GIL - przyszłość w przesyle energii elektrycznej

advertisement
PRZEGLĄDY - POGLĄDY
GIL - przyszłość w przesyle energii elektrycznej
Aleksandra Rakowska
W języku
Obecnie na świecie eksploatowanych jest nieco ponad 300 km linii
z izolacją gazową (w przeliczeniu na jedną fazę i uwzględnieniu
połączeń na terenach elektrowni), pracujących na napięciu od
72 kV do 550 kV [2, 3]. Linie zainstalowane dotychczas to
stosunkowo krótkie odcinki, o długości od kilkuset metrów do
nieco ponad trzy kilometry - głównie układane bezpośrednio
w ziemi, w tunelach lub na estakadach.
„gB"
od
z
I
na
ma
i
na
ma na
dla
GIL
to
GIL
z
się z
w
GIS,
z
w
Rozwój systemów elektroenergetycznych wymaga doskonalenia
i optymalizowania sposobów przesyłania energii elektrycznej.
Prowadzone są prace badawcze w laboratoriach, a następnie wyniki
tych badań są weryfikowane w rozwiązaniach prototypowych,
które są instalowane w rzeczywistych sieciach elektroenergetycznych.
Uzyskanie pozytywnych doświadczeń z eksploatacji prototypowych rozwiązań technicznych pozwala na wykorzystanie nowych,
bardziej opłacalnych technologii budowy linii elektroenergetycznych na różnych poziomach napięć.
Ostatnio wśród coraz szerzej propagowanych systemów przesyłu
energii elektrycznej znajdują się linie GIL.
GIL to „elektryczne rury" wypełnione gazem izolacyjnym, co
schematycznie przedstawiono na rysunku 1. Ze względu na
właściwości izolacyjne gazu, wymiary osłon zewnętrznych i żył są
dość znaczne. Przykładowa konstrukcja [1] ma osłonę zewnętrzną
o średnicy 450 mm, dla której optymalnym rozwiązaniem jest
przewodnik o średnicy 170 mm.
Rys. 1.
>
Schemat układu
3-fazowego GIL
gaz pod
ciśnieniem
l—przewodnik
osłona
zewnętrzna
Dr hab. inż. Aleksandra Rakowska, prof. Politechniki Poznańskiej
- Instytut Elektroenergetyki Politechniki Poznańskiej, czlonek SEP
Rok LXXIII 2005 nr 2
Wiele firm na świecie podejmuje próby wykorzystania tego
alternatywnego sposobu przesyłu energii, ze względu na zalety
systemu GIL [4]. Przykładowo, firma Siemens już w 1974 roku
wprowadziła tę technologię, budując linię GIL o długości 700 m
w tunelu, w Schluchseewerk na terenie Niemiec - w miejsce
dotychczas eksploatowanej linii kablowej, która uległa zniszczeniu
w wyniku pożaru. Firma ta również jako pierwsza przekroczyła
poziom napięcia 400 kV w systemie GIL, oddając do eksploatacji
odcinek 4 km linii z izolacją SF6. Linia ta została zainstalowana
w tunelu kablowym na zboczu jednej z gór pięknego Schwarzwaldu, do stacji pomp Wehr [5]. Parametry charakterystyczne linii to:
napięcie 420 kV, wytrzymałość udarowa 1640kV, obciążalność
prądowa 2000/2500 A oraz prąd zwarciowy 53 kA.
Inne przykłady typowych linii GIL to: instalacja Chinon we Francji
(525 m, układ 2-fazowy, 420 kV, oddana do eksploatacji w 1980
roku) oraz linia Claireville w Kanadzie (550 kV, wybudowana dla
Ontario Hydro w 1978 roku).
Znacznie dłuższe są linie wykonywane w ostatnich latach [6]:
- w Japonii - GIL o długości 3,3 km, układ 2-fazowy na napięcie
275 kV, zainstalowany w tunelu,
- w Arabii Saudyjskiej - GIL o długości ok. 6 km, układ 3-fazowy
(sumaryczna długość linii jednofazowej ok. 18 km), na napięcie
420 kV.
