kV kabelskih vodova za povezivanje TS Turnić, TS Pehlin, TS Zamet i TS Sušak

U nastavku su dani rezultati proračuna prenapona uslijed sklapanja prekidačima u 110 kV metalom

oklopljenim i plinom SF6 izoliranim postrojenjima.

2.2. Proračun za 110 kV postrojenje u TS 220/110/35 kV Pehlin Rasklopno postrojenje 110 kV u TS Pehlin izvedeno je kao metalom oklopljeno i plinom SF6

izolirano postrojenje tipa EXK-0 proizvodnje ABB s dvostrukim sustavom glavnih sabirnica i obuhvaća ukupno 15 polja:

- 6 vodnih polja (Matulji, Turnić 1, Turnić 2, Rijeka, Zamet, Sušak); - 3 transformatorska polja 110/35 kV, 2 autotransformatorska polja 220/110 kV; - 1 spojno polje glavnih sabirnica; - 1 mjerno polje glavnih sabirnica; - 2 rezervna vodna polja; - 1 polje uzemljenja 110 kV sabirnica.

Svi 110 kV vodovi izvedeni su Al kabelom nazivnog presjeka 1000 mm2. U TS Pehlin na 110 kV strani priključeni su sljedeći vodovi: TS Pehlin – TS Matulji (Al/Č 3x360/57 mm2), TS Pehlin – HE Rijeka (AlČ 2x3x240/40 mm2) i TS Pehlin – TS Sušak (AlČ 3x240/40 mm2). Kabelski vodovi TS Pehlin – TS Zamet i TS Pehlin – TS Turnić izvedeni su XLPE kabelima 3x(1x1000/95 mm2). U nastavku je napravljena analiza za uklop prekidača u jednom vodnom polju VP Turnić uz potpuno uklopno stanje u TS Pehlin.

Simulacijski model u programskom paketu EMTP-RV prikazan je na slici 3.

4

Slika 3. Model za proračun sklopnih prenapona pri sklapanju u VP TURNIĆ

Iz struja jednopolnog i tropolnog kratkog spoja [4] određen je ekvivalent 110 kV aktivne mreže u TS Pehlin u slučaju uklopa 110 kV kabela Pehlin – Turnić u praznom hodu. Struje kratkog spoja u 110 kV postrojenju i impedancije aktivne mreže u ovom slučaju iznose: Ik1=22,036 kA; φk1=-84,10°; Ik3=19,416 kA; φk3=-84,08°; Zd=0,3711+j·3,5788 Ω; Z0=0,2354+j·2,3027 Ω.

Slike 4. do 9. prikazuju amplitude prenapona po fazama na početku i kraju kabela za 500 statističkih sklapanja prekidačem.

Slika 4. Amplitude prenapona u fazi A u TS

Pehlin

Slika 5. Amplitude prenapona u fazi A u TS Turnić

(kraj kabela)

Slika 6. Amplitude prenapona u fazi B u TS Pehlin

Slika 7. Amplitude prenapona u fazi B u TS Turnić

(kraj kabela)

TS Pehlin TS Turnić

Induktivni naponski

mjerni transformatori ABB

Induktivni naponski

mjerni transformatori ABB

Kabel 2,5 km

+

123kVRMSLL /_0

AC11

+RL8

VM+

?v

m6

+

R4

18k

+

L4

330

+

R5

18k

+L5

330

+

10ms|10|0

10ms|10|0

10ms|10|0

?tT

Uniform a

Uniform b

Uniform c

SW12

VM+

?v

m2VM+

?v

m1

FDQ+

FDQ14

c

b

a a

b

c

0 100 200 300 400 5001,6

1,8

2

2,2

2,4

2,6

X: 36

Y: 2.241

Broj simulacije

UA (

p.u

.)

0 100 200 300 400 5001,6

1,8

2

2,2

2,4

2,6

X: 36

Y: 2.279

Broj simulacije

UA (

p.u

.)

0 100 200 300 400 5001

1,5

2

2,5

X: 396

Y: 2.076

Broj simulacije

UB (

p.u

.)

0 100 200 300 400 5001

1,5

2

2,5

X: 396

Y: 2.116

Broj simulacije

UB (

p.u

.)

5

Slika 8. Amplitude prenapona u fazi C u TS

Pehlin

Slika 9. Amplitude prenapona u fazi C u TS

Turnić (kraj kabela)

Tablica I. Rezultati proračuna - maksimalni iznosi prenapona po fazama

Lokacija Umax (p.u.)

