ANALÝZA POUŽITÍ KABELOVÝCH ÚSEKŮ V TRASE VENKOVNÍHO VEDENÍ 400 KV

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV ELEKTROENERGETIKY

FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF ELECTRICAL POWER ENGINEERING

ANALÝZA POUŽITÍ KABELOVÝCH ÚSEKŮ V TRASE VENKOVNÍHO VEDENÍ 400 KV ANALYSIS OF USING CABLE SECTIONS IN THE ROUTE OF 400 KV OVERHEAD LINE

DOKTORSKÁ PRÁCE DOCTORAL THESIS

AUTOR PRÁCE

Ing. MARTIN BELATKA

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2013

doc. Ing. ANTONÍN MATOUŠEK, CSc.

Analýza použití kabelových úseků v trase venkovního vedení 400 kV

ABSTRAKT Tématem práce je použití kabelových úseků v trase venkovního vedení 400 kV přenosové soustavy ČR, navržení uspořádání kabelové trasy a návrh řešení křížení kabelového vedení s jinými sítěmi technické infrastruktury nebo přírodními překážkami. Práce ukazuje, co obnáší, v České republice dosud nerealizovaná, výstavba kabelového vedení 400 kV v trase venkovního vedení v praxi. V první, obecné části je věnována pozornost elektrickým vlastnostem jak kabelových vedení, tak kombinovaných venkovních vedení s vloženými kabelovými úseky, z čehož vyplynou omezení maximální realizovatelné délky kabelových úseků. Další kapitoly se zabývají rozborem magnetického pole kabelového vedení, jeho vlivu na okolí a možnostem jeho odstínění. Na základě těchto znalostí je provedena optimalizace navrhovaného uspořádání kabelové trasy tak, aby vyhověla hygienickým limitům. Na vytipovaných lokalitách ve skutečné trase venkovního vedení 400 kV je v další části názorně ukázáno, co by obnášela realizace výstavby kabelových úseků vložených do trasy venkovního vedení 400 kV. Součástí návrhu je i odborný odhad časové a finanční náročnosti výstavby. KLÍČOVÁ SLOVA:

kabel, venkovní vedení, přenosová soustava

1


ABSTRACT The thesis deals with the use of cable sections in the overhead transmission route of the 400 kV transmission system in the Czech Republic, with the design of the arrangement of the cable route and with the solution of the crossover of the cable line with other networks of the technical infrastructure or natural obstacles. The thesis shows what the construction of a 400 kV cable line in the overhead transmission route - which has not been implemented in the Czech Republic as of yet - entails in practice. The first, general part deals with the electrical properties of both the cable lines and the combined overhead transmission lines with intermediate cable sections, and this sets out limitations on the maximum possible length of the cable sections. The following chapters provide an analysis of the magnetic field of the cable line, its impact on the surrounding environment and the possibilities of its shielding. On the basis of this knowledge optimization of the designed cable route arrangement is carried out in order to make the route comply with hygiene limits. The next part uses selected locations on a real route of overhead 400 kV transmission line to show what the construction of cable sections inserted into the route of overhead 400 kV line would involve. The design includes a professional estimate of the time and financial demands of the construction. KEYWORDS:

cable, overhead line, transmission system

2


Bibliografická citace práce: BELATKA, M. Analýza použití kabelových úseků v trase venkovního vedení 400 kV. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2013. 156 s. Vedoucí dizertační práce doc. Ing. Antonín Matoušek, CSc.

Prohlašuji, že jsem svou dizertační práci vypracoval samostatně a použil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v přiloženém seznamu. ….……………….. 3


Poděkování Dovoluji si na tomto místě vyjádřit poděkování svému školiteli doc. Ing. Antonínu Matouškovi, CSc. Za příkladné vedení během studia, podnětné rady a připomínky vznesené v průběhu celé práce. Dále bych chtěl poděkovat svým blízkým za trpělivost a podporu při mém studiu. V Brně, 3. září 2013. Martin Belatka 4


Obsah 1. Úvod ..................................................................................................................................... 12 1.1

Cíle disertace .............................................................................................................. 13

1.2

Přehled dosavadního vývoje ....................................................................................... 14

2. Elektrické vlastnosti vedení 400 kV ..................................................................................... 15 2.1

Úvod ............................................................................................................................ 15

2.2

Parametry venkovního vedení 400 kV ........................................................................ 15

2.3

Parametry kabelového vedení 400 kV ........................................................................ 16

2.4

Matematický popis vedení ........................................................................................... 16

2.5

Kapitola utajena ........................................................................................................... 18

2.5.1

Kapitola utajena ....................................................................................................... 18

2.5.2


2.5.3


2.6

Kombinované kabelové a venkovní vedení................................................................. 21

2.7


2.7.1


2.7.2


2.7.3


2.8


2.8.1


2.8.2


2.8.3


3. Ochrana vložených kabelových úseků proti přepětí ............................................................ 32 3.1

Dočasná přepětí na vedení 400 kV s kabelovými úseky ............................................ 32

3.1.1

Vliv délky vedení a délky kabelového úseku na dočasná přepětí při zkratech ....... 32

3.1.2

Vliv kompenzace na dočasné přepětí při zkratu ..................................................... 34

3.2


3.2.1


3.2.2


4. Magnetické pole v okolí kabelů a dodržení hygienických limitů .......................................... 46 4.1

Aplikace hygienických limitů na vložené kabelové úseky ........................................... 46

4.2 Měření magnetického pole nad kabelem v rozvodně Hradec u Kadaně - porovnání s výpočtem ................................................................................................................................. 48 4.3

Možnosti snížení hodnot magnetického pole nad kabelovou trasou .......................... 49

4.4 Velikost magnetického pole na povrchu země v závislosti na uspořádání a hloubce kabelů ..................................................................................................................................... 50 4.4.1

Hloubka uložení kabelů ........................................................................................... 50

4.4.2

Geometrie uložení kabelu ....................................................................................... 51

4.5

Materiálová opatření pro snížení magnetického pole nad kabely ............................... 52

4.5.1

Stínící vodivé smyčky .............................................................................................. 52

5

Analýza použití kabelových úseků v trase venkovního vedení 400 kV 4.5.2

Výpočty magnetických polí pro konfigurace se stínící vodivou smyčkou ............... 52

4.5.3

Stínění feromagnetickými deskami ......................................................................... 54

4.5.4

Stínění vodivými deskami........................................................................................ 57

4.5.5

Použitelnost vodivého stínění pro variantu jedné sady kabelů ............................... 60

5. Vliv na jiná kabelová vedení ................................................................................................ 61 5.1

Sdělovací vedení v souběhu s kabelovým vedením 400 kV - indukovaná napětí ...... 64

5.1.1

Indukovaná napětí z hlediska bezpečných napětí .................................................. 64

5.1.2

Indukovaná napětí z hlediska funkce zařízení ........................................................ 65

5.1.3

Obecně o indukovaných proudech a napětích ........................................................ 65

5.1.4

Redukční činitel ....................................................................................................... 66

6. Parametry a faktory ovlivňující proudové využití kabelu ...................................................... 68 6.1

Způsob návrhu kabelu ................................................................................................. 68

7. Celkové uspořádání kabelového úseku - dělení na sekce .................................................. 72 7.1

Kritéria pro volbu délky sekcí kabelu........................................................................... 72

7.2

Způsoby propojování plášťů kabelů, jejich uzemňování a ochrana svodiči přepětí.... 72

7.3

Způsob chránění vedení s vloženými kabely při OZ ................................................... 74

7.4

Zatížitelnost vedení s vloženým kabelem ................................................................... 75

7.5 Objekty pro transfiguraci kabelů mezi sekcemi (transpozice, vykřížení, uzemnění a ochrana)................................................................................................................................... 76 7.6

Návrh celkového uspořádání vloženého kabelového úseku ....................................... 77

8. Provozní podmínky vedení s vloženým kabelem................................................................. 79 8.1

Profylaktika kabelů ...................................................................................................... 79

8.2

Podmínky pro zatěžování vedení s vloženým kabelem .............................................. 79

8.3

Monitorování vloženého kabelu během provozu ........................................................ 80

9. Zkratové poměry na kabelovém vedení a ochrana kombinovaných vedení ....................... 81 9.1


9.2

Chránění vedení s kabely 400 kV ............................................................................... 84

9.2.1

Varianta I. – kombinované vedení chráněno jako celek ......................................... 84

9.2.2

Varianta II. – samostatné chránění kabelu.............................................................. 86

9.2.3

Ochrany ................................................................................................................... 87

10.

Výpočet magnetických polí nad dvojitým kabelovým vedením ....................................... 89

10.1

Použité zapojení kabelů .............................................................................................. 89

10.2

Sledy fází ..................................................................................................................... 89

11.

Kapitola utajena............................................................................................................... 91

11.1


11.2


11.2.1

Kapitola utajena ................................................................................................... 96

11.2.2


11.2.3


11.3

Kapitola utajena ......................................................................................................... 100

11.4


6

Analýza použití kabelových úseků v trase venkovního vedení 400 kV 11.4.2

Kapitola utajena ................................................................................................. 105

11.4.3


11.5


11.5.1


11.5.2


11.5.3


11.5.4


11.5.5


11.5.6


11.5.7


11.5.8


11.5.9


11.5.10


11.5.11


11.6


11.7


11.8


11.9


12. 12.1

Závěr ............................................................................................................................. 146 Cíle disertace a jejich naplnění ................................................................................. 147

Literatura ................................................................................................................................... 153 Přílohy ....................................................................................................................................... 156 A

Obsah utajen

B

Obsah utajen

C

Obsah utajen

D

Obsah utajen

E

Obsah utajen

7


Seznam symbolů magnetická indukce vektor magnetické indukce Ck

kapacita na jednotku délky

cos φ

účiník

Dc

šířka pásma

d

osová vzdálenost fázových vodičů

dpp

minimální vzdálenost mezi fázemi konduktance na jednotku délky

H

výška

hz

vzdálenost

In

jmenovitý proud

Ip

přirozený proud

Ipl

proud pláštěm kabelu proud zemí

Izl

proud kompenzačním vodičem jednofázový zkratový proud

proudová hustota

K

součinitel závislý na uspořádání fázových vodičů

Kz

činitele přepětí zdravých fází při zkratu na vedení celkový koeficient

horní index „k“ pro kabelové vedení L

délka

Lk

indukčnost na jednotku délky

l

délka vedení elektrická délka kabelu ´ ∗

vzájemná indukčnost vzájemná indukčnost vzájemná indukčnost vzájemná indukčnost vzájemná indukčnost

