Problemy eksploatacyjne napowietrznych linii SN z przewodami w osłonie izolacyjnej w systemie PAS

Linie SN w systemie PAS w Polsce są budowane i z powodzeniem eksploatowane od 14 lat. Ogółem wybudowano w tym czasie ponad 3 500 km linii PAS. W ostatnich latach daje się zauważyć wzrost ilości nowobudowanych lub przebudowywanych linii SN w systemie PAS. Wynika to z faktu, że linie PAS potwierdziły swoją wysoką eksploatacyjną niezawodność w stosunku do linii gołych i z nowinki technicznej stały się standardowym rozwiązaniem w trudnych warunkach terenowych. Nie bez znaczenia jest fakt, że zostały one bardzo dobrze przyjęte przez służby eksploatacyjne energetyki.

Mniejsza awaryjność

Podstawowym kryterium, które zadecydowało o rozpowszechnieniu linii SN w systemie PAS, była ich zdecydowanie mniejsza awaryjność w porównaniu do linii gołych. Dane statystyczne krajów skandynawskich mówią o blisko 5-krotnie mniejszej ilości awarii linii PAS (na km linii na rok), dostępne polskie statystyki podają jeszcze lepsze współczynniki - 6,5-krotnie mniejsza awaryjność linii PAS [L. 1].

W wyniku analizy przyczyn [L. 2] zdarzających się awarii linii PAS w Polsce, ocenia się, że 63% awarii spowodowanych zostało przez czynniki atmosferyczne (uderzenia piorunów, sadź) i zewnętrzne (głównie upadki drzew na linie), a 32% awarii wynikało z błędów montażowych. Wady fabryczne (przewodu, osprzętu) stanowiły przyczynę ok. 5% awarii. W statystyce tej nie uwzględniono niewielkiej liczby awarii spowodowanych zaniedbaniami eksploatacyjnymi (np. brak wycinki) i nieprawidłowymi rozwiązaniami projektowymi.

Błędy montażowe i projektowe wpływające na niezawodność eksploatacyjną linii PAS

W początkowym okresie budowy linii SN w systemie PAS w Polsce powstało szereg projektów, które nie miały wiele wspólnego z systemem PAS opracowanym przez ENSTO. W projektach tych próbowano przenieść zasady budowy i osprzęt linii gołych do systemu PAS, na ogół z miernym skutkiem.

W jednej z wybudowanych linii, na wykonanie w oparciu o nieprawidłowy projekt nałożyły się błędy wykonawcze, co spowodowało 5 awarii w ciągu trzech lat, polegających na zerwaniu przewodów.

Błędy projektowe:

• Projekt oparto o wyjątkowo nietrafione, stare rozwiązanie typowe polegające na zastosowaniu do przewodów w osłonie izolacyjnej osprzętu do linii gołych (w związku z tym wielokrotnie rozizolowywano przewód).
• Przebudowa linii polegała na wymianie przewodów gołych istniejącej linii na przewody w osłonie izolacyjnej. Aby nie dopuścić do nadmiernych zwisów, przewody zostały bardzo mocno naprężone, a projekt nie przewidywał zastosowania, koniecznych w takiej sytuacji, tłumików drgań.

Błędy wykonawcze:

• Monterzy przy zdejmowaniu nożem izolacji pod osprzęt (w tym pod zaciski) nacinali na przewodzie poprzeczny karb, który w przypadku drgań eolskich przewodu powodował istotne zmniejszenie wytrzymałości przewodu na zerwanie.

Po zerwaniu linii, poddano analizie zerwany fragment przewodu AALXs 70 mm²:

Pomierzona głębokość nacięcia poszczególnych żył przewodu - wynosiła od 0,2 do 0,67 mm, co stanowi 20% średnicy pojedynczego drutu żyły. W ENSTO przeprowadzono symulację komputerową spodziewanego czasu życia linii PAS (do awarii) w zależności od głębokości nacięcia pojedynczego drutu żyły przewodu w obecności drgań eolskich.

Jak widać, już nacięcie o głębokości ok. 0,3 mm, to jest 10 % średnicy drutu żyły, zmniejsza spodziewany czas życia linii (do awarii) do 2% (czyli awaria nastąpi po mniej niż 1 roku zamiast po 40 latach), a pomierzone nacięcie (20%) zmniejsza ten czas do 0,4%. Kolejne przypadki zerwania tej linii potwierdziły tę diagnozę.

Inne przypadki błędów montażowych skutkujących zerwaniem linii w trakcie eksploatacji, to przypadki nie dokręcenia zacisków przebijających izolację w układach ochrony przeciwłukowej (zacisk nie przebił całkowicie izolacji lub nie ma wystarczającego kontaktu z żyłą przewodu). Linia funkcjonować będzie poprawnie do pierwszych burz i wyładowań atmosferycznych. Podczas burz może dojść do zadziałania układów ochrony przeciwłukowej. Przepływ prądu zwarciowego przez niedokręcony zacisk powoduje upalenie przewodu w zacisku i w konsekwencji jego zerwanie .