Faza A Faza B Faza C

TS Pehlin 2,241 2,076 2,145

TS Turnić (kraj kabela) 2,279 2,116 2,186

Maksimalni iznos prenapona od 2,279 p.u. pojavljuje se u simulaciji br. 36. u fazi A na kraju kabela. Valni oblici prenapona na početku i kraju kabela u ovom slučaju prikazani su na slikama 10 i 11 Slika 12 prikazuje frekvencijski spektar prenapona u fazi A na kraju kabela.

Slika 10. Prenaponi u TS Pehlin, početak kabela

Slika 11. Prenaponi u TS Turnić, kraj kabela (UmaxA=2,279 p.u.)

0 100 200 300 400 500

1,4

1,6

1,8

2

2,2X: 439

Y: 2.145

Broj simulacije

UC

(p

.u.)

0 100 200 300 400 500

1,4

1,6

1,8

2

2,2

X: 439

Y: 2.186

Broj simulacije

UC

(p

.u.)

6

Slika 12. Frekvencijski spektar prenapona u fazi A na kraju kabela (TS Turnić)

Slike 13 i 14 prikazuju kumulativne vjerojatnosti pojave faznih prenapona na početku i kraju kabela

iz kojih su određeni U2% sklopni prenaponi (tablica II).

Slika 13. Kumulativna vjerojatnost pojave

faznih prenapona u TS Pehlin

Slika 14. Kumulativna vjerojatnost pojave faznih

prenapona u TS Turnić (kraj kabela)

Tablica II. Rezultati proračuna – U2% sklopni prenaponi po fazama

Lokacija U2% (p.u.)

Faza A Faza B Faza C

TS PEHLIN 2,1283 1,9963 2,0499

TS TURNIĆ (kraj kabela) 2,1629 2,0287 2,0846

3. ANALIZA IZBIJANJA 110 KV KABELSKIH VODOVA PREKO PRIMARNIH NAMOTA INDUKTIVNIH MJERNIH TRANSFORMATORA

Analiziran je slučaj izbijanja 110 kV kabelskog voda TS Turnić – TS Pehlin za slučaj dok TS Zamet

nije u pogonu. Kabelski vod je dug 9,5 km.

1 1,25 1,5 1,75 2 2,250

20

40

60

80

100

U (p.u.)

Vje

roja

tno

st (%

)

UA

UB

UC

1 1,25 1,5 1,75 2 2,250

20

40

60

80

100

U (p.u.)

Vje

roja

tno

st (%

)

UA

UB

UC

7

Slika 15. Model za analizu izbijanja kabelskog voda TS Turnić – TS Pehlin preko primarnog namota naponskih mjernih transformatora

Pražnjenje preostalog naboja kabela preko induktivnih mjernih transformatora uzrokuje energetsko opterećenje i porast temperature namota ΔT koji se može procijeniti temeljem sljedećeg izraza:

ET

m c

(1)

Koeficijent m je masa žice primarnog namota, a c specifični toplinski kapacitet. Da bi se odredilo može li određeno energetsko opterećenje termički ugroziti primarni namot potrebno je poznavati točnu masu žice od koje je izrađen primarni namot. Zatim se može izračunati porast temperature namota ΔT kojeg treba usporediti s dozvoljenim porastom temperature namota. Na slikama 16 – 23 prikazane su struje, naponi, snage i energije na primarnim namotima naponskih mjernih transformatora pri isklopu kabela.

Slika 16. Struje kroz primarni namot naponskih mjernih transformatora Imax=3,1 A

Slika 17. Naponi na naponskim mjernim transformatorima

Induktivni naponski mjerni transformatori ABB

TS PehlinTS Turnić

Kabel 9,5 km

Induktivni naponski mjerni transformatori ABB

+

SW7 ?vi

-1ms|10ms|0+

SW8 ?vi

-1ms|10ms|0

+ AC7

123kVRMSLL /_0

+ AC8

123kVRMSLL /_0

FDQ+

FDQ3

+ 18

k

?ip

R3

+

33

0

L3

VM+m9

?v

VM+m10

?v

+ 18

k

?ip

R2

+

33

0

L2

TS_Turnić

a

b

c

TS_Pehlin

8

Slika 18. Djelatna snaga u primarnim namotima naponskih mjernih transformatora

Pmax=169,5 kW

Slika 19. Energija u primarnim namotima naponskih mjernih transformatora Emax=5,39 kJ

Najnepovoljnije pogonsko stanje pri kojem se može očekivati maksimalno energetsko opterećenje primarnih namota naponskih mjernih transformatora predstavlja slučaj u kojemu se naboj kabela izbija preko mjernih transformatora npr. u TS Turnić, dok naponski mjerni transformatori u TS Pehlin iz nekog razloga nisu priključeni. Za ovaj slučaj, na slikama 20 – 23 prikazane su struje, naponi, snage i energije na primarnim namotima naponskih mjernih transformatora u TS Turnić.

