Zagrożenie aparatury stacyjnej przepięciami łączeniowymi w stacjach z izolacją gazową

Streszczenie

Referat stanowi przegląd prac dotyczących zagrożenia izolacji przepustów transformatorowych oraz uzwojeń dławików kompensacyjnych i transformatorów WN zainstalowanych w stacjach GIS wyposażonych w łączniki SF6.
Omówiono mechanizm powstawania stromo narastających przepięć podczas załączania i wyłączania dławika, które są spowodowane dużą szybkością gaszenia łuku przez łączniki SF6. Ich konstrukcja pozwala na pewne zmiany charakterystyki łączeniowej poprzez dobór prędkości posuwania się styku ruchomego oraz geometrię styków, co w konsekwencji prowadzi do wyboru biegunowości napięcia przeskoku. Przepięcie powstające na przepuście „gaz-olej” zależy od konfiguracji stacji, ponieważ czas jego narastania jest krótszy od czasu propagacji po szynach stacji i odbić w miejscach gdzie zmienia się impedancja falowa szyn stacji. Dobór parametrów łącznika do zadanej konfiguracji stacji WN wymaga modelowania procesu wytwarzania stromych przepięć wywołanych operacjami łączeniowymi.
Przedstawiono uszkodzone przepusty z przebiciem warstw izolacji stałej na krawędzi albuminowych ekranów, wskazujące na przepięcia o wielkiej stromości jako przyczynę awarii. Obserwowane przebicia izolacji międzyzwojowej dławika występujące w pierwszych dwóch cewkach uzwojenia WN spowodowane przepięciami o wielkiej stromości potwierdza praktyczne znaczenie tego problemu. Przedstawiono komentarze dotyczące oceny skuteczności różnych metod tłumienia wysokich składowych widma częstotliwości takich przepięć oraz perspektywy zainstalowania w Polsce stacji WN w izolacji gazowej na napięcie 220 kV i 400 kV.
Z uwagi na przeglądowy charakter referatu wykorzystano rysunki z prac wskazanych w spisie literatury.

 

 

Wstęp

Zasilanie szybko rozwijających się wielkich aglomeracji miejskich i przemysłowych wymaga wprowadzenia linii kablowych WN do gęsto zaludnionego centrum. Obecnie w wielkich miastach południowo-wschodniej Azji zainstalowano sieć kablową i podziemne stacje w izolacji gazowej na napięcie od 345 kV
do 500 kV. W godzinach nocnych niskie obciążenie powoduje, że rozległa sieć kablowa ma impedancję pojemnościową i wtedy włączane są dławiki do kompensacji mocy biernej. Częste załączanie i wyłączanie dławików o mocy kilkuset MVAr przez łączniki w izolacji gazowej naraża izolację przepustów, uzwojeń dławików oraz transformatorów na stromo narastające przepięcia. Amplituda takich przepięć na ogół nie przekracza dwukrotnej wartości szczytowej napięcia o częstotliwości sieciowej, ale ich stromość może być dziesięciokrotnie większa od stromości udaru normalnego. Obecnie prowadzone są badania nad tłumieniem stromości i amplitudy takich przepięć.

Stacja w izolacji gazowej z wyłącznikiem dławika WN do kompensacji mocy biernej

Krótkotrwałe, powtarzające się impulsy napięcia spowodowane są przez wyładowania pomiędzy rozwierającymi się lub zamykanymi stykami wyłącznika w atmosferze sprężonego SF6, który ma zdolność szybkiego przerywania łuku [1,4] Kształt przepięcia powstającego na dławiku lub transformatorze zależy od odległości do wyłącznika, jego konstrukcji oraz konfiguracji stacji WN [5].
Impulsy napięcia o czasie narastania rzędu nanosekund tworzą falę przemieszczającą się po szynie stacji w izolacji gazowej. Zmiana impedancji falowej, która spowodowana jest rozgałęzieniami szyn lub podłączeniem przekładników napięciowych skutkuje wielokrotnymi odbiciami fali napięciowej. W wyniku nakładania się biegnących i odbitych impulsów tworzy przepięcia o nieregularnym kształcie, który można opisać przez rozkład widma częstotliwościowego [8]. Dane literaturowe wskazują, że występują składowe o znaczącej amplitudzie i częstotliwości nawet do 100 MHz [12, 13].
Konstrukcja łącznika ma zapewnić skuteczne załączanie i wyłączanie dławika przy ograniczeniu przepięć o bardzo dużej stromości do poziomu wytrzymywanego przez przepust „gaz-olej” lub izolacją uzwojeń dławika i transformatora.