W wielu publikacjach właśnie uruchomienie linii GIL Shinmeika-Tokai w Japonii, o długości 3,3 km uważa się za przełomowy etap
w rozwoju tego typu linii przesyłowych [7]. Linia pracuje na
napięciu 275 kV, a jej maksymalna zdolność przesyłowa wynosi
2850MW. Pozostałe parametry charakteryzujące instalację: prąd
znamionowy 6300 A, wytrzymywane napięcie udarowe 1050kV,
wytrzymywane napięcie przemienne 460 kV, prąd zwarciowy
50 kA przez 2 sekundy, minimalna temperatura pracy — 5° C.
Konstrukcja linii gazowej: przewodnik - średnica zewnętrzna
170 mm, grubość ścianki 20 mm, materiał - stop aluminium (rura
wytłaczana), osłona zewnętrzna - stop Al, średnica wewnętrzna
460 mm, grubość ścianki l O mm, powierzchnia zewnętrzna powlekana, gaz - SF6 o ciśnieniu 0,44 MPa.
Oddanie do eksploatacji tej linii poprzedzone było szczegółowymi
badaniami wykonanymi na kompletnym prototypie linii o długości
168 m (rys. 2). Wiele badań dotyczyło odporności instalacji na
możliwość wystąpienia trzęsienia ziemi i zachowanie szczelności
instalacji w tych warunkach.
GIL 275 kV-Japonia
długość 3,3 kir.
f
linia Shinmeika-Tokai
dl. 3.3 km. moc 2850 MW
1
2
3
4
Długość
[Km]
5
Rys. 3. Porównanie opłacalności stosowania .systemów GIL i linii kablowych wg [7]
Jednofazowy
model GIL
o długości 168 m
Rys. 2. Instalacja prototypowa oraz rzeczywista opracowana przez zespól japoński [7]
Przesył tak dużej energii wymagał wybudowania linii dwutorowej.
Gdyby zastosowano klasyczne linie kablowe, wówczas należałoby
ułożyć pięć takich linii, a koszt ich zainstalowania przekraczałby
koszt budowy linii GIL o ponad 5%. Opłacalny zakres instalowania
linii GIL w miejsce typowych linii kablowych ułożonych kablami
o izolacji z polietylenu usieciowanego (XLPE) pokazano na
rysunku 3.
W systemach GIS i GIL jako izolację gazową wykorzystywano
początkowo SF6. Jednakże przy liniach GIL o długościach przekraczających kilka kilometrów wymagana objętość gazu jest już
znaczna. Wiadomo, że gaz ten nie jest tani i -jak wykazują ostatnie
badania naukowe - może przyczyniać się w niekorzystnych
warunkach eksploatacyjnych do intensyfikacji efektu cieplarnianego. Z tego względu rozpoczęto szerokie badania nad zastosowaniem azotu, ponieważ jest on głównym składnikiem powietrza i jest
całkowicie przyswajany przez środowisko naturalne.
Jak wynika z badań przeprowadzonych przez wiele ośrodków
(m.in. ABB Energie, Alstom T&D, EdF DER, Siemens), najbardziej obiecującym medium gazowym w systemach GIL jest
mieszanina N 2 /SF 6 z niską zawartością sześciofluorku siarki,
w miejsce czystego SF6. Najwięcej prowadzonych obecnie prac
badawczych dotyczy właśnie optymalnego wykorzystania tej mieszaniny gazów w liniach GIL. Na rysunku 4 pokazano porównanie
wytrzymałości elektrycznej izolacji gazowej [1],
Rys. 4. Porównanie
wytrzymałości udarowej
czystego sześciofluorku
siarki i azotu
oraz mieszanin tych gazów
25 [bar] 30
Następnie prototyp linii GIL poddano próbie wytrzymałości udarowej - sprawdzano wytrzymałość elektryczną przy wartoścach:
1050 kV - dla napięcia udarowego piorunowego oraz 1300 kV - dla
napięcia udarowego łączeniowego. Uzyskany efekt był całkowicie
satysfakcjonujący.