Osobnym zagadnieniem są błędy projektowe i wykonawcze dotyczące doboru i instalowania układów ochrony przeciwłukowej. Ze względu na szerokość tematu zostanie to omówione w odrębnej publikacji.

Rozwiązania w budowie i osprzęcie linii PAS zwiększające ich niezawodność eksploatacyjną

W roku 2003 wprowadzona została nowa norma SEP: N SEP-E-003 dot. budowy linii izolowanych SN i nN. Na tej bazie opracowane zostały przez PTPiREE nowe albumy rozwiązań typowych linii PAS (opracowania Energolinii i Elprojektu) uwzględniające wymagania tej normy oraz zastosowanie najnowszego osprzętu ENSTO zwiększającego niezawodność eksploatacyjną linii PAS. Albumy te zastępują poprzednie wydania i rozwiązań stosowanych w starszych wydaniach nie należy stosować.

Najważniejsze zmiany poniżej:

• Wprowadzenie uchwytów odciągowych (SO 235 i 236) chwytających przewód przez izolację. Można dzięki temu wybudować całą linię PAS bez zdejmowania izolacji z przewodu (unikając zagrożeń opisanych powyżej)
• Wprowadzenie układów ochrony przeciwłukowej typu iskiernikowego (zamiast ochrony rożkowej) obowiązkowych dla izolacji wiszącej (odciągowej) i zalecanych dla izolacji stojącej.
• Nowe podejście do zagadnienia ochrony przeciwdrganiowej
• Wycofanie ze stosowania w budowie linii PAS przewodu typu AFL w osłonie izolacyjnej z uwagi na brak osprzętu do niego.
• Odejście od stosowania do budowy linii przewodu PAS 35 mm² ze względu na zbyt małą wytrzymałość mechaniczną przewodu (wynikło to z doświadczeń eksploatacyjnych).
• Nowy sposób wykonania obostrzeń 2 i 3˚ na izolacji stojącej (omówiony poniżej).

Wykonanie obostrzenia 2 i 3˚ z podwójnym stojącym izolatorem porcelanowym i mostkiem łączonym za pomocą uchwytów śrubowo-kabłąkowych  powodowało powstanie na trasie linii miejsca szczególnie narażonego na upalenie się przewodu PAS ze względu na wiele miejsc rozizolowanych i możliwość zapalenia się tam łuku podczas burz. Ponadto występowało, opisane powyżej, dodatkowe zagrożenie zerwania przewodu na skutek nacięć żyły przy zdejmowaniu izolacji. Rozwiązanie takie zamiast zwiększyć pewność zawieszenia przewodów, praktycznie ją zmniejszało.

Nowe albumy rozwiązań typowych linii PAS wydane po roku 2003 przewidują możliwość realizacji obostrzenia 2˚ na pojedynczym izolatorze kompozytowym lub na dwóch izolatorach porcelanowych usytuowanych szeregowo, a w przypadku obostrzenia 3˚ rozwiązanie z izolatorami usytuowanymi szeregowo. Eliminuje to całkowicie zagrożenia wymienione powyżej. 

Awarie linii PAS wynikające z zaniedbań eksploatacyjnych

Odporność przewodów linii PAS na zwarcia związane z upadkiem drzew, czy gałęzi, potwierdzona doświadczeniami eksploatacyjnymi, spowodowała pewne „uśpienie” służb eksploatacyjnych pod względem konieczności dokonywania przeglądów i wycinek wzdłuż linii PAS.

W ostatnich latach doszło w Polsce do kilku przypadków degradacji izolacji przewodu PAS a w następstwie do poważnych awarii, polegających na upaleniu i upadku przewodów linii. Przyczyny to:

• Długotrwały kontakt przewodu z gałęziami drzew, szczególnie drzew liściastych (brzoza).
• Długotrwały kontakt z leżącymi na przewodach gałęziami.

Przewody PAS są przewodami niepełnoizolowanymi. Izolacja przewodu jest całkowicie wystarczająca w przypadku krótkotrwałych zetknięć przewodów fazowych (nawet wielokrotnych) oraz zetknięć przewodów z gałęziami czy ptakami. Nie jest to jednak izolacja pełna - jak w kablach. Na jej powierzchni występują duże naprężenia elektryczne i w sprzyjających warunkach mogą się na niej pojawiać wyładowania niezupełne, a przy obniżonej rezystywności powierzchniowej izolacji wyładowania pełzne degradujące izolację. Problem ten został omówiony [L. 3] podczas sympozjum „Inżynieria Wysokich Napięć” (Poznań-Będlewo 26-28 maja 2004). Poniżej przedstawiono jedną z tez zawartą w prezentowanym materiale, a mającą odniesienie do omawianych przypadków:

„Linie eksploatowane na terenach leśnych są narażone na kontakt z gałęziami drzew, które mogą opaść pod ciężarem śniegu lub ulec złamaniu na skutek silnych wiatrów. Istnieje możliwość, że w przypadku wystąpienia niekorzystnych warunków atmosferycznych nastąpi rozwój wyładowań ślizgowych pomiędzy gałęzią dotykającą powierzchni przewodu a żyłą roboczą, co może doprowadzić do zmniejszenia rezystywności powierzchniowej do wartości mniejszej od 10¹² [Ωm/m]. W tej sytuacji właśnie rezystywność powierzchniowa będzie decydowała o wielkości sumarycznego prądu wyładowań ślizgowych i tym samym o intensywności oddziaływania czynnika degradującego.”

Zgodnie z prezentowaną tezą dotyk gałęzi mógł zapoczątkować wyładowania ślizgowe, powodując zmniejszenie rezystywności powierzchniowej, umożliwiając dalszy rozwój wyładowań pełznych (prawdopodobnie obydwa procesy działały równocześnie) powodując degradację izolacji, a w konsekwencji zapłon łuku do ziemi lub do sąsiedniej fazy poprzez gałęzie drzew. Palenie się łuku na przewodzie PAS z uwagi na brak możliwości przemieszczania się łuku po przewodzie (izolacja) zwykle prowadzi do upalenia i upadku przewodu.

Należy tu również zwrócić uwagę, że o szybkości procesu degradacji izolacji decyduje wartość rezystywności powierzchniowej izolacji, czyli jakość użytych w produkcji materiałów, a także technologia wytwarzania przewodu. Zastanawiający jest fakt, że większość tego typu awarii wydarzyła się na liniach stosunkowo niedawno zbudowanych, gdzie używano przewodów produkowanych po roku 2001. Sugeruje to, że być może nastąpiły zmiany w technologii produkcji lub używanych materiałach, mające wpływ na odporność izolacji stosowanych przewodów PAS na wyładowania pełzne.

W roku 2007 wprowadzono w Polsce metodą uznaniową (nie jest tłumaczona poza tytułem, na język polski) normę europejską CENELEC EN 50 397-1:2006 dot. przewodów PAS:

PN-EN 50 397-1:2007(U) Przewody elektroenergetyczne w osłonie do linii napowietrznych oraz osprzęt do nich na napięcie znamionowe przemienne wyższe od 1 kV i nie przekraczające 36 kV – Część 1: Przewody w osłonie. Zatwierdzona i opublikowana 29.01.2007

Norma ta znacznie zaostrzyła wymagania w stosunku do jakości izolacji przewodów SN w osłonie izolacyjnej oraz wprowadziła wymagającą procedurę pomiaru odporności izolacji na wyładowania pełzne. Należy sądzić, że przewody spełniające wymagania tej normy okażą się bardziej odporne na wyładowania ślizgowe i pełzne powodowane dotykiem gałęzi drzew.

Wnioski:

• Linie PAS w warunkach polskich wykazały znakomite właściwości eksploatacyjne, szczególnie w warunkach leśnych, podnosząc niezawodność zasilania, dzięki zmniejszeniu ryzyka zwarć doziemnych i międzyfazowych w przypadku kontaktu drzew lub gałęzi z linią.
• W świetle zaprezentowanego materiału dopuszczalny jest jedynie krótkotrwały kontakt przewodów PAS z gałęziami drzew.
• Linie PAS są liniami niepełnoizolowanymi i w zakresie wycinki gałęzi i drzew wzdłuż linii należy stosować postanowienia normy N SEP-E-003.
• Budowa linii PAS wg rozwiązań zawartych w nowych albumach typizacyjnych PTPiREE, z użyciem sprawdzonego od kilkudziesięciu lat osprzętu ENSTO, daje gwarancję wysokiej niezawodności eksploatacyjnej linii.

Autor: mgr inż. Marek Ozorowski, Product Manager Ensto Pol Sp. z o.o.

LITERATURA:

[1] Beszterda C, Linie izolowane doświadczenia eksploatacyjne. Materiały seminarium szkoleniowego Projektowanie, budowa i eksploatacja izolowanych linii napowietrznych, Okoniówek, 20-21 luty 2004.

[2] Rakowska A. i inni, Doświadczenia z wieloletniej eksploatacji linii napowietrznych z przewodami izolowanymi. Materiały II Konferencji N-T Elektroenergetyczne Linie Napowietrzne Niskiego i Średniego Napięcia, Kołobrzeg 5-6 czerwca 2003.

[3] Janiszewski S., Spadek rezystywności powierzchniowej a zjawisko śladów pełznych na powierzchni osłony przewodów napowietrznych wykonanych w technologii PAS. Materiały VII Sympozjum Inżynieria wysokich napięć – IW 2004, Poznań-Będlewo, 26-28 maja 2004.