Model komputerowy oraz schemat zastępczy łącznika pozwala na optymalny dobór prędkości przesuwania styku ruchomego, rozkładu pola wokół przerwy w różnych położeniach styku ruchomego (rys.1) oraz odległości od uziemionej obudowy [6, 9].
Do symulacji procesu wyłączania z kolejnymi zapłonami łuku pomiędzy oddalającymi się stykami wykorzystuje się komputerowy model łącznika obciążonego dławikiem kompensacyjnym (rys.2). Uwzględnia on pojemność szyn stacji od strony zasilania C1, pojemność wejściową dławika C2 oraz model przerwy międzystykowej określający jej wytrzymałość elektryczną przy różnych odstępach styków, a także napięcie przemienne sieci zasilającej US i napięcie UL od ładunku zatrzymanego na pojemności C2 po zgaszeniu łuku.

Dane literaturowe wskazują, że na tym etapie modelowania, wyniki symulacji znacząco odbiegają od wartości zmierzonych na stacjach WN. Jak się wydaje, te znaczne odchyłki wynikają głównie ze złożonych zależności między procesami w przerwie międzystykowej a napięciem przeskoku łącznika oraz dokładności modelowania konfiguracji obwodu bezpośrednio sąsiadującego z łącznikiem [6, 9, 10]. Stąd modelowanie działania łącznika w izolacji gazowej jest ciągle ulepszane zarówno przez producentów aparatury GIS jak również ośrodki uniwersyteckie.

Pomiar bardzo stromych przepięć

Do pomiaru stromego przepięcia spowodowanego zapłonem i gaszeniem wyładowania na stykach najczęściej stosuje się dzielnik pojemnościowy zainstalowany na kołnierzu zewnętrznej rury rozdzielnicy GIS [2, 3,11,12,16]. Problemy wynikające z niedopasowania impedancji kabla pomiarowego do impedancji dzielnika próbowano rozwiązać rezystorami zapobiegającymi odbiciom sygnału pomiarowego między dzielnikiem a cyfrowym rejestratorem przepięć. Pomiary odpowiedzi jednostkowej dzielnika wraz z rejestratorem wykazały, że wymagane dla wiernej rejestracji nanosekundowego czoła impulsu pasmo przenoszonych i rejestrowanych częstotliwości zawiera się w ponad siedmiu dekadach. Dlatego do rejestracji konieczne jest zastosowanie elektronicznego przetwornika impedancji ze wzmacniaczem emiterowym, który zasilany jest z baterii i działa w całym zakresie częstotliwości. Rozwiązanie takie pozwoliło na doświadczalną weryfikację komputerowych symulacji bardzo stromych przepięć [12].

Przepięcia występujące podczas wyłączania dławika lub nieobciążonego transformatora

Na rysunku 4 pokazano zmiany napięcia sieci oraz przepięcia powstające podczas wyłączania dławika. Rejestrowano je z pomocą dwóch dzielników pojemnościowych zainstalowanych po stronie zasilania łącznika oraz po stronie przepustu transformatorowego. Jak można zauważyć napięcie po stronie dławika ma charakter schodkowy, który spowodowany jest obecnością ładunku elektrycznego na pojemności obciążenia w chwili gaszenia łuku.

W miarę rozsuwania się styków łącznika wzrasta wytrzymałość przerwy międzystykowej, ale jednocześnie zwiększa się różnica między napięciem sieci a napięciem po stronie obciążenia. Na oscylogramie widoczne są strome przepięcia o zwiększającej się wartości szczytowej, które naprężają izolację przepustu i uzwojeń dławika. Rejestracja wykazała, że wartość ostatniego przepięcia jest bliska dwukrotnej wartości szczytowej napięcia sieci.
Wyłączenie dławika nastąpiło kiedy napięcie od ładunku zgromadzonego na jego pojemności zmniejszyło się, a wartość różnicy napięć na stykach łącznika zbliżyła się do napięcia znamionowego.
Przebieg napięcia w przerwie międzystykowej podczas wyłączania dławika dokładniej pokazano na rysunku 5.