Kontrolowano również wytrzymałość mechaniczną badanego układu, poddając go elektromechanicznemu oddziaływaniu prądów
zwarciowych. Skrupulatnie badano wszelkie połączenia, zwracając
szczególną uwagę na elementy łączące linię pod kątem 90°.
Sprawdzano przed, między i po próbach zwarciowych szczelność
i zachowanie funkcji połączeń pomiędzy poszczególnymi elementami układu GIL. Dla przeprowadzenia badań długotrwałych,
prototyp GIL umieszczono w tunelu o średnicy 3 m i długości 70 m,
co pozwoliło odtworzyć rzeczywiste warunki ułożenia linii [9].
Wiele koncernów energetycznych prowadziło szerokie badania [8,
9] na prototypach linii gazowych z wykorzystaniem mieszaniny
gazów SF6 oraz N2. Jeden z prototypów testowano w firmie
Siemens. Główne dane techniczne tej linii: napięcie znamionowe
- 420 kV, prąd znamionowy - 3200 A, moc przesyłowa
- 2000MYA, skład gazu - 80% N2 i 20% SF6.
Badania prototypu linii prowadzono przez dwa niezależne laboratoria badawcze. Zgodnie z zaleceniami IEC [10], próby rozpoczęto
sprawdzeniem wytrzymałości elektrycznej układu przy napięciu
przemiennym oraz wytrzymałości udarowej przy udarach piorunowych i udarach łączeniowych. Uzyskano pełną wytrzymałość
elektryczną podczas próby krótkotrwałej napięciem 630 kV, przy
napięciu przemiennym. Podczas tej próby kontrolowano również
poziom wyładowań niezupełnych.
Rok LXXIII 2005 nr 2
PRZEGLĄDY - POGLĄDY
Intencją tego badania była symulacja narażeń elektrycznych
i mechanicznych, które wystąpią podczas 40-letniego okresu
eksploatacji w warunkach rzeczywistych.
Próba długotrwała obejmowała poddawanie prototypu GIL-a cyklom: 5 godzin obciążenia prądem 3200 A, a następnie 7 godzin
przyłożenia napięcia o wartości 480 kV, przy równoczesnym
kontrolowaniu poziomu wyładowań niezupełnych.
Badania podobne do prowadzonych przez Niemców wykonywano
również we Francji. Różnica w testowanym w laboratorium EDF-u
prototypie, wykonanym przez firmę ABB, polegała na zastosowaniu innej proporcji mieszaniny gazu - 90% N2 i 10% SF6 dla układu
GIL 2000 MV A [8]. Prototyp ten poddano sprawdzeniu wytrzymałości elektrycznej przy napięciu 50 Hz, stwierdzając że
w pełni wytrzymał on działanie napięcia 800 kV przez okres
l minuty. Następnie przeprowadzono test długotrwały, trwający
6000 godzin. Badanie to miało na celu odtworzenie pięćdziesięcioletniej eksploatacji linii w warunkach rzeczywistych.
Zgodnie z wymaganiami instytucji międzynarodowych, takich
jak IEC czy CIGRE [13], na wszelkich prototypach urządzeń lub
wysokonapięciowych instalacji elektroenergetycznych konieczne
jest wykonywanie nie tylko testów wytrzymałości elektrycznej,
lecz przede wszystkich wymagane jest prowadzenie prób długotrwałych - dla pełnego zapewnienia odpowiedniej niezawodności
urządzenia oraz całkowitego wyeliminowania jakiegokolwiek zagrożenia ekologicznego w przypadku zaistnienia awarii tegoż
urządzenia lub systemu.
Przy wykonywaniu linii w Genewie szczególnie wiele uwagi
zwrócono na bezpieczeństwo tej instalacji. Zastosowano taką
technologię spawania i rygorystyczną kontrolę szczelności, aby
maksymalnie wyeliminować możliwość wystąpienia ubytku gazu
z instalacji. Odcinki rur zewnętrznych były spawane wzdłuż linii
śrubowej, przewożone na plac budowy i tam prefabrykowane na
odcinki liniowe. Spiralny szew zapewnia równy rozkład naprężeń
mechanicznych na obudowie linii. Końce segmentów były przyLinie GIL, w których zastosowano mieszaninę SF6 i N2, nazywane stosowane do spawania czołowego, a po połączeniu kolejnych
są liniami drugiej generacji. W styczniu 2001 r. uruchomiono odcinków przeprowadzana była bardzo szczegółowa kontrola
pierwszą w Europie linię GIL z mieszaniną SF6 i N2 - 80% + 20% spawu.
