Techniczne wymagania w przypadku bezpośredniego podłączenia GIS 110 – 400 kV do transformatora mocy

1. Wstęp

Dla bezpośredniego podłączenia GIS do transformatora mocy często używa się urządzeń trzech różnych producentów, tzn.: transformatora mocy; odpowiedniej konstrukcji przedziału GIS; elementów integrujących w/w urządzenia w postaci izolatorów przepustowych SF6 – olej, często preferowanych przez klienta. W rezultacie może zaistnieć sytuacja, w której producenci wspomnianych izolatorów przepustowych dostarczają protokoły z prób zwarciowych, potwierdzających badania wspomnianych izolatorów, w oderwaniu od konkretnej konstrukcji modułu GIS, czy konstrukcji transformatora mocy, co jest związane z praktyką ich stosowania w urządzeniach różnych producentów . To samo podejście może dotyczyć producentów GIS czy transformatorów mocy, którzy to z reguły nie przeprowadzają prób zwarciowych swoich urządzeń z izolatorami przepustowymi SF6 – olej różnych producentów. W rezultacie może się okazać, że przedział GIS z izolatorem przepustowym SF6 – olej, przeznaczony dla bezpośredniej integracji z transformatorem mocy, nie jest przez nikogo przebadany jak chodzi o oddziaływanie prądu zwarciowego na tak ważny komponent w stacji energetycznej. W niniejszym artykule przedstawiono wyniki prób laboratoryjnych, oraz ich sposób wykonania w przypadku GIS typu ELK-14/300 oraz GIS typu ELK-3/420 produkcji ABB, na podstawie których, potwierdzono bezpieczeństwo eksploatacji tych rozdzielnic z izolatorami przepustowymi SF6 – olej różnych producentów. Innym ważnym zagadnieniem jest zasadność zastosowania ograniczników przepięć NN, bocznikujących element izolacyjny, oddzielający uziemioną obudowę GIS od uziemionej kadzi transformatora mocy.

2. Wyniki i sposób przeprowadzenia prób zwarciowych modułu typu HT3, przeznaczonego dla bezpośredniego przyłączenia GIS produkcji ABB do transformatorów mocy

Przykład zastosowania modułu GIS, w którym zastosowano izolator przepustowy SF6-olej przedstawiono na RYS. 1, z zaznaczeniem zakresu dostawy jak chodzi o elementy toru prądowego, wchodzące w zestaw wyposażenia modułu GIS izolowanego gazem SF6, oraz w zestaw izolatora przepustowego. W celu przeprowadzenia próby zwarciowej potwierdzającej bezpieczeństwo eksploatacji tych rozdzielnic z izolatorami przepustowymi SF6 – olej różnych producentów, w modułach typu HT3 pogorszono odporność toru prądowego na oddziaływanie sił elektrodynamicznych na elementy toru prądowego oraz na elementy izolacyjne wewnątrz modułu (patrz RYS. 2),
w porównaniu z modułami GIS wyposażonymi w izolatory przepustowe SF6- olej. W normalnej eksploatacji tor prądowy w module GIS jest znacząco krótszy, gdyż jego koniec jest przykręcony do górnego przyłącza izolatora przepustowego, na wysokości określonej wymaganiami Normy IEC 62271-211. W przypadku modułów HT3 poddanych próbom oddziaływania prądu zwarciowego (test obciążalności zwarciowej 3 sekundowej) celowo osłabiono sztywność konstrukcji toru prądowego, gdyż jednocześnie wydłużono jego długość mocując element przewodzący prąd na izolatorze barierowym (patrz RYS. 2), czyli zdecydowanie bardziej wiotkim elemencie w porównaniu z izolatorem przepustowym SF6 – olej. W rezultacie podczas próby obciążalności zwarciowej modułów HT3 w laboratorium (patrz RYS. 3), z parametra-mi : amplituda udaru prądowego 174,9 kAm (patrz RYS. 4); prąd ustalony o wartości skutecznej 64,2 kA; czas trwania zwarcia 3,09 s, spotęgowano siły elektrodynamiczne oddziaływujące na elementy przewodzące w torze prądowym, oraz na elementy izolacyjne podpierające tor prądowy, co skutkuje wzrostem naprężeń menicznych oraz amplitudy drgań w/w komponentów, w porównaniu z modułe HT3, z zamontowanym izolatorem przepustowym SF6 – olej w jego wnętrzu dowolnego producenta, czyli z rzeczywistymi warunkami pracy tego modułu GIS . Po wykonaniu prób zwarciowych modułów HT3 sprawdzono ich stan, włączając newralgiczne elementy w torze prądowym oraz w obudowie modułu (połączenia elastyczne patrz RYS. 5 oraz RYS. 6) i nie stwierdzono żadnych zmian, mogących wpłynąć na dalszą eksploatację tego urządzenia.