Odpowiednia szybkość rozchodzenia się styków powoduje, że wzrasta wytrzymałość elektryczna tej przerwy, która jest większa od napięcia UB, co powoduje że ustają procesy zapłonów i gaszenia kolejnych wyładowań między stykami łącznika.
O stromości czoła przepięć, wartości przepięcia oraz odstępie czasu pomiędzy kolejnymi wyładowaniami decydują przede wszystkim takie czynniki jak: prędkość rozchodzenia się styków, wartość pojemności na której gromadzi ładunek, temperatura izolacji gazowej, asymetria kształtu styku ruchomego i stałego [17]. Natomiast kształt przepięć zależy od konfiguracji systemu GIS ponieważ czas trwania przepięcia determinowany jest propagacją fali napięciowej między punktami o różnej impedancji falowej. Dlatego wartości przepięć oraz ich kształty są różne dla różnych konfiguracji systemu GIS.

Zagrożenie izolacji wewnętrznej przepustów „gaz-olej”

Powtarzające się przepięcia o wysokiej stromości w sposób bezpośredni stanowią zagrożenie dla izolacji przepustów „gaz-olej” łączących system GIS z dławikiem lub transformatorem. Z reguły w przepustach kondensatorowych promieniowy rozkład pola elektrycznego sterowany jest za pomocą ekranów z folii aluminiowej (rys.6).

Na rysunku 7 pokazano otrzymane na drodze modelowania komputerowego przykładowe rozkłady pola elektrycznego w rdzeniu kondensatorowych przepustów papierowo-olejowych. Wynika z nich, że w okolicy krawędzi ekranów następuje zagęszczenie linii ekwipotencjalnych, przy czym zależne jest ono o częstotliwości. Przykładowo, na rysunku po prawej stronie przedstawiano symulowany rozkład natężenia pola przy krawędzi ekranu dla częstotliwości 1 MHz. Odbiega on znacznie od obliczonego rozkładu dla próby udarowej.
Modelowanie rozkładu pola wykazało ponadto, ze strome przepięcia powodują przepływ prądu w ekranach w kierunku poosiowym oraz indukują wysokie naprężenia dielektryczne w warstwach izolacji papierowej przy krawędzi ekranów. Stąd też w takich warunkach istnieje realne zagrożenie powstawania wyładowań niezupełnych wewnątrz izolacji przepustu. Aby ograniczyć te efekty stosuje się konstrukcje przepustów o zmniejszonej ilości ekranów oraz wprowadzenie między nie szerokich taśm z folii umieszczonych tak, aby ich krawędzie dzieliły odstęp między krawędziami ekranów na równe odcinki (rys.6 – po prawej stronie) [14].

Jednak pomimo wprowadzenie takich ulepszeń konstrukcji nadal występują uszkodzenia przepustów WN przyłączonych do systemu GIS w pobliżu łącznika. Przykład takiej awarii pokazano na rysunku 8. Inspekcja wewnętrzna uszkodzonego przepustu „gaz-olej” 420 kV/√3 ujawniła bowiem przebicie warstw papieru przy krawędziach ekranów, co niewątpliwie wskazuje na działanie przepięć o bardzo stromym czole.

Zagrożenie izolacji wewnętrznej izolacji uzwojenia WN dławików i transformatorów

Dławiki i transformatory zgodnie z normą zaprojektowane są m.in. ze względu wytrzymałość elektryczną w próby odbiorczej, która wymaga zastosowania udaru normalnego pełnego i uciętego. Aby zapewnić liniowy rozkład naprężeń dielektrycznych w uzwojeniu WN w warunkach udaru normalnego konstruktorzy uzwojeń stosują uzwojenia przeplatane bądź zwoje wplatane (shield wires). Wymuszają one jednostajny rozkład napięcia udarowego na kolejnych dwucewkach uzwojenia (rys.9). Rozwiązanie to jest skuteczne w przypadku udaru normalnego a także uciętego, którego widmo rozciąga się nieco ponad 1 MHz.