n

počet paralelních kabelů

Pp

přirozený výkon

8


Q

jalový výkon

QkC

jalový kapacitní výkon spotřebovaný v jednotce délky vedení

QkL

jalový induktivní výkon spotřebovaný v jednotce délky vedení

R

poloměr pravidelného n-úhelníka

Rk

rezistence na jednotku délky

Rzk

uzemnění pláště kabelu

Rzst

odpor uzemnění stožárů

r

vnější poloměr kabelu redukční činitel redukční činitel

rf

poloměr redukční činitel

rz

poloměr

Sdpih

izolační hladina chráněného zařízení

Sdptk

tepelná kapacita omezovačů přepětí průřez zemnícího pásku

Ur

jmenovité napětí omezovačů indukované napětí

horní index „v“ pro venkovní vedení Xk

induktivní reaktance na jednotku délky

Yk

admitance na jednotku délky

Zk

impedance na jednotku délky

Zv

vlnová impedance , ,

napětí a proud na počátku k-tého úseku ,

provozní parametry k-tého úseku vedení

T, π, Γ

náhradní model vedení

a

vnitřní poloměr plechu

γ

činitel šíření

Δ

tloušťka plechu

Φ

magnetický indukční tok

µ

permeabilita materiálu

µ0

permeabilita vakua rezistivita zemnícího pásku

ω

úhlová rychlost 9


Seznam zkratek AC

střídavý proud

ATP-EMTP

software pro simulace

BP

bezpečnostní pásmo

EGM EIA

elektromagnetický model Environmental Impact Assessment

ELMA

software pro simulace

CIGRE

Conseil international des grands réseaux électriques

CNS

centrální nervová soustava

ČEPS

provozovatel české energetické přenosové soustavy

ČSN

česká technická norma

DC

stejnosměrný proud

DPP

domek pomocných provozů

DN

Diamètre Nominal – jmenovitý vnitřní průměr potrubí

DTS

Distributed Temperature Sensing

GPS

Global Positioning System

HDPE

High density polyethylene

IEC

International Electrotechnical Commission

IRIG-B

Inter-range instrumentation group time codes

NET4GAS

provozovatel přepravní plynárenské soustavy v ČR

nn

nízké napětí

OP

Ochranné pásmo

OZ

Opětovné zapnutí

PIH

překročení izolační hladiny

PNE

podniková norma energetiky

PS

přenosová soustava

PTN

poměrový transformátor napětí

PTP

poměrový transformátor proudu

ŘS

řídicí systém

SDC

správa sdělovací a zabezpečovací techniky SŽDC

SVL

Surge Voltage Limiters

TR

transformovna

vn

vysoké napětí

VS

vlastní spotřeba

10


vvn

velmi vysoké napětí

VVTL

velmi vysoký tlak

ZL

zemnící lano

ZP

zpětný přeskok

zvn

zvlášť vysoké napětí

11


1. Úvod Rostoucí životní standard obyvatel s sebou přináší stoupající spotřebu elektrické energie a tím i vyšší nároky na energetická zařízení přenosové soustavy ČR. Nemalou měrou se na nutnosti modernizace, posilování a potřebě výstavby nových vedení přenosové soustavy podílí i stále rostoucí objem obnovitelných zdrojů, a to jak v České republice, tak i v sousedních zemích, zejména pak v Německu. Dalším důvodem pro rozvoj přenosové sítě je plánovaná dostavba dvou bloků v Jaderné elektrárně Temelín. Přenosová soustava musí být připravena bezpečně a spolehlivě vyvést výkon z tohoto největšího tuzemského zdroje. Výstavba sítí technické infrastruktury nevzbuzuje ve většině případů kladné ohlasy obyvatel a místních samospráv, zejména těch, kterých se bezprostředně týká. Provozovatel přenosové soustavy ČEPS je stále častěji konfrontován s požadavkem nejen samospráv, ale zejména občanských iniciativ a hnutí na výstavbu nových nebo rekonstruovaných úseků vedení 400 kV formou kabelového vedení namísto venkovního vedení. Jako nejčastější argumenty jsou uváděny - narušení přirozeného krajinného rázu, zábor půdy a obava z vlivu elektromagnetického pole na zdraví člověka. Je však otázkou, která forma vedení, zda vedení kabelové nebo venkovní, je větším zásahem do životního prostředí a více ovlivní krajinu a to jak při výstavbě tak i následně svým provozem. V návaznosti na tuto práci vzniká v současné době 3D vizualizace postupu výstavby kabelového vedení 400 kV v reálné krajině, která si klade za cíl názorně prezentovat laické veřejnosti rozsah stavebních prací a technologickou náročnost výstavby. V České republice nejsou doposud zkušenosti s výstavbou ani provozem kabelového vedení 400 kV. Výjimku tvoří krátké úseky v uzavřených areálech energetiky, např. rozvodna Hradec u Kadaně. Tato situace dala vzniknout požadavku na vypracování materiálu, který by poskytl ucelený náhled do problematiky kabelových vedení 400 kV a ilustroval by praktický dopad potenciální výstavby a provozu vedení 400 kV formou kabelového vedení na krajinu. Zpracování této problematiky neulehčil fakt, že v ČR není v platnosti žádná norma, která by řešila problematiku kabelových vedení 400 kV. Rovněž ČSN i PNE normy, řešící problematiku jiných inženýrských sítí, neznají pojem kabelové vedení 400 kV. Ve většině případů je nejvyšší napěťovou hladinou kabelového vedení, vůči které definují vztahy příslušné sítě, hladina 110 kV. Výstupy této práce mají sloužit jako podklad pro zahájení diskuze o rozšíření PNE i o kabely 400 kV. Zabývání se touto problematikou bylo rovněž impulsem k zahájení dialogu o definování požadavků na vzájemné křížení mezi provozovatelem přenosové soustavy ČEPS a provozovatelem přepravní soustavy tranzitních plynovodů NET4GAS.

12


1.1 Cíle disertace 1) Rozbor problematiky a analýza elektrických a magnetických vlastností venkovních vedení 400 kV s vloženými kabelovými úseky. S použitím kabelu v trase vedení 400 kV scházejí české přenosové soustavě významnější zkušenosti. Cílem práce je popsat problematiku kabelových vedení 400 kV. Provozovatel přenosové soustavy nepředpokládá ani do budoucna realizaci čistě kabelového vedení 400 kV, reálněji se ale jeví možnost vložení jednoho nebo více kabelových úseků do trasy venkovního vedení 400 kV. Případné převedení této myšlenky do praktické realizace přináší mnoho otázek. Nutným předpokladem pro návrh konfigurace kabelového vedení 400 kV je znalost elektrických vlastností kabelového vedení 400 kV. Práce si klade za cíl stanovit, s jakou délkou kabelových úseků je možné pro praktické realizace počítat. Dále je třeba zjistit, do jaké míry ovlivní délku úseků kabelového vedení použití kompenzace nebo paralelních kabelů. Cílem práce je také popsat možné varianty propojení plášťů kabelů, zabývat se například problematikou opětovného zapnutí (OZ) na kombinovaných vedeních, jak by měla být vybavena přechodová stanice z venkovního vedení do kabelového. 2) Návrh uspořádání kabelové trasy 400 kV z hlediska vlivu magnetického pole na okolí. Vedle elektrických vlastností je nutné při návrhu uspořádání kabelového vedení zohlednit vlastnosti magnetického pole v okolí kabelů zatížených proudem. Práce si klade za cíl optimalizovat jak vzájemné vzdálenosti jednotlivých kabelů od sebe, tak i kabelových sad mezi sebou včetně hloubky uložení kabelů tak, aby výsledná trasa dvojitého kabelového vedení s paralelními kabely vyhovovala hygienickým limitům definovaným Nařízením vlády č. 1/2008 Sb., ze dne 12. prosince 2007, o ochraně zdraví před neionizujícím zářením ve znění Nařízení vlády č. 106/2010 Sb., kterým bylo zrušeno Nařízení vlády č. 480/2000 Sb. Dále je nutné optimalizovat uspořádání kabelů, aby vyhovělo hygienickým limitům, při všech kříženích s inženýrskými sítěmi a terénními překážkami tam, kde bude nutné vzhledem k technologii výstavby změnit konfiguraci kabelové trasy, a v případech, kde je to opodstatněné, navrhnout opatření na snížení velikosti magnetického pole (stínění). Dalším cílem práce je věnovat se problematice vlivu kabelových vedení 400 kV na jiná vedení v jejich blízkosti. 3) Řešení křížení kabelové trasy 400 kV s jinými sítěmi technické infrastruktury a přírodními překážkami při prostupu krajinou. Stěžejním cílem práce je syntéza získaných poznatků a jejich přímá aplikace na řešení kabelové trasy dvojitého vedení 400 kV v reálných podmínkách. V trase projektovaného dvojitého venkovního vedení 400 kV budou vytipovány lokality, na kterých bude názorně ukázáno, jaké důsledky by s sebou přinesla potenciální výstavba

13


vedení v kabelovém provedení. Cílem práce je ukázat na konkrétních příkladech, co by obnášela výstavba kabelového vedení 400 kV ve volné krajině v prosté kopané trase a dále, jak lze řešit křížení se silnicí I. třídy, železnicí, dálnicí, vodní nádrží. Bude také navrženo uspořádání přechodové stanice mezi venkovním vedením a kabelovým úsekem. Každá z potenciálních ukázek bude obsahovat popis technologické proveditelnosti a odborný odhad časové a finanční náročnosti na svou realizaci.

1.2 Přehled dosavadního vývoje Jak již bylo zmíněno v úvodu, v České republice scházejí významnější zkušenosti s výstavbou a provozem kabelového vedení 400 kV. Doposud byly realizovány pouze ojedinělé instalace v uzavřených energetických areálech, jako např. v TR Hradec, kde nejsou na kabelové vedení kladeny takové nároky jako při použití ve volné krajině. Jedná se zejména o dodržení hygienických limitů ve smyslu Nařízení vlády č. 1/2008 Sb., ze dne 12. prosince 2007, neboť v uzavřených areálech mohou být pracovníci vystaveni vyšším hodnotám modifikované proudové hustoty než běžní občané. Druhou odlišností kabelové trasy ve volné krajině je praktická nekontrolovatelnost pohybu těžkých nákladních dopravních prostředků, zejména pak zemědělské a lesní techniky, a z toho vyplývající nutnost odlišného stavebního řešení ochrany kabelů proti poškození těmito mechanizmy. Výjimečnost výstavby kabelových vedení 400 kV je podtržena faktem, že pro kabelová vedení této napěťové hladiny dosud v ČR neexistují normy a standardy pro uložení kabelů a stavební provedení tras. Proto je nutné konkrétní řešení provést podle požadavků výrobce kabelu, aby mohl převzít záruku za deklarované přenosové schopnosti kabelu. Vlastní výroba kabelu je kusová a technické řešení je vždy přizpůsobeno požadavkům na konkrétní kabelové vedení. Informace je tedy nutné hledat v zahraničních realizacích. Avšak ani mimo Českou republiku není tato forma provedení vedení 400 kV obvyklá a jedná se spíše o ojedinělé instalace. Výhody kabelového vedení 400 kV se uplatňují tam, kde je výstavba venkovního vedení prakticky technicky nerealizovatelná, např. spojení stanic v hustě zastavěných oblastech velkých aglomerací, překonání mořské úžiny, přechod přes mezinárodní letiště apod. Často se jedná o úseky v délkách stovek metrů, výjimečně pak jednotek kilometrů. Kabelové vedení je velmi často instalováno do již existujících podzemních kolektorů, které jsou osazeny i ostatními kabelovými vedeními nižších napěťových hladin. Rozdílná je i požadovaná proudová zatížitelnost kabelového vedení. Provozovatel přenosové soustavy ČEPS požaduje, aby potenciální kabelové vedení mělo shodnou přenosovou schopnost jako klasické venkovní vedení 400 kV. Od požadované přenosové schopnosti se odvíjí nejen dimenze použitého kabelu, ale i konfigurace trasy, hloubka uložení a v neposlední řadě i výsledné finanční náklady na výstavbu. 14


2. Elektrické vlastnosti vedení 400 kV 2.1 Úvod V současné době je stále větší pozornost věnována ochraně životního prostředí, zachování přírody a rázu krajiny v co možná nejméně dotčeném stavu. Jedním z prvků, které krajinu, ne-li narušují, tak jistě mění, jsou liniové stavby: dálnice, železnice, produktovody, elektrická vedení. Provozovatelem přenosové soustavy České republiky je ČEPS a. s., do jehož kompetence a majetku patří správa elektrických vedení napěťových hladin zejména 220 a 400 kV. V souvislosti s nárůstem spotřeby elektrické energie, se stavbou nových zdrojů a v neposlední řadě také s liberalizací trhu s elektrickou energií a začleněním ČR do EU vyvstala nutnost posilovat přenosové schopnosti PS. Jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, je i stavba nových vedení. Díky rozvoji moderních technologií a materiálového inženýrství je dnes možné vyrobit kabel pro napěťovou úroveň 400 kV a vyšší. Naskýtá se tak možnost „skrýt“ viditelné venkovní vedení pod zem, kde nebude „na očích“. Realizace takových kabelových vedení však stále ještě není běžná a v České republice chybějí významnější provozní zkušenosti, zejména s vedením provozovaným v AC soustavě. Chybí také dostatek zkušeností se stavbou delších kabelových vedení (spojkování, ochranné pásmo a jeho udržování, přejezdy mechanismů), s možnými vlivy kabelu na okolí (vysoušení půdy) i s provozními vlastnostmi takového vedení. Následující kapitoly jsou zaměřeny na posouzení provozních elektrických vlastností kabelového vedení 400 kV na základě srovnání s venkovním vedením, které je schopno přenést stejný jmenovitý proud. Velikost jmenovitého přenášeného proudu je tedy v této kapitole společným činitelem obou vedení.