[11, 12]. Jest to linia ułożona pod halą wystawową w Genewie Podczas budowy linii poszczególne jej odcinki umieszczano na
- w miejsce dotychczas istniejącej linii napowietrznej (rys. 6). rolkach na każdym ze wsporników podtrzymujących konstrukcję
[l 1], Po zamontowaniu całej linii, rolki były zastępowane elastyczPrzęsło istniejącej dwutorowej linii napowietrznej zastąpiono linią
nymi
podkładkami, z wyjątkiem rolek w części środkowej linii, co
GIL - również trójfazową i dwutorową. Jej budowa odbywała się
w okresie od września do grudnia 2000 r., przy zastosowaniu dwóch umożliwiło niwelację efektów rozszerzalności termicznej poszczetechnik instalacji: układaniu w tunelu oraz zakopaniu bezpośrednio gólnych elementów - dzięki możliwości wykorzystania przesuwnych kompensatorów umieszczonych na końcach elementów linii.
w ziemi.
Po ułożeniu całej linii przeprowadzono badania i przekazano
instalację do eksploatacji. Szacunkowo oceniono, że koszt budowy
jednego kilometra linii GIL drugiej generacji wynosi ok. 5 min euro
[11]. Uzyskano obniżenie kosztów instalowania linii GIL drugiej
generacji o ok. 50%, w porównaniu do kosztów analogicznej GEL,
gdyby wybudowano ją wykorzystując pierwszą generację tych linii.
Od stycznia 2002 roku eksploatowany jest GIL na napięcie 550 kV
- oczywiście z zastosowaniem drugiej generacji konstrukcji linii.
Jest to linia do stacji Sai Noi w Bangkoku w Tajlandii i - jak
dotychczas - stanowi światowy rekord w zdolności przesyłowej
linii elektroenergetycznych [14]. Linii nadano bardzo rozbudowaną
nazwę: Bulk Power Supplyfor the Greater Bangkok Areas Project,
•:
Rys. 5. Tunel,
w którym przeprowadzano próby długotrwałe linii GIL
Rys. 6. PALEKPO - Genewa w pobliżu lotniska:
widok przęsła linii, które zastąpiono
oraz instalacja GIL w tunelu pod halą wystawienniczą
(wymiary tunelu: szerokość 2.4 m. wysokość 2.6111)
Rok LXXIII
2005 nr 2
-
;v:
PRZEGLĄDY - POGLĄDY
a parametry ją charakteryzujące są następujące:
- napięcie znamionowe 525 kV,
- napięcie maksymalne 550 kV,
- prąd znamionowy 4000 A,
- zdolność przesyłowa 3 800 MV A,
- wytrzymałość udarowa 1550 kV
- wytrzymałość przy 50 Hz 740 kV,
- prąd zwarciowy 50kA/l s,
- mieszanina SF6/N2 60% + 40%,
- długość linii 3,5 km.
Prace instalacyjne trwały tylko 5 miesięcy (rys. 7). Po mechanicznym połączeniu wszystkich elementów linii, wnętrze GŁ-a zostało
wypełnione suchym powietrzem i wykonano test ciśnieniowy
zgodnie z wymaganiami IEC61640. Następnie wypełniono wnętrze mieszaniną gazu i rozpoczęto kondycjonowanie napięciem
przemiennym, w celu usunięcia wszelkich zanieczyszczeń - było to
możliwe dzięki zastosowaniu specjalnych pułapek do wychwytywania zanieczyszczeń. Badania prowadzono zgodnie z wymaganiami IEC, poddając układ działaniu napięcia przemiennego
o wartości 592 kV, co stanowi 80% napięcia wytrzymywanego.