Przedstawione konstrukcje uzwojeń nie rozwiązują jednak problemu powstawania wysokich naprężeń dielektrycznych pomiędzy zwojami w dwucewce w warunkach stromych przepięć o znacznej amplitudzie składowych widmowych o wysokiej częstotliwości. Bowiem widmo przepięć spowodowanych działaniem łącznika SF6 jest kilkudziesięciokrotnie szersze od widma udaru normalnego. Powodują one powstawanie przeciwbieżnych fal napięciowych w dwucewkach, które nakładając się na siebie powodują znacznie większe naprężenia izolacji międzyzwojowej w stosunku do próby udarowej. Efekt taki wynika z tego, że czasy propagacji stromych przepięć w odpływie łączącym zacisk przepustu z początkiem uzwojenia oraz w głąb dwucewki uzwojenia są dłuższe od czasu narastania i trwania przepięcia. Wtedy fala impulsowego przepięcia wnika jednocześnie do dwucewki z obydwu jej końców. Przeciwbieżne fale nakładają się na siebie w pobliżu środka długości drutu nawojowego dwucewki i tam właśnie występuje podwojenie naprężeń międzyzwojowych ponieważ efekt odbicia od krańców uzwojenia jest pełny. Warto przy tym podkreślić, że w uzwojeniach ze zwojami wplatanymi nakładanie się fal może wystąpić w innej części dwucewki.
Wprawdzie pojedynczy impuls przepięciowy jest krótkotrwały, ale ich szybko następująca po sobie seria może powodować lokalne wyładowania oraz przyspieszoną degradację izolacji uzwojeń dławików i transformatorów WN w pobliżu odpływu, a nawet jej przebicie.

Tłumienie bardzo stromych przepięć na stacjach z izolacja gazową

Tłumienie bardzo stromych przepięć w stacji WN o izolacji gazowej jest przedmiotem rozległych prac badawczych prowadzonych bądź sponsorowanych przez producentów łączników SF6 oraz systemów GIS. Obecnie do tłumienia składowych o wysokiej częstotliwości stosowane są ferrytowe pierścienie nałożone na szynę roboczą WN wewnątrz GIS [20]. Używa się również pierścieni ze zwiniętej taśmy nanokrystalicznej, w których straty na histerezę i prądy wirowe rozpraszają energię wyższych składowych widmowych przepięcia [18, 19]. Jednak pierścienie te mogą być nasycane przez prąd o częstotliwości sieciowej płynący przed otworzeniem styków łącznika, co powoduje niższą skuteczność tłumienia stromych przepięć.
Rozważano także wprowadzenie do szyny GIS wnęki rezonansowej dostrojonej do głównej częstotliwości widma przepięcia, a także spiralne nacięcie odcinka szyny stacji i równoległe połączenie tak utworzonej cewki z opornikiem tłumiącym wyższe składowe widmowe przepięcia [11]. Te koncepcje nie zostały zastosowane w praktyce, mimo, że stosowane są nowe rozwiązania wykorzystujące krótkie odcinki taśmy o wysokiej przenikalności magnetycznej zatopione w niemagnetycznym tworzywie, co pozwala zmniejszyć nasycenie i utrzymać dostatecznię wysoką przenikalość takiego materiału [21].
Prowadzono również prace nad sterowaniem ruchu styków łącznika i jego synchronizację z fazą napięcia sieci [7]. Jednak, w tym przypadku, rozrzut czasu zadziałania napędu styków utrudnia precyzyjne ich zamknięcie w wybranej fazie napięcia. Dlatego konstruktorzy łączników w systemach SF6 proponują zainstalowanie dodatkowej pary styków połączonej szeregowo z opornikiem tłumiącym. Załączane są one w pierwszej kolejności, a następnie po ustalonej zwłoce styki główne. Proces wyłączaniu następuje w odwrotnej sekwencji. Co prawda takie rozwiązanie jest skuteczne, ale znacznie podnosi koszt łącznika [15].
Innym rozwiązaniem są łączniki z krótszymi czasami rozchodzenia się styków [17], co zmniejsza czas trwania wyładowań oraz ich ilość, ale zwiększa amplitudę impulsów. W konsekwencji różni producenci oferują łączniki charakteryzujące się czasami rozchodzenia się styków optymalnie dobranymi do charakteru obciążenia i konstrukcji systemu GIS.
Jednym z proponowanych wariantów tłumienia składowych przepięcia o wysokiej częstotliwości jest stosowanie kabla XLPE do połączenia dławika z systemem GIS. Straty w kablu oraz odbicia fal biegnących zmniejszają stromość przepięcia doprowadzonego do dławika. Takie rozwiązanie nie jest dogodne w podziemnej stacji WN, gdzie obszar zajmowany przez szyny w izolacji gazowej powinien być jak najmniejszy, a ponadto przepust łączący kabel z szyną stacji jest naprężany stromymi przepięciami [15].
W rezultacie, jak do tej pory, nie znaleziono skutecznego rozwiązania tego problemu, które zyskałoby ogólne uznanie i uniwersalne zastosowanie. Niemniej jednak problem skutecznego tłumienia stromych przepięć ma duże znaczenie praktyczne, stąd nadal kontynuowane są prace badawcze nad tym zagadnieniem.