2.2 Parametry venkovního vedení 400 kV Následující tabulka dává přehled o parametrech vedení 400 kV, která jsou provozována v PS České republiky: Tab. 2.1 Parametry vedení 400 kV provozovaných v PS ČR AlFe 3x450/6 - Portál AlFe 3x450/6 - Delta AlFe 3x450/6 - Kočka AlFe 3x450 - obvyklá hodnota pro vedení PS ČR Modelové vedení

Rk

Xk

Bk

Lk

Ck

Zk

Ω/km 0,0217 0,0217 0,0217

Ω/km 0,3074 0,2989 0,2870

μS/km 3,7110 3,6870 4,0290

mH/km 0,9785 0,9514 0,9135

μF/km 0,0118 0,0117 0,0128

Ω 287,81 284,73 266,90

0,0220

0,2964

3,9537

0,9435

0,0126

273,80

0,0220

0,2870

4,0290

0,9135

0,0128

266,90

První, druhý a třetí řádek tabulky vychází z tabulkových hodnot parametrů vedení. Ve čtvrtém řádku jsou uvedeny průměrné hodnoty skutečně provozovaných vedení.

15


Pátý řádek, nazvaný „modelové vedení“, obsahuje parametry, které budou použity v dalších úvahách při srovnání s kabelovým vedením. Volba parametrů modelového vedení byla provedena na základě: 1. Proudové zatížitelnosti Lana AlFe 450/6 je možné zatížit na 775, resp. 852 A (v závislosti na zvoleném součiniteli sálání). Při trojsvazku je tak teoretická jmenovitá zatížitelnost 2325, resp. 2556 A. To vedlo k volbě parametrů modelového vedení realizovaného s lany AlFe 450/6, která beze zbytku vyhoví požadované proudové zatížitelnosti. 2. Posouzení jednotlivých parametrů vedení Hodnoty Ck a Lk závisí na geometrii konkrétního vedení. Proto byly upřednostněny tabulkové hodnoty, které rozlišují mezi jednotlivými typy stožárů. Hodnoty skutečně provozovaných vedení sice vycházejí ze změřených údajů, ale jsou zprůměrovány bez ohledu na typ stožárů, čímž potlačují vliv geometrie vedení. Ze tří uvažovaných druhů stožárů byl vybrán typ Kočka, z důvodů největší kapacity na jednotku délky. Naopak hodnota Rk, která převážně závisí jen na materiálu a průřezu vodiče, byla odvozena z parametrů skutečných vedení.

2.3 Parametry kabelového vedení 400 kV V níže uvedené tabulce jsou pro příklad uvedeny parametry kabelů ABB, SAGEM a PRYSMIAN (dříve PIRELLI), které byly poskytnuty výrobci. Tab. 2.2 Parametry kabelů 400 kV

2XS(FI)2Y 1x2500-ABB XLPE 1x2000 - SAGEM RE4 H5E 1x2000 PRYSMIAN

RkD.C. 20ºC Ω/km 0,0072 0,0090

RkD.C. 90ºC Ω/km 0,0092 -

RkA.C. 90ºC Ω/km 0,0126 0,0127

Xk

Bk

Lk

Ck

Zv

Ω/km 0,0880 0,2809

μS/km 70,3717 72,2566

mH/km 0,2800 0,8940

μF/km 0,2240 0,2300

Ω 35,36 62,35

0,0090

0,0115

0,0130

0,1253

64,0885

0,3990

0,2040

44,23

Z hlediska provozních parametrů vykazují srovnatelnou kapacitu na jednotku délky. Větší rozdíly jsou v jednotkových indukčnostech, zejména u kabelu SAGEM. Pro posouzení jsou rozhodující mezní provozní stavy, v tomto případě nejméně příznivé. Ty nastávají u kabelu s menší indukčností a větší kapacitou (menší jednotková indukčnost méně kompenzuje nepříznivý vliv velké kapacity kabelu). Lze tedy říci, že mírou nejméně příznivých poměrů je velikost vlnové impedance Zv. Nejmenší vlnovou impedanci vykazuje kabel ABB, proto budou parametry tohoto kabelu použity ve výpočtech v dalších kapitolách.

2.4 Matematický popis vedení Předmětem této části je popis matematického modelu vedení pro navazující výpočty ustálených provozních stavů.

16


První z možností, jak modelovat vedení zvn, je jeho náhrada obvodem se soustředěnými parametry - T, π nebo Γ článkem. Tento postup byl používán zejména při manuálním výpočtu. Pro účely této práce byl však použit přesný popis vedení komplexními rovnicemi vycházejícími z řešení diferenciálních rovnic obvodu s rozprostřenými parametry, který je napájen ze zdroje harmonického napětí (proudu). Rovnice jsou upraveny tak, že vstupními údaji jsou poměry na konci vedení (index 2) a výstupem jsou poměry na jeho začátku (index 1). ∙ cosh γ ∙ l

√3 ∙

√3 ∙

∙

∙

∙

∙ sinh γ ∙ l

∙

∙

(2.1)

(2.2)

kde vlnová impedance v komplexním tvaru γ

činitel šíření

l

délka vedení

(2.3)

(2.4)

∙

(2.5)

(2.6) kde

,

,

a

jsou provozní parametry.

Poznámka: Hodnota konduktance (svodu) je velice malá a běžně se zanedbává. Tak je tomu i ve všech dále uváděných výpočtech.

17


2.5 Kapitola utajena

Obsah utajen

. 2.5.1

Kapitola utajena

Obsah utajen

2.5.2

Kapitola utajena

Obsah utajen

18


Obsah utajen

2.5.2.1 Kapitola utajena

Obsah utajen

19


Obsah utajen


Obsah utajen

20


Obsah utajen

2.5.3

Kapitola utajena

Tab. 2.3 Obsah utajen

Obsah utajen

2.6 Kombinované kabelové a venkovní vedení Předchozí část se zabývala vedením, které by bylo provedeno v celé délce mezi dvěma rozvodnami pouze kabelem. Ve skutečnosti je však předpokládána situace, ve které bude vedení ve většině trasy realizováno jako venkovní, a jen určité úseky budou kabelovány. Naskýtá se tedy otázka, jestli kombinace kabelových úseků a úseků venkovního vedení bude výhodnější než čistě kabelové vedení nebo dokonce než čistě venkovní vedení. Samozřejmě nahlíženo z pohledu ustáleného stavu vedení. Venkovní vedení se naprázdno chová, stejně jako vedení kabelové, jako kapacitní zátěž. Čím více je však zatíženo, tím více převládá induktivní charakter; na rozdíl od vedení kabelového, kde díky značné kapacitě induktivní charakter nastává až při 21


zatížení proudem, který je mnohem vyšší než proud jmenovitý. Hranice, při které se kapacitní charakter mění na induktivní, je dána přirozeným výkonem vedení, lze k ní však dojít rovněž bilancí jalových výkonů na jednotce délky vedení. Označme: QkL jalový induktivní výkon spotřebovaný v jednotce délky vedení QkC jalový kapacitní výkon spotřebovaný v jednotce délky vedení Pro výpočet těchto výkonů platí: 3∙

∙

3∙

∙

∙

(2.7)

∙

(2.8)

Hranice, kdy vedení vykompenzuje samo sebe, zřejmě nastane při: 0

(2.9)

kdy vedení bude zatěžováno přirozeným proudem (výkonem) Ip (Pp). Pokud přenášený proud (výkon) bude pod touto hranicí, ke kompenzaci vůbec nedojde a i venkovní vedení se bude chovat jako spotřebič jalového kapacitního výkonu. Kabelové vedení nebude schopno, ani při zatížení jmenovitým proudem, vykompenzovat samo sebe. Naopak venkovní má dostatečnou indukčnost, aby rozdílem přirozeného proudu a proudu jmenovitého mohlo vykompenzovat i „určitou část“ kabelového vedení. Předmětem dalších úvah bude nalezení poměru délek kabelu a venkovního vedení, při kterém dojde k vzájemnému vykompenzování jalových výkonů na nulovou hodnotu. V dalším je použit horní index k pro kabelové vedení a v pro venkovní vedení. Odvození vztahu pro poměr délek vychází z rovnice: ∙

∙

3∙ 3∙

∙

∙ ∙

∙

∙ ∙

0

(2.10)

(2.11)

Výsledný vztah pro poměr délek vykazuje kvadratickou závislost na velikosti přenášeného proudu. Tato skutečnost značně omezí praktické využití jevu, že část venkovního vedení vykompenzuje část vedení kabelového (viz dále). Závislost je prezentována ve formě tabulky i graficky.

22

A Analýza použití kabelovýých úseků v trase t venkov vního vedení 400 kV

Taab. 2.4 Záávislost po oměru déleek venkovního a kab belového veedení na velikosti přřenášeného proudu I/In (-) ( I (A A) lv / lk (-) Poměrná dé élka kabelu v celé trase vedení v (%)

0,45 900 204,65

0,5 1000 5 50,54

0,6 12 200 18,24

0,75 1500 0 8,24

0,8 1600 6,78

0,9 1800 4,85

1 2000 3,64

0,49

1,94

5,20

10,82 2

12,85

17,09

21,55

Obr. 1 Závislostt poměru déélek venkovn ního a kabellového vedeení na veliko osti přennášeného prroudu [11] V čem spoočívá nevýh hodnost závvislosti na přenášeném p proudu? Přřizpůsobímee-li např. pooměr úsekůů kabelovéh ho a venkovvního veden ní přenášen nému prouddu 1600 A (0,8×In), buude u kombbinovaného vedení přii I<1600 A převládat jeho kapaccita a při I> >1600 A jeeho indukčnnost. Podle provozovattele přenosové soustav vy převládáá během ro oku nižší zaatížení vedeení odpovíd dající cca 300 - 35 % jm menovitého zatížení (přři In = 2000 0 A je to 6000 - 700 A)). Při těchto o proudech,, menších, než n které od dpovídají hhodnotě přirrozeného výýkonu, všakk nekompen nzuje venkovvní vedení ještě j ani sam mo sebe. V každém m případě lze tímto zppůsobem allespoň částtečně komppenzovat vliv velké kaapacity kabbelového veedení a v kkombinaci s kompenzzačními tlum mivkami jee možné prrodloužit jaak maximáln ní celkovouu délku vložžených kabelových úseeků, tak i celkovou c déélku kombinnovaného vedení. Vzájemnýý poměr kab belových a venkovních h úseků je podřízen p koonkrétnímu případu náávrhu novéého vedeníí, nelze hoo volit po odle výhodn nosti vzájeemné komp penzace. K Kombinace úseků, ú jak již j bylo ře čeno, můžee v určitých h případechh zlepšit přřenosové pooměry oprooti čistě kabelovému veedení, ale vzhledem k silné závisllosti na přen nášeném prroudu je i zdde nutné po očítat s využžitím kompeenzačních prostředků. p H Hlavní výho odou tak zůůstává možžnost přen nosu elektrrické energie na deelší vzdáleenosti, srovnatelné s vvenkovním vedením, než na jaaké by vý ýkon mohl být přene sen vedeníím čistě kaabelovým.