Slika 20. Struje kroz primarni namot naponskih mjernih transformatora Imax=3,6 A

9

Slika 21. Naponi na naponskim mjernim transformatorima

Slika 22. Djelatna snaga u primarnim namotima naponskih mjernih transformatora

Pmax=235,3 kW

Slika 23. Energija u primarnim namotima naponskih mjernih transformatora Emax=10,62 kJ

4. ZAKLJUČAK

Prema rezultatima proračuna maksimalna amplituda sklopnih prenapona Umax iznosi 2,279 p.u.

(228,9 kV), a maksimalni U2% sklopni prenapon iznosi 2,163 p.u. (217,6 kV). Za analizu ugroženosti izolacije potrebno je usporediti rezultate statističkih proračuna sklopnih

prenapona koji se javljaju u mreži i izdržljivost izolacije u odnosu na tu vrstu naprezanja. Dielektrična

10

čvrstoća izolacije definirana je podnosivim naponom kojim se oprema ispituje u laboratorijskim uvjetima. Za izolaciju 110 kV opreme nije u normama definiran podnosivi sklopni napon. Smatra se da se otpornost izolacije na sklopne prenapone potvrđuje ispitivanjem opreme jednominutnim izmjeničnim naponom frekvencije 50 Hz.

Mogu se koristiti i određeni faktori u rasponu (ovisno o vrsti izolacije 0,7 – 0,87) kojima se otpornost izolacije prema atmosferskim prenaponima svodi na otpornost prema sklopnim prenaponima. Ako se usvoji najnepovoljnija vrijednost koeficijenta 0,7 za klasu izolacije Si 123/230/550 kV, podnosivi sklopni napon iznosi 0,7·550 kV=385 kV. Jedinična vrijednost podnosivog sklopnog napona s obzirom na maksimalni pogonski napon mreže od 123 kV iznosi 3,87 p.u. Prema tome, može se zaključiti da razmatrani sklopni prenaponi ne mogu ugroziti izolaciju opreme u 110 kV mreži. Frekvencijski spektar sklopnih prenapona je u rasponu manjem od 2 kHz i ovisi o duljini kabela koji se sklapa te o uklopnom stanju mreže. Kod uklapanja kraćih kabela sklopni prenaponi imaju više frekvencije.

Najnepovoljnije pogonsko stanje pri kojem se može očekivati maksimalno energetsko opterećenje primarnih namota naponskih mjernih transformatora predstavlja slučaj u kojemu se naboj kabela Turnić – Pehlin, duljine 9,5 km (u slučaju kada TS Zamet nije u pogonu), izbija preko naponskih mjernih transformatora u TS Turnić, dok naponski mjerni transformatori u TS Pehlin nisu priključeni. Ovo pogonsko stanje nije redovno i može nastupiti samo u iznimnim slučajevima. U navedenom slučaju maksimalno energetsko opterećenje iznosi 10,62 kJ uslijed jednog izbijanja kabela te uzrokuje porast temperature namota od ΔT=3,2 K. Ukupni dozvoljeni porast temperature za navedeni tip naponskih mjernih transformatora u primarnom namotu iznosi 60 K. Prema tome, izbijanje najdužeg 110 kV kabelskog voda u 110 kV kabelskoj konfiguraciji grada Rijeke za slučaj najnepovoljnijeg pogonskog stanja ne može uzrokovati termičko oštećenje primarnih namota induktivnih mjernih transformatora. 5. LITERATURA [1] B. Filipović-Grčić, I. Uglešić, V. Ravlić, B. Đikić, K. Musulin: Definiranje optimalnog slijeda sklopnih

operacija aparatima u 110 kV postrojenjima GIS izvedbe na području grada Rijeke.

[2] EMTP-RV, documentation, WEB site www.emtp.com.

[3] A. F. Imece, D. W. Durbak, H. Elahi, S. Kolluri, A. Lux, D. Mader, T. E. McDemott, A. Morched, A. M. Mousa, R. Natarajan, L. Rugeles, E. Tarasiewicz, Modeling Guidelines for Fast Front Transients, Report prepared by the Fast Front Transients Task Force of the IEEE Modeling and Analysis of System Transients Working Group, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 11, No. 1, January 1996.

[4] Energetski Institut Hrvoje Požar, Proračun kratkog spoja za potrebe TS Turnić 110/20(10) kV, Zagreb, rujan 2005.