Wnioski

Rozbudowa sieci kablowej o napięciu do 500 kV w aglomeracjach miejskich i przemysłowych spowodowała konieczność instalowania systemów GIS w stacjach podziemnych. Ponieważ taka sieć pobiera znaczną moc pojemnościową w godzinach nocnych i w okresie niskiego obciążenia istnieje konieczność instalowania dławików o mocy rzędu setek MVAr celem kompensacji mocy biernej. Dławiki te zazwyczaj są bezpośrednio połączone z system GIS i cyklicznie załączane łącznikami SF6. Takie operacje powodują powstawanie stromych i powtarzających się przepięć sięgających dwukrotnej wartości szczytowej napięcia sieci, które zagrażają izolacji przepustów i uzwojeń urządzeń WN.
Ze względu na strategiczną lokalizację miejskich stacji GIS producenci przepustów, dławików i transformatorów podjęli szeroko zakrojone prace badawcze nad tłumieniem stromych przepięc wywołanych wyłączaniem i załączaniem dławików i nieobciązonych transformatorów. Prowadzone są także studia tego problemu w instytutach i laboratoriach akademickich. W Polsce aktywnie tą tematyką zajmuje się Centrum Badawcze ABB w Krakowie.
Złożony, nie całkowicie rozpoznany wzajemny wpływ konfiguracji stacji w izolacji gazowej oraz parametrów łączników SF6 na generację stromych przepięć nie pozwolił na wprowadzenie jednej skutecznej metody tłumienia stromych przepięć Najbardziej zaawansowane są konstrukcje łączników z dodatkową parą styków pomocniczych z szeregowo włączonym rezystorem, a także prototypowe rdzenie magnetyczne z materiałów utrzymujących wysoką przenikalność magnetyczną w zakresie od kilkudziesięciu do ponad stu MHz.