23



Obsah utajen

2.7.1

Kapitola utajena

Obsah utajen

Obsah utajen

Obsah utajen

24

(2.12)


Obsah utajen

Obsah utajen

(2.13)

Obsah utajen

(2.14)

Obsah utajen

(2.15)

Obsah utajen

2.7.2

Kapitola utajena

Obsah utajen

25


Obsah utajen


Obsah utajen

2.7.3

Kapitola utajena

Obsah utajen Tab. 2.6 Obsah utajen

26


Obsah utajen

Obr. 2 Obsah utajen

Obsah utajen


Obsah utajen

2.8.1

Kapitola utajena

Obsah utajen

Obsah utajen

27

(2.16)


Obsah utajen

(2.17)

Obsah utajen

(2.18)

Obsah utajen

(2.19)

Obsah utajen

(2.20)

Obsah utajen

(2.21)

Obsah utajen

(2.22)

Obsah utajen

(2.23)

Obsah utajen

Obsah utajen

2.8.2

Kapitola utajena

Obsah utajen

28


(2.24)

Obsah utajen

Obsah utajen

Obr. 3 Obsah utajen

Obr. 4 Obsah utajen

Obsah utajen

Obr. 5 Obsah utajen

Obr. 6 Obsah utajen

Obsah utajen

29


Obr. 7 Obsah utajen

Obr. 8 Obsah utajen

Obsah utajen

2.8.3

Kapitola utajena

Obsah utajen

(2.25)

Obsah utajen

(2.26)

Obsah utajen

Obsah utajen

30


Obr. 9 Obsah utajen

Obr. 10 Obsah utajen

Obsah utajen

31


3. Ochrana vložených kabelových úseků proti přepětí 3.1 Dočasná přepětí na vedení 400 kV s kabelovými úseky Určení velikosti dočasných přepětí na vedení je důležité vzhledem k tomu, že tato přepětí mohou tepelně namáhat omezovače přepětí, na přechodech venkovního vedení do kabelu, které chrání hlavní izolaci kabelu, popř. omezovače na koncích vedení. Nejčastějšími případy, kterým bude věnována pozornost, jsou dočasná přepětí 50 Hz. Ta vznikají na zdravých fázích vedení při jednofázových a dvoufázových zkratech. Ostatní případy dočasných přepětí např. při odlehčení vedení mají za normálních provozních podmínek menší velikost, a proto nejsou tato přepětí pro omezovače tak nebezpečná. Další kategorií jsou dočasná rezonanční přepětí vznikající při zvláštních stavech sítě, jako je např. blackstart ostrova z malé elektrárny. Tato přepětí mohou dosahovat pro omezovače velmi nebezpečných úrovní, a proto je nutné nepřipustit vůbec jejich vznik. Toho se dosahuje vhodným výběrem scénářů pro starty ze tmy bez výskytu rezonančních stavů. 3.1.1

Vliv délky vedení a délky kabelového úseku na dočasná přepětí při zkratech

Pro extrémní podmínky 1f zkratu na konci odpojeného vedení před rozvodnou se kontroluje velikost dočasného přepětí na tomto konci vedení (zde je maximum přepětí) hodnotami v tabulce 3.1. Tab. 3.1 Činitele přepětí zdravých fází Kz při zkratu na vedení v závislosti na délce vedení Délka vedení 50 90 140 210 284

Činitel Kz 1,22 1,27 1,31 1,35 1,41

Proud zkratem 5,5 3,6 2,6 1,8 1,4

Na dočasná přepětí v tabulce 3.1 se dimenzuje jmenovité napětí omezovačů přepětí instalovaných ve vývodech vedení 400 kV – pro vedení do délky 200 km se volí jmenovité napětí omezovačů Ur = 360 kV a pro vedení nad 200 km Ur = 372 kV [9]. Vliv vložených úseků kabelu na dočasné přepětí zdravých fází při 1f zkratu byl testován na modelu vedení v programu ATP-EMTP se stožáry typu Portál s vloženým úsekem kabelu v konfiguraci v řadě s osovou vzdáleností žil 1 m v hloubce 1 m pod povrchem země. Výpočet byl proveden pro 6 variant uvedených v tabulce 3.2. Tab. 3.2 Dočasná přepětí při 1f zkratu na konci vedení s vloženým kabelem Varianta 1 2 3 4 5 6

Propojení plášťů přímé překřížené přímé překřížené -

Délka vedení 80 80 85 80 80 100

32

Délka kabelu 5 5 0 20 20 0

Přepětí 1,20 1,18 1,20 1,22 1,15 1,21


Záměrem výpočtů by ylo porovnáání přepětí u vedení s vloženým kkabelem s přepětím p naa vedení s ekvivalentní e í délkou beez kabelu. Kabel K byl vložen do veedení v jeho o středu, jaak je znázornněno na obrrázku 11.

Obr. 111 Uspořádá ání vedení s vloženým kabelem k pro o výpočet doočasných přřepětí Vedení jee pod napěětím z rozzvodny 1 naprázdno n a 1f zkratt vznikne na jeho roozpojeném opačném konci, k zde sse také měěří přepětí zdravých z fá fází, protožee je zde neejvětší. Na přechodech p h vedení do kabelu je přepětí p vždy y menší nežž na jeho ko onci. Na um místění kabbelu v trase přepětí nezzávisí, pouzze na délce kabelu a ddélce vedení. Určitý vlliv na přepěětí má i konffigurace veddení a kabellu. Pro vedenní s délkou 80 8 km byly použity déllky kabelů 5 a 20 km, ttzn. že ekviivalentní déélky vedeníí bez kabelu u byly 85 a 100 km. Výpočty ukázaly, u že na dočasnéé přepětí zddravých fázzí při 1f zk kratu má poodstatný vliiv i způsob propojení plášťů po úsecích. K Kabel byl roozdělen na tři stejné úúseky a výp počet byl proveden p prro přímé propojení p pllášťů (obr. 12a) 1 a překřřížené proppojení plášťů ů (obr. 12b)). Na obou kkoncích byly pláště kaabelů propoojeny a uzem mněny.

a) příímé

b) překkřížené Obr. 122 Propojení plášťů kabeelů

Jak ukazuují výsledky y výpočtů v tabulce 3.2 2, při příméém propojen ení plášťů jee přepětí naa konci veedení přibliižně stejné pro veden ní s kabeleem i pro vvedení bezz kabelu ekkvivalentní délky. Při překřížení pplášťů je přřepětí s kab belem menšší než u ved dení bez kaabelu ekvivalentní délk ky. dají v úvahu u, nejsou doočasná přep pětí větší Při délkácch vloženýcch kabelů, kkteré připad neež u ekvivvalentních délek vedeení. Proto lze omezo ovače přeppětí chráníccí kabel diimenzovat stejně jak ko omezovaače ve vý ývodech veedení. Mennší přepětíí je při přřekříženém propojení plášťů kab elů, proto je j toto uspořádání z hhlediska do očasných přřepětí výhoddnější. 33


3.1.2

Vliv kompenzace na dočasné přepětí při zkratu

Kapacita kabelu 400 kV je přibližně 220 nF/km, tzn. 18 krát větší než kapacita venkovního vedení. Přenos jalového výkonu omezuje přenosovou schopnost pro činný výkon. Proto od určité délky kabelu je ekonomicky opodstatněné vložit do kabelové trasy indukčnost kompenzačních tlumivek. Celkové náklady na tlumivky a kabel musí být menší než náklady na kabel potřebné vyšší zatížitelnosti bez kompenzačních tlumivek. Musí se však kontrolovat i jalové zatížení venkovního vedení. Pro použití kompenzačních tlumivek jsou kromě kompenzace kapacitních proudů ještě dva důvody: kontrola napětí v síti a umožnění blackstartů přes dané vedení. Výkon kompenzace se musí volit obezřetně s ohledem na dva krajní stavy - napětí ve stavu naprázdno a proud při plném zatížení. Hrubý odhad je takový, že kompenzace je relevantní z technickoekonomického hlediska, jestliže využitelný výkon přenosu z titulu velkého nabíjecího proudu klesne o 15%. Podle [16] se u kombinovaných vedení s dlouhým kabelovým úsekem doporučuje instalovat kompenzační tlumivky na přechodu vedení do kabelu. Instalace uprostřed trasy velmi dlouhého kabelu se v principu nedoporučuje. Tab. 3.3 Dočasná přepětí při 1f zkratu na konci vedení s vloženým kabelem s kompenzací Kompenzační výkon na fázi 32 MVAr 64 MVAr

Nabíjecí proud vedení a kabelu 250 A 110 A

Umístění kompenzačních tlumivek začátek kabelu uvnitř kabelu konec kabelu 1,13 1,125 1,12 1,11 1,105 1,10

Z porovnání hodnot v tabulce 3.2 a 3.3 je zřejmé, že instalace kompenzačních tlumivek dále sníží přepětí zdravých fází při zkratu tím více, čím je větší kompenzační výkon. Umístění tlumivek má jen malý vliv.

3.2 Kapitola utajena 3.2.1

Kapitola utajena

Obsah utajen

34


Obsah utajen

3.2.2

Kapitola utajena

Obsah utajen


Obsah utajen

35


Obsah utajen


Obsah utajen

36






Obsah utajen

Obsah utajen

(3.1)

Obsah utajen

(3.2)

37


Obsah utajen


Obsah utajen

38



Obsah utajen


Obsah utajen

39



Obsah utajen

40


Obsah utajen

Obsah utajen

(3.3)

Obsah utajen

(3.4)


Obsah utajen

Obsah utajen

41



Obsah utajen

42


Obsah utajen

Obsah utajen


Obsah utajen

43

(3.5)