 

 

 

 

 

 

3. Cel stosowania ogranicznika NN styku uziemionej obudowy GIS oraz uziemionej kadzi transformator mocy

W przypadku zwarcia w obwodzie z GIS, prąd zwarciowy płynie w torze prądowym wewnątrz modułów GIS oraz w uziemionej obudowie tego urządzenia. W związku z tym, że nie dopuszcza się przepływu prądu zwarciowego płynącego w obudowie GIS przez kadź transformatora mocy, wymagane jest odizolowanie obudowy GIS od kadzi transformatora patrz RYS. 7., i w takim wypadku należy zbocznikować separacyjny element izolacyjny ogranicznikiem przepięć NN w technologii ZnO, co jest związane z koniecznością ograniczenia napięcia, jakie może być zaindukowane na przerwie izolacyjnej przez falę elektromagnetyczną, rozprzestrzeniającą się wewnątrz obudowy GIS z prędkością światła. Źródłem tej fali elektromagnetycznej są przepięcia VFTO (Very Fast Transient Overvoltages) z częstotliwością oscylacji f = 10 MHz i większej, patrz RYS. 8. Podczas rozruchu GIS wykonuję się setki operacji C-O odłącznikami, a podczas pojedynczego załączenia odłącznika w przestrzeni międzystykowej może wystąpić od kilkudziesięciu do kilkuset zapłonów wstępnych, z niewielkimi prądami wyładowczymi, po wyłączeniu których należy się liczyć z generacją przepięć VFTO takich, jakie przedstawiono na RYS. 8. Należy podkreślić, że przepięcia generowane na przerwie izolacyjnej między obudową GIS a kadzią transformatora, nie są groźne dla życia czy zdrowia człowieka ze względu na to, że sumaryczna energia (przypadek kilkuset zapłonów) jaka się może wydzielić w tym miejscu, jest na poziomie ułamka Joule’a (w Ekspertyzie Instytutu Energetyki No. DZE-3/02/E/2015,
wielkość tej energii oszacowano na poziomie 0,135 J), a czas ich trwania to ułamek sekundy. Ogranicznik przepięć stosuje się dla wyeliminowania niskoenergetycznych wyładowań świetlących na przerwie izolacyjnej, patrz RYS. 9, co jest istotne zwłaszcza w przypadkach zastowania transformatora mocy w miejscach, gdzie może pojawić się otoczenie z atmosferą wybuchową np. w rafineriach. Należy podkreślić, że amplitudy przepięć VFTO, zarejestrowane podczas prób typu GIS 420 kV typu ELK-3/420 produkcji ABB, nie przekraczały wartości 1063 kVm, co potwierdzono w Raporcie z próby typu No. PEHLA 12047 Ba, i przy wytrzymałości izolacji na napięcie udarowe piorunowe 1425 kVm, nie stanowiły zagrożenia dla osłabienia izolacji tego urządzenia.

 

 

Podsumowanie

Ze względu na bezpieczeństwo eksploatacji GIS, konieczne jest przeprowadzenie prób zwarciowych specjalnych modułów używanych dla bezpośredniego podłączenia GIS do transformatorów mocy, z zastosowaniem nietypowego wyposażenia ze względu na celowe pogorszenie warunków oddziaływania prądu zwarciowego na tor prądowy i elementy izolacyjne modułu, w rezultacie czego wyniki próby obciążalności zwarciowej są aktualne w przypadku zastosowania w module izolatrów przepustowych SF6 – olej różnych producentów.
Biorąc pod uwagę zjawisko rozprzestrzeniania się fali elektromagnetycznej wewnątrz obudowy GIS, generowanej przez przepięcia z bardzo wysoką częstotliwością oscylacji (dzisiątki MHz), towarzyszące gasnącym zapłonom wstępnym w przestrzeni międzystykowej podczas ząłączania odłącznika (tzw. przepięcia VFTO), należy stosować ograniczniki przepić NN, bocznikujące element izolacyjny, odzielający uziemioną odudowę GIS od uziemionej kadzi transformatora, co eliminuje niskoenergetyczne wyładowania swietlące na powierzchni w/w elementów izolacyjnych.

dr inż. Aleksander Gul
ABB Sp. z o.o.