Dodatkowo linię poddano próbie udarowej. Podczas wszystkich
badań napięciowych kontrolowano poziom zanieczyszczeń na
powierzchni izolatorów.
:
Stosowane są dwie techniki łączenia odcinków linii GIL. Jedna to
spawanie proste, z zastosowaniem wszelkich możliwych technik
diagnostycznych do sprawdzania poprawności i bardzo wysokiej
jakości połączenia [12, 15]. Druga to użycie połączeń kołnierzowych. Interesujące jest zastosowanie połączeń teleskopowych,
umożliwiających prowadzenie prac naprawczych (rys. 8) [3].
Dotychczasowe badania wykazują, że linie GIL mogą być stosowane w zakresie napięć do 800 kV. Ich jednostkowa zdolność
przesyłowa energii elektrycznej jest ogromna - od 500 do
3000 MW. Wykorzystanie tej technologii przesyłu energii pozwala
obniżyć straty (wynikające ze zjawiska Joule' a) do połowy lub do
trzeciej części strat powstających w liniach napowietrznych.
a^satmumtmammm^r^Bm^mmimmnak.- \
Rys. 8. Widok wewnętrzny linii ora/ poiac/enie teleskopowe ..naprawc/e"
- GIL 550 kV w Tajlandii
' • ••:-••'
Rys. 7. Instalacja GIL-a w Bangkoku [!4j: namiot do łączenia elementów
- widok zewnętrzny i wewnętrzny (łączenie elementów oraz fragment linii)
Rok LXXIII 2005 nr 2
PRZEGLĄDY - POGLĄDY
Natomiast jednostkowa pojemność linii w systemie GIL jest
znacznie niższa niż pojemność typowych linii kablowych. Właśnie
wartość pojemności linii wpływa na fakt, że długość linii GIL może
przekraczać 100 km - bez konieczności wprowadzania dodatkowo
kompensacji mocy biernej.
Zwiększająca się liczba instalowanych linii GIL wpływa na
zmniejszenie kosztów opracowywania i wykonania tych instalacji
oraz na zwiększenie szybkości układania linii (obecnie możliwe
jest układanie ponad 100 m linii w ciągu dnia). W początkowym
etapie wprowadzania tej technologii instalacja linii GIL była około
30-krotnie bardziej kosztowna od budowy równoważnej linii
kablowej. Obecnie koszt ten jest tylko około siedmiokrotnie
wyższy (wg innych źródeł ok. 8-10 razy) [3, 15, 16].
Wiadomo również, że wykorzystanie wszelkich dostępnych współcześnie technik komputerowych pozwala na optymalizację kształtu
i wymiarów systemu GIL. Prototypy nowej generacji Gaś Insulated
Lines, tworzone z wykorzystaniem technik optymalizacyjnych, są
obecnie budowane i badane w kilku ośrodkach na świecie.
Budowane są coraz częściej krótkie odcinki linii GIL na napięcie
420kV, z mieszaniną gazu 80% SF6 i 20% N2.
Wyniki prowadzonych prac pozwalają sądzić, że wszystkie zalety
tego sposobu przesyłu znacznych mocy będą jeszcze bardziej
wyeksponowane, a rozwiązania techniczne pozwolą przekroczyć
kolejne bariery poziomu zdolności przesyłowych energii elektrycznej. Dotychczasowe doświadczenia eksploatacyjne potwierdzają,
że przyszłość dla niektórych linii to właśnie GIL.
Realizowana jest kolejna duża inwestycja - GIL w Indiach, a coraz
częściej standardem stają się krótkie odcinki linii GIL na napięcie
420kV, z mieszaniną gazu 80% SF6 i 20% N2 - np. w Wielkiej
Brytanii linia Elstree (długość 0,84 km, 2004 r.) oraz linia Hams
Hali (0,54km, 2003 r.).
W ramach CIGRE wyłoniono grupę roboczą z trzech Komitetów
Studiów: 21, 23 i 33 (nazewnictwo z 2002 roku), która opublikowała opracowanie zawierające zestawienie dotychczasowej
wiedzy na temat Gaś Insulated Lines, z omówieniem parametrów
elektrycznych, mechanicznych i termicznych, metod badań, a także
z zebraniem wszystkich dostępnych doświadczeń eksploatacyjnych. Bardzo obiecującym faktem jest stwierdzenie, że podczas już
ponad 25-letniej eksploatacji linii GIL nie zanotowano żadnych
zasadniczych awarii w ich pracy.