Obsah utajen



Obsah utajen

44



Obsah utajen

45


4. Magnetické pole v okolí kabelů a dodržení hygienických limitů 4.1 Aplikace hygienických limitů na vložené kabelové úseky Hygienické limity pro účely magnetických a elektrických polí nejnověji stanovuje Nařízení vlády č. 1/2008 Sb., ze dne 12. prosince 2007, které modifikuje požadavky Nařízení vlády č. 480/2000 Sb. Rozhodujícím kritériem pro posouzení škodlivých účinků neionizujícího záření na lidský organismus je tzv. modifikovaná proudová hustota v lidském těle vyvolaná vnějším magnetickým a elektrickým polem. Po přepočtení modifikované proudové hustoty na frekvenci 50 Hz lze konstatovat, že pro pole s frekvencí 50 Hz zůstává v platnosti limit hustoty 10 mA/m2 pro zaměstnance, pro ostatní osoby je limit pětkrát nižší, tzn. 2 mA/m2. Tato proudová hustota nesmí být v žádném časovém okamžiku překročena v centrálním nervovém systému (CNS). V ostatních částech lidského těla nesmí proudová hustota překročit pětinásobek uvedených proudových hustot. Proud v lidském těle je vyvoláván vnějším elektrickým i magnetickým polem. Pokud působí v daném prostoru obě pole, je při zjišťování hustoty proudu v těle nutné sečíst proud vyvolaný elektrickým polem a proud vyvolaný magnetickým polem. Pro praktické účely měření jsou stanoveny referenční hodnoty elektrického pole i magnetického pole. Není-li např. v sledovaném prostoru překročena referenční hodnota elektrického pole a nepůsobí zde pole magnetické, je tím zajištěno, že není překročena ani nejvyšší přípustná hodnota hustoty indukovaných proudů v těle exponované osoby. A stejně není-li v sledovaném prostoru překročena referenční hodnota magnetického pole a nepůsobí zde pole elektrické, je tím zajištěno, že není překročena ani nejvyšší přípustná hodnota hustoty indukovaných proudů v těle exponované osoby. Referenční úrovně platí pro pole nedeformované přítomností osob v posuzovaném prostoru. Je-li pole v prostoru silně nehomogenní, srovnává se s referenční úrovní buď intenzita pole průměrovaná přes oblast odpovídající poloze páteře nebo hlavy exponované osoby, nebo se pro srovnání s referenční úrovní uvažuje hodnota v geometrickém středu této oblasti. Protože referenční hodnoty jsou stanoveny tak, aby při jejich dodržení nemohlo dojít k překročení nejvyšší přípustné hodnoty za žádných okolností, je v konkrétních situacích zpravidla možné prokázat nepřekročení přípustné hodnoty hustoty proudu i při značném překročení referenční hodnoty. Referenční hodnota magnetického pole 50 Hz pro ostatní osoby je 100 µT a referenční hodnota elektrického pole je 5 kV/m. Pro výpočet proudové hustoty v lidském těle se používá vzorec [21]: /

0,278

/

0,008164

(4.1)

Pokud bude v daném místě působit pouze elektrické pole, vyvolá referenční hodnota el. pole 5 kV proudovou hustotu 1,39 A/m2. Pro naplnění limitu 2 mA/m2 lze elektrické 46


pole zvýšit na hodnotu 7,2 kV/m. Ještě markantnější je možnost překročení referenční hodnoty u magnetického pole. Samotné magnetické pole s referenční hodnotou 100 µT vyvolá proudovou hustotu 0,82 mA a pro naplnění limitu je možné magnetické pole zvýšit na hodnotu 245 µT. Pro kabely se stínícími plášti uložené v zemi jsou z hlediska účinků na lidský organizmus charakteristické tyto skutečnosti: Uvnitř kabelového úseku, dostatečně daleko od přechodů vedení-kabel, vyskytuje se na povrchu země nad kabelem pouze magnetické pole, elektrické pole je nulové. Magnetické pole je nejsilnější na povrchu země nad kabelem, s výškou nad povrchem intenzita pole klesá. Rychlost klesání pole s výškou je dána konfigurací kabelů v zemi - viz kapitola 4.4.2. Je-li prostor nad kabelem přístupný veřejnosti, je nutno předpokládat i pohyb dětí nebo různé aktivity, při kterých se CNS osob (nejčastěji dětí) nachází blízko země. V intencích výše popsaných pravidel pro určování hodnot polí je nutné mít pod kontrolou hodnoty magnetického pole ve výšce 20 cm nad zemí a výše. Pro kontrolu magnetického pole v prostoru nad kabelovou trasou je možné vytvořit dva následující požadavky: Požadavek 1 (přísnější) V prostoru 0,2 m od povrchu země a výše nad kabelovou trasou nesmí hodnota magnetického pole překročit referenční hodnotu 100 µT. Protože je zájem ukládat kabely poměrně mělce (do hloubky 1 až 1,5 m) z důvodů dále popsaných (zatížitelnost, náklady na výkop), vychází velikost magnetického pole na povrchu tak velká, že výrazně překračuje referenční hodnotu. Snížení hodnoty pole na povrchu pod referenční hodnotu je dosahováno za cenu poměrně nákladných a technicky komplikovaných opatření, která jsou též dále popsána. Z těchto důvodů je rozumné uvažovat o možnosti přiměřeného překročení referenční hodnoty 100 µT v prostoru nad kabelem s tím, že bude zaručeno dodržení závazného limitu pro proudovou hustotu J = 2 mA/m2. Navrhovaný způsob přípustného překročení je formulován jako požadavek 2. Požadavek 2 (méně přísný) Magnetické pole 0,2 m nad povrchem země a výše menší než 150 µT Magnetické pole 1 m nad povrchem země a výše menší než 120 µT Magnetické pole 1,5 m nad povrchem země a výše menší než 100 µT

47


Obě podmínky platí pouze v těch místech kabelové trasy, která jsou mimo dosah elektrického pole v okolí přechodu vedení do kabelu, neboli v místech, kde elektrické pole je zanedbatelně malé (menší než 0,2 kV/m). V místech blízkých přechodu vedení-kabel je nutné zajistit, aby v žádném místě nebyly překročeny hodnoty proudové hustoty 2 mA/m2, vypočítané podle vzorce (4.1). Rovněž je nutné řešit místa křížení kabelové trasy s jinými vedeními, která přispívají elektrickým i magnetickým polem. Vzhledem k složitosti skládání polí od kabelů a vedení je vhodné řešit problém případ od případu výpočty a provedením lokálních opatření na kabelové trase zvyšujících potřebným způsobem útlum vnějšího magnetického pole kabelu. Neřešitelná se v rámci přenosové soustavy jeví podmínka z výše citovaného nařízení vlády, že proudová hustota nepřekročí stanovený limit - v žádném okamžiku. To platí pro nízkofrekvenční pole (jako je právě 50 Hz), u nichž se nepříznivý účinek na organizmus považuje za okamžitý. Je-li magnetické pole v určitém místě na svém limitu 100 µT pro ustálený maximální proud 2500 A, je v případě 3f zkratu 10 kA tento limit překročen 4 krát, tzn. po dobu průběhu několika period dosáhne hodnoty 400 µT. Ještě vyšších hodnot pole dosáhne při nesymetrických zkratech. Nárůst pole oproti ustálenému stavu je tím větší, čím více je pole v ustáleném stavu vybalancováno symetrií uspořádání. V takovém případě může dojít i k desetinásobnému překročení limitu, ovšem na dobu několika period. Toleranci pro krátkodobá překročení ovšem nařízení vlády neřeší.

4.2 Měření magnetického pole nad kabelem v rozvodně Hradec u Kadaně - porovnání s výpočtem Dne 2. 7. 2007 bylo provedeno měření magnetického pole 50 Hz v prostoru nad kabelem 400 kV v rozvodně Hradec u Kadaně. Kabel je v místě měření uložen v zemi, žíly jsou v hloubce 1,2 m ve vzájemné vzdálenosti 1 m. Změřen byl horizontální profil ve směru kolmém na osy kabelů ve výšce 1 m nad zemí. V tabulce 4.1 jsou ve druhém řádku hodnoty změřené v odstupech 0,5 m. Ve třetím řádku jsou hodnoty přepočtené na maximální efektivní proud kabelu 2500 A. Ve čtvrtém řádku jsou hodnoty vypočtené v programu Overhead pro stejné uspořádání a pro proud 2500 A. Patrná je poměrně dobrá shoda změřených hodnot (přepočtených na 2500 A) a hodnot vypočtených programem. Tab. 4.1 Magnetické pole v horizontálním profilu 1 m nad zemí, proud kabelu 523 A [7] Vzdálenost od osy [m] Mag. pole měřené [μΤ] Měř. přepočteno na 2,5 kA [μΤ] Výpočet Ovehead 2,5 kA [μΤ]

-1,5 17,5 114 116

-1,0 26,9 128 133

0,5 28,8 138 144

0 30,9 148 148

0,5 28,9 138 144

1,0 26,1 125 133

1,5 23,6 112 116

2,0 20,6 99 97

Dále byl změřen vertikální profil v místě maxima horizontálního profilu, hodnoty v tabulce 4.2 jsou v obdobném členění jako v tabulce 4.1. 48


Tab. 4.2 Magnetické pole ve vertikálním profilu v ose maxima, proud kabelu 473 A [7] Výška nad zemí [m] Mag. pole měřené [μΤ] Měř. přepočteno na 2,5 kA [μΤ] Výpočet Overhead 2,5 kA [μΤ]

0,2 45 238 243

0,5 33 175 187

1,0 26 136 128

1,5 19,2 101 92

2,0 12,3 65 69

2,5 10,2 54 53

Z výsledků měření a z porovnání s výpočty vyplývá: 1) Změřená konfigurace nevyhoví ani jednomu z požadavků 1 a 2 pro maximální proud 2500 A ani pro proud 2000 A. Aby byl splněn alespoň požadavek 2, musel by být maximální proud menší než 1550 A. 2) Hodnoty vypočtené pomocí programu Overhead odpovídají dobře hodnotám změřeným, program lze tím pádem použít pro další analýzy magnetických polí v okolí kabelů.

4.3 Možnosti snížení hodnot magnetického pole nad kabelovou trasou K zeslabení magnetického pole se využívají tři dále popsané principy, jež jsou součástí fyziky elektromagnetického pole. Obecně magnetické pole existuje uvnitř a v okolí permanentních magnetů nebo je uvnitř a v okolí proudovodičů a je vyvolané tekoucím proudem. V našem případě, tzn. u kabelů, se jedná o magnetické pole v okolí proudovodičů. Magnetické pole v prostoru bez magnetických materiálů je nejsilnější u proudovodičů a slábne se vzdáleností od proudovodiče, rychlost slábnutí záleží na geometrickém uspořádání proudovodičů a jejich fázování - viz dále. Pokud se v okolí proudovodičů nacházejí jiné proudovodiče uzavřené do smyček nebo tvořící přirozeně smyčky (vodivé předměty), magnetické pole v těchto tzv. pasivních proudovodičích indukuje proud. Tento proud vytváří vlastní magnetické pole, které zeslabuje pole budící. Pole může být zeslabováno i pomocí aktivních proudovodičů, tzn. např. vodivých smyček s vnuceným vnějším proudem, jehož časový průběh je volen tak, aby došlo k zeslabení původního pole. Pokud se v okolí proudovodičů vyskytují útvary z magnetických materiálů (materiály s vysokou permeabilitou µ), pole se deformuje, tzn. v magnetických tělesech se magnetické křivky zahušťují - pole se zesiluje na úkor okolního prostoru, kde se tím pádem pole zeslabí. Výše popsané tři principy tvoří základ dále uvedených metod zeslabení pole nad kabelovou trasou: 1. Hloubka uložení kabelů - se vzdáleností klesá velikost pole 2. Geometrie uložení kabelů - určuje rychlost klesání pole se vzdáleností 3. Stínící vodivé smyčky - indukované proudy tlumí budicí pole 49


4. Stínění vodivými deskami - indukované proudy tlumí budicí pole 5. Stínění feromagnetickými deskami - mění tvar pole 6. Použití paralelních kabelů - volbou konfigurace a geometrie kabelů se pole jednotlivých žil kompenzuje 7. Kombinace dvou nebo více metod Jak je dále naznačeno, u metod 1., 2. jde jejich uplatnění proti požadavku na dobrý odvod tepla z kabelů. Čím jsou žíly hlouběji uloženy, nebo čím jsou blíž k sobě, tím je sice pole nad zemí slabší, ale tím horší je i odvod tepla, a snižuje se tedy i zatížitelnost kabelu. Metody 4. 5. a 6. pak znamenají dodatečné náklady a u deskových stínění též značné požadavky na vhodná antikorozní opatření v složitém prostředí indukovaných proudů s možností vzniku korozivních jevů na principu elektrolýzy. Je nutné se zmínit také o teoretické možnosti zeslabení pole proudy indukovanými v pláštích kabelů. Pokud se uzemní pláště kabelu na obou koncích kabelu, protéká jimi indukovaný proud řádově srovnatelný s proudem žil a snižuje významným způsobem magnetické pole vně žil. Indukovaný proud v pláštích je vyšší u konfigurace žil v rovině než v konfiguraci do trojúhelníku. Tento proud však zvyšuje tepelné ztráty kabelu a značně snižuje proudové využití kabelu. Proto se u kratších kabelů vvn uzemňuje pouze jeden konec pláště, takže pláštěm neteče žádný proud, a nevzniká tím pádem žádný efekt eliminace magnetického pole od proudu žíly. Při rozpojení pláště na jednom konci se však do pláště indukuje napětí úměrné délce kabelu a to svou narůstající velikostí s délkou limituje použití tohoto způsobu zapojení plášťů pro delší kabely. Proto se u delších kabelů používá vykřížení plášťů (cross-bonding) po sekcích, které způsobuje vynulování proudů indukovaných v pláštích a zároveň se tím udrží indukované napětí plášťů v bezpečných mezích. Znamená to, že také při použití vykřížení plášťů k žádnému zeslabení magnetického pole žil nedochází.