Literatura

[1] Boggs, S.A., Chu, Y., Fujimoto, N., Krenicky, A., Plessl, A., Schlicht, D., „Disconnect switch induced transients and trapped charge in gas-insulated substations”. IEEE Trans, Vol. PAS-101, No.10, October 1982.
[2] Boggs, S.A., Fujimoto, N., „Techniques and instrumentation for measurement of transients in gas-insulated switchgear”. IEEE Trans. Vol. EI-19, April 1984.
[3] Murase, H., Ohshima, I., Aoyagi, H., Miwa, I., „Measurement of transient voltages induced by disconnect switch operation”. IEEE Trans. Vol PAS-104, No. 1., Jan 1985.
[4] Meppelink, J., Dietrich, J., Feser, K., Pfaff, W.R., „Very fast transients in GIS”. IEEE Trans, Vol. PWRD-4, No. 1, October 1989.
[5] Yanatabu, S., Murase, H., Aoyagi, H., Okubo, H., Kawaguchi, Y., „Estimation of fast overvoltage in gas-insulated susbstation”. IEEE Trans. Vol. PWRD-4, No.4, October 1990.
[6] Povh, D., Schmitt, H., Valcker, O., Wutzmann, R. „Modeling and analysis guidelines for very fast transients”. IEEE Trans. Vol. PWRD-11, No. 4, October 1996.
[7] Kobayashi, T., Tsukao, S., Ohno, I., Koshizuka, T., „Application of Controlled Switching to 500-kV Shunt Reactor Current Interruption”, IEEE Trans. Vol. PAS-18, April 2003.
[8] Rao, M.M.,Thomas, M.J., Singh, B.P., „Frequency Characteristics of Very Fast Transient Currents in a 245-kV GIS”, IEEE Trans. Vol. PWRD-20, No. 4 October 2005.
[9] Chang, G.W., Huang, H.M., Lai, J.H., „Modeling SF6 Circuit Breaker for Characterizing Shunt Reactor Switching Transient”. IEEE Trans. Vol. PAS-22, July 2007 pp.1533-49.
[10] Kam, S-c., Ledwich, G., „Development of diagnostic and prognostic algorithms for SF6 puffer circuit breakers from transient Waveforms: a validation proposal”. European EMTP-ATP Conference October 26-28, 2009 Delft, The Netherlands. http://eprints.qut.edu.au/26943.
[11] Riechter, U., Bosch, M., Smajic, J., Shoory, A., Szewczyk, M., Piasecki, W., Burow, S., Tenbohlen, S., „Mitigation of Very Fast Transient Overvoltages in Gas Insulated UHV Substations”, CIGRE 2012, Paris paper A3_110.
[12] Shu, Y., Chen, W., Li, M.Dai., Li, C., Liu, W., Yan, X., „Experimental research on very-fast transient overvoltage in 1100-kV gas-insulated switch gear”. IEEE Trans. Vol PWRD-28, No. 1, January 2012.
[13] Riechter, U., Neumann, C., Hama,H., Okabe, S., Schichler, U., Ito, H., Zaima, E., „Very fast Transient Overvoltages (VFTO) in Gas-Insulated UHV Substations”, CIGRE, Paris, Technical Brochure No. 519.
[14] Zhang, S., Peng, Z., Liu, P., „Inner Insulation Structure Optimization of UHV RIP Oil-SF6 Bushing Using Electro-Thermal Simulation and Advanced Equal Margin Design Method”. Xi’an Jiaotong University, State Key Lab. of Electrical Insulation and Power Engineering. 2013.
[15] Tavakoli, A., Gholani, A., Nouri, H., Negnevitsky, M., „Comparison Between Suppressing Approaches of Very Fast Transients in Gas-Insulated Substations (GIS)”, IEEE Trans. Vol. PWRD-28, No. 1, January 2013.
[16] Gongchang, Y., Weidong, L., Weijang, C., Yonggang, G., Zhibing, L., „Development of Full Bandwidth Measurement of VFTO in UHV GIS”, IEEE Trans. Vol. PWRD-28, No. 4, October 2013.
[17] Yinbiao, S., Bin, H., Ji-Ming, L., Weijang, C., Liangeng, B., Zutao, X., Guoqiang, C., „Influence of switching speed of disconnector on very fast overvoltage”. IEEE Trans. Vol. PWRD-28, No. 4, October 2013.
[18] Guan, G.Y., Chen, W., Li, Z., Liu, W., „Experimental research on suppressing VFTO in GIS by magnetic rings”. IEEE Trans. Vol. PWRD-28, No. 4, October 2013.
[19] Szewczyk, M., Pawłowski, J., Kutorasiński, K., Piasecki, W., Florkowski, M., Straumann, U., „High frequency model of magnetic rings for simulation of VFTO damping in gas-insulated switchgear with full scale validation” IEEE Trans, Vol. PWRD-30, No.5, October 2015.
[20] He, J., Guan, G.Y., Chen, W., Li, Z., „Design optimization of ferrite rings for VFTO mitigation”, IEEE Trans. Vol. PWRD-30, No. 5. October 2015.
[21] Szewczyk, M. et all. „Damping of VFTO in Gas Insulated Switchgear by A New Coating Material”. IEEE Trans. Vol PWRD-31, No.6. December 2016.

Ryszard Malewski
Malewski Electric