[7] Okubo H.. Takahashi L: Insulation design and on-site testing method for a long
distance GIL. IEEE Mag. 1998 nr 6
[8] Bourdet M., Hopkins M., Feldmann D., Maugain Y.: Long term test of a directly
buried GIL prototype. JICABLE'99, Paryż 1999
[9] Schuette A., Koch H.: Gas-insulated transmission lines (GIL). Type tests and
preąualification. JICABLE'99, Paryż 1999
[10] IEC 61640. Rigid high-voltage, gas-insulated transmission lines for rated
yoltages of 72 • 5 kV and above
[11] Ashmore C.: Cutting the cost of piped power. Trans-Power Europę, March 2001
[12] Koch H., Hillers T.: Second-generation gas-insulated linę. Power Engineering
Journal, June 2002
[13] GIL - Gas-insulated Transmission Lines. Electra 2003 nr 211
[14] Piputvat V., Koch H., Poehler S., Hillers T.: 550 kV gas-insulated transmission
linę for high power rating. Session 2004 CIGRE, Paryż 2004
[15] Ponchon Ph„ Bues M., Girodet A.: New generation of GIL. Characteristics and
applications. JICABLE'04. Paryż 2004
[16] Kuffel E.: The properties of gaś mixtures replacing SF6 in power apparatus (GIT
and GIL). Przegląd Elektrotechniczny 2004 nr l
PREFABRYKOWANE OKABLOWANIE
MASZYN I LINII PRODUKCYJNYCH
Montaż elektryczny skomplikowanych maszyn i linii produkcyjnych jest
jednym z najbardziej pracochłonnych zajęć. Wymaga ponadto wysoko
kwalifikowanego personelu.
Jedna z niemieckich fabryk, zatrudniająca ponad 1600 pracowników
i mająca swoje przedstawicielstwa i stacje obsługi serwisowej w 32 krajach,
specjalizuje się w przygotowywaniu prefabrykowanego okablowania maszyn i linii produkcyjnych.
Na zdjęciu przedstawiono przygotowywanie okablowania układu zasilania
maszyny. Prefabrykowane układy okablowania upraszczają w sposób
istotny montaż elektryczny u odbiorców maszyn lub linii produkcyjnych.
(wb-U)
LITERATURA
[1] Guillen M., BertrandM.: Optimised gas-insulated transmission linę. International
Conference on Insulated Power Cables JICABLE'99, Paryż 1999
[2] Koch H.: Experience4 with 2nd generation gas-insulated transmission lines GIL.
JICABLE'04, Paryż 2004
[3] Coventry P., Girodet A., Loray F.: New generation of GIL. Session 2004 CIGRE.
Paryż 2004
[4] Rakowska A.: GIL - alternatywa dla energetyki zawodowej. Konferencja
„Gazoszczelne urządzenia elektroenergetyczne", Bielsko-Biała 1999
[5] www.eci.siemens.com - informacje o systemach GIL
[6] Rakowska A.: Wysokonapięciowe linie elektroenergetyczne w systemie GIL
oraz LIGHT - jako przykłady nowoczesnych instalacji do przesyłu energii
elektrycznej. Konferencja „Instalacje elektryczne niskiego, średniego i wysokiego napięcia". Targi Technologii Przemysłowych i Dóbr Inwestycyjnych, Poznań
2002
Rok LXXIII 2005 nr 2
Elektro Automation 2004 nr 3
Download
Random flashcards
ALICJA

4 Cards oauth2_google_3d22cb2e-d639-45de-a1f9-1584cfd7eea2

bvbzbx

2 Cards oauth2_google_e1804830-50f6-410f-8885-745c7a100970

Motywacja w zzl

3 Cards ypy

Pomiary elektr

2 Cards m.duchnowski

Create flashcards