4.4 Velikost magnetického pole na povrchu země v závislosti na uspořádání a hloubce kabelů Za předpokladu, že permeabilita země a v okolí uložení kabelu se blíží 1 (neobsahuje feromagnetické prvky), a za předpokladu, že vodivost země je řádově nižší než vodivost kovových částí kabelů či stínění, je možné vliv země zanedbat. Vyšší obsah feromagnetických prvků či zvýšená vodivost zmenšují magnetické pole nad povrchem země. V případě překročení limitu magnetického pole existuje několik způsobů jeho odstínění, zmírnění:   4.4.1

Hloubka uložení kabelů Geometrie uložení kabelů

Hloubka uložení kabelů

Velikost magnetického pole liniového uspořádání třífázových kabelů jde přibližně určit podle vztahu: 50


5√2

(4.2)

(4.3) kde dab, dbc, dac jsou vzdálenosti mezi fázemi (m); I je efektivní hodnota proudu; r je vzdálenost mezi geometrickým středem vodičů a místem, kde je magnetické pole zjišťováno. Ze vzorce vyplývá, že velikost magnetického pole klesá s kvadrátem vzdálenosti od vodičů. Pro zmenšení magnetického pole je tedy možné umístit vodiče hlouběji do země. 4.4.2

Geometrie uložení kabelu

Ze vzorců 4.1 a 4.2 také vyplývá, že velikost pole je přímo úměrná vzdálenosti žil (fází) kabelu d. Snížení pole lze tedy dosáhnout přiblížením jednotlivých fází blíž k sobě. Při zcela těsném přiblížení fází v liniovém uspořádání platí vztah: √3 5

(4.4)

kde dpp je minimální vzdálenost mezi fázemi. Optimální uspořádání z tohoto hlediska je trojúhelníkové. Magnetické pole trojúhelníkového uspořádání lze vypočítat podle vzorce: √6 10

(4.5)

Porovnáním vzorců 4.4 a 4.5 lze zjistit, že pole od těsného liniového uspořádání je 1,4 krát větší než u uspořádání trojúhelníkového. Případná nulová složka proudu třífázového systému vytváří magnetické pole se závislostí velikosti na vzdálenosti podle vzorce:

5

(4.6)

kde r je vzdálenost mezi geometrickým středem vodičů a místem výpočtu pole. Velikost magnetického pole nulové složky proudu nezávisí na konfiguraci žil a jejich vzájemné vzdálenosti d, pokud r >> d. Zatímco magnetické pole třífázového systému klesá s druhou mocninou vzdálenosti, pole nulové složky proudu klesá lineárně, a proto může být ve větších vzdálenostech mnohem větší v poměru k budícímu proudu než pole

51


odd vyváženýých proudů fázových. To je nutn né vzít v úv vahu ve všeech případeech, kdy kaabelovou traasou proték kají nesymettrické proud dy (např. pro oud jednofáázového zkrratu). Pokud se provede rozzdělení prouudu do dvo ou žil, tzn., že ž třífázováá kabelová trasa má šeest žil, lze docílit d toho,, že při vhoodné konfigu uraci klesá velikost maagnetického o pole se třeetí mocninoou vzdáleno osti. Volba konnfigurace kaabelu a hlouubka jeho ulložení je úzzce vázána nna komplex xní návrh a dimenzovánní kabelovéé trasy, protoo je dále strručně popsáán postup náávrhu kabelu u.

4..5 Materriálová op patření prro sníženíí magnetického polle nad kabely Pokud vyybraná konffigurace kabbelů nesplň ňuje požadaavky na úroovně magnetického poole a nelzee ji už měn nit, existujee několik způsobů z jak k snížit maagnetické pole p nad kaabelovou traasou:    4..5.1

Stíínící vodivéé smyčky Stíínění feromagnetickým mi deskami Stíínění vodivý ými deskam mi

Stíníccí vodivé sm myčky

Do pasivvní vodivé smyčky se induku ují proudy, které půůsobí proti změně m magnetickéhoo toku. Je třřeba spočítaat, jak velkéé proudy se budou do jjednotlivých h vodičů inndukovat, aby a nebyla překročenaa jejich tep pelná kapacita. Na obrrázku 3 je způsob, jaakým pasivnní vodivá sm myčka ovlivvní magnetické pole v okolí smyččky, kterou u protéká prroud.

O 27 Ovllivnění maggnetického pole Obr. p pasivníí vodivou sm myčkou [7] Pro získánní lepšího sttínícího efeektu je možn né vodivé smyčky s kom mpenzovat sériovou kaapacitou, ktterá vytvořří proudovýý rezonančn ní stav a kompenzačn k ní proud see značně zvvětší. Toto řešení je však v velmii nákladné, protože see jedná o kapacity řáádu mF. Druhým způůsobem je injektování i proudu extterním zdro ojem (aktivvní vodivá smyčka) vyyžadující další d zařízen ní a energgii - toto řešení ř se aplikuje pouuze ve speeciálních přřípadech. 4..5.2

Výpoočty magnetických pollí pro konfi figurace se stínící vodiivou smyčk kou

Pro možnoost posouzeení stínícíhoo účinku sm myček byly provedeny p vvýpočty v programu A ATP-EMTP a ELMAG. V program mu ATP bylly modelováány liniové konfigurace kabelu

52


a stínící pasivvní smyčky y nad ním. V Vypočetl see indukovan ný proud vee smyčce prro budící V pproud smyčk ky a jeho fááze vůči prooudu budícíímu byly prroud kabeluu 2500 A. Vypočtený vlloženy do prostorové konfiguracce vodičů v program mu ELMAG G a pomocí tohoto prrogramu byylo vypočten no pole nadd kabelem a nad stíníccí smyčkouu. Výpočet pole byl oppakován pro stejnou u konfiguraaci kabelu,, ale bez smyčky. Pro dvě varianty (vviz obrázek 4) byly spo očteny výškky bodu v ose o kabelov vé trasy, v němž pole dosáhlo lim mitu 100 µT T. Pro srov vnání byla ddoplněna ko onfigurace těsného trojúúhelníka beez stínící sm myčky. Výýsledky vý ýpočtu maagnetických h polí a indukovanných proud dů jsou v tabulce 13.

Obbr. 28 Linio ové uspořáddání (vodičee 0,5 m od sebe) se stín ící smyčkou u Taab. 4.3 Výškka H nad ka abelem s hlaadinou mag gnetického pole p 100 μΤΤ Uspořádání žil ž kabelu Lineární d = 1 m Lineární d = 0,5 0 m Těsný trojúhe elník

H bez stínící s smyčky [m] 2,8 2,1 0,9

H se s stínící smy yčkou [m] 2,5 2,0 -

Proudu procházející P stínící smyč čkou [A] 550 330 -

Z výsledkků je patrnéé, že vlivem m smyčky nedojde n k podstatném p mu snížení limitního boodu (o 30 resp. r 10 cm m) a vliv sm myčky v daané konfigu uraci na polle lze považžovat za neepodstatný. K využití principu p stínnění pasivníí smyčkou se s nabízí tenn případ, kd dy budou s kabely tak jako tak vedeny v soubběžné vodiče pro vyro ovnání poteenciálu zem mě podél traasy. Těm lzze určit tako ovou polohhu vůči kabeelům, aby po p jejich vzzájemném propojení p (ppo úsecích) plnily funkci pasívníích smyček k a jejich sttínící efektt byl soustřředěn do pootřebných míst, m tzn. naa povrch zem mě nad oso ou trasy. Pro o tento příppad je nutnéé provést daalší výpočtyy pro různá geometrickká uspořádán ní smyčky a kabelu a nnavrhnout optimální o usspořádání soouběžných vodičů v a kaabelu. Indukovanné proudy ve v smyčce jjsou 330 A a 550 A; jee tedy nutnéé vodiče do ostatečně diimenzovat, aby nepřisp pívaly k oteeplování zem mě nad kab belem. V koonkrétním návrhu n je nuutné vždy vypočítat v ak ktuální provvozní proudy y ve smyčkách - provoozní i při zk kratech – a ppodle nich vodiče v dimeenzovat. Koontrolovat by b se měly i tepelné ztrráty smyček k.

53


Principu pasivní smyčky by bylo možno využít i jako lokálního opatření v místech, kde nelze z různých důvodů dodržet standardní konfiguraci kabelů, např. tam, kde musí být menší hloubka uložení nebo tam, kde se musí zvýšit vzdálenost žil. 4.5.3

Stínění feromagnetickými deskami

Feromagnetický materiál má tendenci k sobě přitahovat siločáry a zhušťovat je v sobě. Může se tak například „odvést“ magnetické pole do míst, kde nám jeho velikost tolik nevadí. Používají se k tomu materiály s velkou permeabilitou, viz tabulka 4.4. Tab. 4.4 Přehled používaných feromagnetických látek Materiál Železo 99,8% čisté Železo 99,95% čisté Ocel 0,9% C Nízkouhlíková ocel (LCS) Extra nízkouhlíkoví ocel (ULC)4 Křemíková ocel (Si 3%) – doménová orientace (GO) 78 Permalloy (μ-material) Superpermalloy (μ-material) Cobalt 99% čistý Nikl 99% čistý

Počáteční relativní permeabilita μ r,ini 150 10 50 300-400 250

Maximální relativní permeabilita μ r,max 5000 200 100 2000 1100

Intenzita magnetického pole Hc [A/m] 80 4 5600 50-100 150

-

40

8

8 100 70 110

100 1 000 000 250 600

4 0,16 800 56

Protože při odstiňování se jedná o relativně slabou magnetizaci materiálu, uplatňuje se hodnota relativní permeability spíše bližší té počáteční než maximální. Feromagnetickým stíněním lze odstínit i stejnosměrné proudy. Existují dva přístupy odstiňování: 

Úplné obklopení vodičů feromagnetickými deskami (úplné stínění)



Částečné obklopení vodičů feromagnetickými deskami (částečné stínění)

4.5.3.1 Úplné stínění Intenzitu magnetického pole lze určit podle vztahu (4.7):

1

1 í ě é

ů

í

4 4

∆ 2

4

1

(4.7)

(4.8)

Kde Δ je tloušťka plechu; a je vnitřní poloměr plechu; µ je permeabilita materiálu; µ0 je permeabilita vakua. 54


Vztah (4..7) platí po ouze v obblasti, kde není překrročena mezz saturace. Velkou neevýhodou tééto konfigurrace je špatnný přístup ke k kabelům v případě ooprav. 4..5.3.2 Neú úplné stíněn ní Existuje mnoho m způssobů odstiňňování magn netického pole p neúplný ným stíněním m. Proto neeexistuje žáádný vzorecc, který by uurčil velikost stínění. Pro P jednotlivvé varianty y je třeba prrovádět num merické sim mulace, popřřípadě měřeení na reálný ých modeleech uspořádání. Dvě neejběžnější varianty v stíínění jsou na obrázku u 29. Variaanta b) obbsahuje 3 krát k více stínícího maateriálu a přístup p ke kabelu je velmi om mezený. Pro roto si rozebereme scchopnosti sttínění pouzee varianty a)).

Obr. 29 Způsobyy stínění fero romagnetickkými materiá ály – a) rovvinný, b) tva ar U Velikost stínícího s fak ktoru ve sm měru vertikáálním a horiizontálním jje na obrázzcích 30344. Z obrázkků 30-34 jee patrné, žee se zvětšujjící se vzdááleností od stínící desk ky klesá stínící faktorr až na úrov veň 1, tzn. nnestíní vůbeec. Vhodný ým umístěníím desky vh hodných roozměrů se však v dá dosáhnou tohoo, aby magn netické polee v místech,, která nás zajímají, z neepřesahovallo limity.

b)

a)

Obr. 30 Velikkost stínícíh ho faktoru p ři stínění feeromagneticckým materiiálem – pro různá µ a) pro x=0, b) pro y=0,7 m

55


a)

b)

Obr. 31 Velikkost stínícíh ho faktoru p ři stínění feeromagneticckým materiiálem – proměnné d a pro x=0 a) 0, b) pro vzddálenost 0,5 5 m od stíněění tzn. y=0,,7, 0,9 a 1,1 1m

a)

b)

Obbr. 32 Velikkost stínícíh ho faktoru přři stínění feeromagneticckým materiiálem – proměnné L a) pro x=0, b) pro y=0,7 m

a)

b)

O Obr. 33 Veliikost stínícíh ho faktoru ppři stínění feromagneti f ickým materriálem – pro oměnná tloušťka stíínění Δ

56


a)

b)

Obbr. 34 Velikkost stínícího faktoru přři stínění feromagneticckým materiiálem – dva způsoby stíněn ní 4..5.4

Stínění vodivým mi deskami

Ve vodivýých deskách se induku kují vířivé proudy p vyv volané změnnami magnetického poole v okolí kabelů. Ind dukované pproudy generují magneetické pole,, které kom mpenzuje poole budící, a tím ho zeslabuje stej ně jako stín nící smyčky y. Takovým m stíněním může m být třeeba plášť kabelu. k Aby y však byloo dosaženo dostatečnéého stínění,, musel by pláštěm prrotékat dostatečně vellký proud ((stejného řádu jako žilou). ž Na tto však neení plášť diimenzován. V tabulce 4.5 je přeehled nejběěžněji použíívaných maateriálů pro o vodivé deesky. Taab. 4.5 Přehhled používa aných vodivvých materiiálů Kov Měď Hliník železo Ocel GO ocel Permalloyy

Vodivost σ [MS/m m] 59 36 10 6 2 1,8

Existují dvva přístupy odstiňovánní:  

Úpplné obklopení vodičů vvodivými deskami d (úplné stínění) Čáástečné obkllopení vodiččů vodivým mi deskami (částečné ( stítínění)

4..5.4.1 Úplné stínění Intenzitu magnetickéh m ho pole lze určit podle vztahů (4.9 9 až 4.11): ů

í ě é

1

í

2 57

(4.9)

(4.10)


σ ∆

(4.11)

Kde Δ je tloušťka t pleechu; a je vnnitřní polom měr plechu; µ0 je perm meabilita vak kua; ω je úhhlová rychlost sítě (31 14 pro 50 H Hz); i je ko omplexní jednotka; s jee komplexn ní stínící faaktor. 4..5.4.2 Neú úplné stíněn ní Jak již byylo uvedeno o v 4.5.3.2, existuje mn noho způso obů, jak odsstiňovat magnetické poole. Pro jeddnotlivé variianty je nuttno prováděět numerick ké simulace a měření. Platí P zde stejně jako v 4.5.3.2, že varianta b z obrázku 29 2 obsahuje 3 krát vícee stínícího materiálu m a ppřístup ke kabelu k je veelmi omezujjící. Velikost stínícího s fak ktoru ve sm měru vertikáálním a horizontálním jje na obrázccích 35– 399. Je patrnéé, že se zvětšující se vvzdáleností od o stínící desky d klesá stínící fakttor až na úrroveň 1, tznn. nestíní vů ůbec. Obdobbně jako v 4.5.3.2 se vhodným v um místěním a rozměry deesky dá dosáhnout toho, t aby magnetickéé pole v místech, kkterá nás zajímají, z neepřesahovallo limity.

b)

a)

Obr. 35 Velikost stín nícího faktooru při stíněění vodivým materiálem m – proměnn né σ a)) pro x=0, b) pro y=0,7 m

58


a)

b)

Obr. 36 Velikost stín nícího faktooru při stíněění vodivým materiálem m – proměnn né L a) pro x=0, b)) pro y=0,7 7m

a)

b)

nícího faktooru při stíněění vodivým materiálem m – proměnn né Δ Obr. 37 Velikost stín a) pro x=0, b)) pro y=0,7 7m

a)

b)

V stíníícího faktorru při stíněn ní vodivým materiálem m – proměnnéé σ*Δ Obr. 38 Velikost a) pro x=0, b)) pro y=0,7 7m

59


a)

b)

Obr. 39 Velikost stín nícího faktooru při stíněění vodivým materiálem m – proměnn né d a) pro x=0, b) pro vzdáálenost 0,5, od stínění tzn. y=0,7, 0,9 a 1,1 m 4..5.5

Použiitelnost vod divého stín ění pro varriantu jedn né sady kabbelů

Jak už byllo uvedeno u feromagnnetických materiálů, m pro p jednu saadu kabelů je nutno doocílit stínícíí efekt alesp poň 3,9. Z grafů na ob brázcích 35 až 39 je zřřejmé, že vodivými v deeskami z měědi a hliník ku při jejich dostatečné tloušťce (m měď - 6 mm m, hliník 10 mm) by byylo možné dosáhnout potřebnéhoo stínícího efektu e pro povrch p zem mě. Rovněž železné deesky o tloušťce 10 mm by vyyhověly vzzhledem kee kombinacci stínícího o efektu voodivostníhoo a feromagn netického.

60


5. Vliv na n jiná ka abelová vedení V okolí kabelu k 400 kV se vysskytuje elek ktromagnetiické pole, kkteré svýmii účinky m může ovlivňňovat jiná kabelová k veedení nacháázející se v jeho blízzkosti. Účellem této kaapitoly je vyytvořit před dstavu o mííře takového o ovlivnění, byť v obeecné rovině,, protože deetailnější výýpočet záležží na konkréétním geom metrickém usspořádání kaabelových vedení. v Jaké vazbby tedy meezi kabelem m 400 kV a jiným kabelovým k vedením, zejména sddělovacími, mohou nastat? Jeednak vazzba kapaciitní reprezzentující působení p ellektrického pole a dále vazba induuktivní repreezentující vllivy magnettické. S ohledem na koonstrukci kaabelu (kovo ové opláštěnní) je možn né kapacitní vazby vylooučit. Dále se proto buudeme zabýývat pouze vazbami v indduktivními. Sdělovací vedení mů ůže trasu kaabelu křižov vat nebo býtt s kabelem m v souběhu u, ovšem ažž vně ochrranného pássma kabeluu. Vzájemn ná indukčno ost křižujíccích se kab belových veedení je zannedbatelná vzhledem kke skutečno osti, že prou udové dráhyy obou ved dení jsou vzzájemně kollmé, resp. tééměř kolméé. K detailněější analýzee tak zbývá pouze indu uktivní vazb ba mezi kabbelem a sděělovacím veedením, kteeré je v soub běhu o délcee úseku L. Pro P odvozen ní vzájemnýých indukčn ností byl zvvolen následdující modeel uspořádánní:

Obr. 40 Schéma S pro odvození vzájemných v indukčnostíí vedení Konkrétníí uspořádán ní jak fázovýých vodičů (kabelů), tak t i případdné vzájemn né vazby see zemnícím m páskem, je samozřej mě věcí do ohody s vý ýrobcem kab abelu s ohleedem na poožadavky a předpisy prro ukládání kabelu. Model vycchází z před dpokladu, žee sdělovací vedení tvořří v blízkostti kabelu uzzavřenou sm myčku, do níž n se v déllce souběhuu indukuje napětí n vyvo olané proudeem kabelu. Počátek soouřadného systému s je položen ddo osy kabeelu fáze R.. Kabel i ssdělovací vedení v je veedeno ve sm měru osy z. Odvození jje proveden no pro fázi R, R pro zbývvající fáze je postup annalogický s posunem ve směru osyy x o vzdáleenosti d1, ressp. 2d1. Pro vektorr magnetick ké indukce pplatí: ∙ 2∙

∙

∙ 61

;

(5.1)


Pro výsledný magnetický tok vyvolaný proudem , který ve sdělovacím vedení indukuje napětí, platí při zanedbání poloměrů kabelu i sdělovacího vedení oproti jiným vzdálenostem:

Φ

∙

∙

∙ ∙ ∙ 4∙

∙

2

(5.2)

2 označuje vzájemnou indukčnost mezi fází R kabelu a sdělovacím kde platí: vedením na jednotku délky souběhu. Pro

4∙

2

∙

(5.3)

2 Obdobně pro vzájemné indukčnosti zbývajících fází:

4∙

2

∙

(5.4)

2

4∙

∙

2 2

2

(5.5)

2

Za předpokladu stejné velikosti proudů ve všech fázích, pouze časově posunutých, bude pro indukované napětí na jednotku délky souběhu ve sdělovacím vedení platit: ∙

kde

∙

∙

√

62

∙

(5.6)


Vliv opláštění kabelu Předchozí úvaha nerespektovala skutečnost, že kovovým pláštěm kabelu může protékat proud, který svými účinky působí proti vlastnímu proudu přenášenému kabelem. Jeho velikost záleží na způsobu uzemnění pláště kabelu. Pro potřeby dalších úvah budeme vycházet z předpokladu, že pláštěm se navrací část fázového proudu o velikosti Ip = k.I, kde k může nabývat hodnot 0 až 1. Zavedeme-li součinitel k do předchozích rovnic, dostaneme vztah pro magnetickou indukci vyvolanou proudem fáze R: ∙ 2∙

∙

∙

∙

;

(5.7)

Z toho lze snadno odvodit změnu vzájemných indukčností: ´ ∗

∙

∗

(5.8)

Kde symbol „*“ označuje příslušnou fázi. Je zřejmé, že pokud uzemnění plášťů bude provedeno tak, aby se pláštěm vracel celý fázový proud (k = 1), nedojde k žádnému ovlivnění sdělovacího vedení. Na druhé straně, čím větší proud bude protékat přes plášť kabelu, tím větší budou jeho ztráty. Při k = 1 budou maximální. Proto se v praxi používá takový způsob uzemnění, při kterém se pláštěm vrací pouze část fázového proudu. Zmenší se tak ztráty při zachování alespoň částečného kompenzačního účinku. Vliv zemnícího pásku Souběžně s kabelem je v zemi veden zemnící pásek FeZn. Ten tvoří kolem kabelového vedení závit nakrátko, ve kterém se působením fázových proudů kabelu indukuje proud Iz. Ten opět ovlivní vzájemnou indukčnost kabelu a sdělovacího vedení. Vzájemné indukčnosti kabelu a zemnícího pásku lze odvodit na základě stejné úvahy, jakou byly odvozeny vzájemné indukčnosti kabelu a sdělovacího vedení.

4∙

4∙

∙

(5.9)

∙

(5.10)

63


4∙

2 2

∙

(5.11)

Proud, který bude protékat zemnícím páskem, je dán: ∙

∙

∙

∙

∙

(5.12)

kde průřez zemnícího pásku rezistivita zemnícího pásku Vzájemné indukčnosti mezi kabelem a sdělovacím vedením, které respektují vliv zemnícího pásku, jsou: ´´ ∗

∗

(5.13)

∙

Návrat alespoň části proudu kabelu jeho pláštěm a položení zemnícího pásku souběžně s kabelovým vedením příznivě ovlivní vliv kabelu na souběžné kabelové vedení.

5.1 Sdělovací vedení v souběhu s kabelovým vedením 400 kV indukovaná napětí 5.1.1

Indukovaná napětí z hlediska bezpečných napětí

Na základě provedených výpočtů pro kabelovou trasu s uspořádáním cross-bonding byly zjištěny hodnoty indukovaných napětí ve sdělovacích vedeních a potrubích. Následující tabulka uvádí hodnoty indukovaných napětí v závislosti na vzdálenosti kabelů ovlivňovaného vedení od kabelů pro jednofázový zkratový proud 10 kA a délku souběhu 1 km. Jedná se o osovou vzdálenost ovlivňovaného vedení od fáze se zkratovým proudem. Protože zkrat může mít kterákoliv fáze, jedná se o vzdálenost ke krajní fázi kabelové trasy. Uvedené hodnoty platí za předpokladu, že jsou v kabelové trase použita souběžná zemnící lana - alespoň dvě na každou sadu kabelů. Bez použití zemnících lan jsou indukovaná napětí cca o 20 až 50 % vyšší. Tab. 5.1 Hodnoty indukovaných napětí v závislosti na vzdálenosti ovlivňovaného vedení od kabelu (1f zkratový proud 10 kA, délka souběhu 1 km) Osová vzdálenost souběhu * 0,5 m 1m 2m 4m 6m

Indukované napětí pro souběh 1 km 300 – 500 V 200 –300 V 100 – 200 V 50 – 100 V 30 – 50V

*vzdálenost od fáze se zkratovým proudem 64


Vzhledem k odvozenému limitu pro indukovaná napětí 230 V by měla být dostatečná minimální vzdálenost vedení a kabelu 2 m pro délku souběhu 1 km za předpokladu použití zemnících lan. Vzhledem k rozptylu hodnot parametrů, které mají vliv na výsledné hodnoty, se doporučuje dodržovat u souběhů s délkami řádu stovek metrů bezpečnější vzdálenost mezi krajní žilou kabelu a vedením v souběhu minimálně 4 m. U kratších souběhů může být vzdálenost i menší, to tedy platí i pro křížení. 5.1.2

Indukovaná napětí z hlediska funkce zařízení

Druhým posuzovaným kritériem při hodnocení vlivů kabelů na souběžná vedení je vliv kabelu na funkci zařízení připojených na souběžné nebo křižující vedení. Mezní hodnoty záleží na mnoha faktorech funkce daného zařízení a je nutné řešit je případ od případu. To se týká i kabelů drážních zařízení. Většina sdělovacích vedení kladených do země nebo kolektorů je opatřena systémy stínění a odrušení, které chrání vedení proti narušení funkce připojených zařízení. 5.1.3

Obecně o indukovaných proudech a napětích

Stíněný kabel 400 kV 50 Hz je liniovým zdrojem střídavého magnetického pole, jehož změny indukují napětí v souběžných vodičích a pokud tyto vodiče tvoří uzavřené smyčky, indukovaná napětí jsou pak zdrojem proudů v těchto smyčkách. Smyčky mohou být tvořeny dvěma a více vodiči souběžnými s kabelem příčně pospojovanými (po úsecích), nebo se mohou smyčky uzavírat přes uzemnění a zem - viz obrázek 9. Dole na obrázku je znázorněn kabel s proudem v žíle směřujícím doprava a s proudem v plášti a kompenzačním vodiči směřujícím doleva. V horní části je naznačeno uzavírání smyčkových proudů v kovových strukturách. Pokud je uspořádání podélně homogenní, tzn. beze změny geometrie a příčného pospojování souběhů, proudy příčnými spoji se vyruší a obvodem tečou proudy, které se příčně uzavírají na začátku a na konci vedení.

Obr. 41 Proud žílou kabelu, pláštěm kabelu Ipl, kompenzačním vodičem Izl a proudové smyčky vodivými strukturami

65


5.1.4

Redukční činitel

a) Rozpojené pláště kabelů a bez zemnících lan S rozpojeným pláštěm a bez zemnících lan by se při jednofázovém zkratu (na obrázku 42 vpravo) celý proud musel vracet zemí a nestíněný kabel vytváří ve svém okolí silné magnetické pole a indukci. b) Pláště kabelů a zemnící lana na obou koncích uzemněny Pokud jsou plášť kabelu a zemnící lana na obou koncích uzemněny, vytvoří se velká smyčka tvořená pláštěm kabelu a zemnícím lanem na jedné straně a zemí na straně druhé. V této smyčce se indukuje proud (jeho směr je naznačen v obrázku 42.), který zeslabí proud zemí z případu A a vytvoří kompenzační proud v plášti kabelu a v zemnícím lanu. Proud smyčky zeslabí pole a indukci v okolí kabelu. Toto zeslabení se kvantifikuje jako tzv. redukční činitel na straně trojfázového vedení, který se vypočte jako: (5.14) Je to tedy podíl proudu vracejícího se zemí a celého zkratového proudu žilou kabelu. Čím je redukční činitel kabelového vedení r menší, tím větší část vratného proudu teče pláštěm a zemnícími lany kabelu a tím menší jsou indukovaná napětí a proudy v souběžných vedeních a potrubích. c) U plášťů kabelů proveden cross-bonding V tomto případě tečou při jednofázovém zkratu plášti žil stejné proudy. Znamená to, že žíla se zkratovým proudem je hůře odstíněna než v předešlém případě a redukční činitel bude vyšší a magnetické pole v okolí kabelu bude o něco větší. Redukce na straně ovlivňovaných vedení K dalšímu zeslabení indukce může dojít na straně ovlivňovaných vedení, jejich stíněním buď vodivými plášti, nebo souběžně položenými vodiči. Podmínkou zeslabení je, že pláště a souběžné vodiče jsou na obou koncích uzemněny nebo propojeny na jiné souběžné vodivé struktury, tak aby jimi mohl protékat indukovaný proud. Zeslabení na straně ovlivňovaného vedení se kvantifikuje pomocí redukčního činitele na straně ovlivňovaného vedení rs. Výsledný celkový redukční činitel vlivu rc je dán jako součin: ∙

(5.15)

66


Obecně vzato každá uzavřená smyčka s indukovaným proudem, která se nalézá v prostoru vlivu, působí na ostatní smyčky a ovlivňuje též indukci napětí ve vodičích neuzavřených.

Obr. 42 Jednofázový zkratový proud Izk a rozdělení vratného proudu na proud pláštěm kabelu Ipl , kompenzačním lanem Izl a zemí Izem Výpočet induktivního vlivu třífázových vedení na sdělovací vedení se provádí výpočtem podle ČSN 33 2160. Jedná se o výpočet indukovaných napětí ve sdělovacích vedeních v ustáleném provozním stavu a při jednofázovém zkratu. Jednofázové proudy se počítají podle ČSN 33 3020. Pro výpočet indukčního vlivu se uvažuje trojnásobná nulová složka zkratového proudu 3I0 protékajícího vedením. Indukované napětí v ovlivňovaném vedení nesmí překročit stanovené meze v závislosti na době trvání zkratu - viz tabulka 5.2. Tab. 5.2 Maximální přípustná indukovaná napětí v závislosti na době trvání zkratu [47] Doba trvání zkratu [s] do 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Mez nebezpečného napětí [V] 300 260 230 210 190 180 170 160

Za předpokladu doby trvání zkratu 0,5 s musí být indukovaná napětí v souběžných vedeních menší než 230 V. Výpočet indukce podle vzorců v ČSN 33 2160 [47] je nahrazován výpočtem v elektromagnetickém modelu v programu ATP-EMTP, který vystihuje mnohem přesněji situaci, protože počítá najednou celý komplex indukčních dějů v konkrétních uspořádáních.

67


6. Parametry a faktory ovlivňující proudové využití kabelu Při návrhu kabelové trasy je rozhodujícím parametrem požadovaný trvalý maximální proud přenosu, označuje se také jako ampacita kabelu. Průchodem proudu žilami kabelu dochází k přeměně části elektrické energie na teplo, které je nutno odvést do okolí, aniž by došlo k přehřátí kabelu. Velikost tepelných ztrát žíly určuje její průřez a materiál, tedy ohmický odpor na jednotku délky. Návrh začíná volbou průřezu a materiálu jádra kabelu. Přídavné tepelné ztráty mohou vznikat i průchodem indukovaného proudu pláštěm kabelu. Ztráty závisí na velikosti tohoto proudu a na průřezu vodiče pláště. Velikost proudu v plášti závisí na způsobu propojení plášťů a na symetrii nebo nesymetrii konfigurace žil kabelu. Tepelné ztráty v dielektriku jsou zanedbatelné. Dalšími faktory určujícími odvod tepla do okolí kabelu jsou: 

Přípustná maximální teplota kabelu (zpravidla 90°)



Hloubka uložení kabelu



Teplota země



Tepelný odpor země



Teplota vzduchu



Vzdálenost mezi žílami kabelu



Vzdálenost mezi skupinami kabelů - pokud jsou použity paralelní kabely

6.1 Způsob návrhu kabelu V tabulce 6.1 jsou přípustné velikosti trvalých proudů pro kabely ABB 110 až 500 kV pro řady průřezů kabelů s měděným jádrem. Přípustné trvalé proudy jsou uvedeny také v závislosti na dalších parametrech: max. teplotě, způsobu propojení plášťů, konfiguraci uspořádání a na okolnosti, zda je kabel uložen v zemi, nebo ve vzduchu. Z tabulky 6.1 se vybere průřez kabelu, který splňuje požadavky na trvalý proud pro uspořádání kabelů a propojení plášťů, které chceme realizovat. Tab. 6.1 Parametry kabelů s měděným jádrem (ABB) [45] Jmenovité napětí 110-500 kV měděný vodič, průřez stínění 95 mm2, pro průřezy větší než 1200 mm2 vodič dělen do sekcí Kabely v zemi Průřez Lineární uspořádání Trojúhelníkové uspořádání vodiče Vykřížení plášťů Uzemnění obou Vykřížení plášťů Uzemnění obou mm2 konců plášťů konců plášťů 65ºC 90ºC 65ºC 90ºC 65ºC 90ºC 65ºC 90ºC 300 530 640 440 535 505 610 480 580 400 600 720 485 595 575 690 540 650 500 685 825 530 650 655 785 600 730 68


Jmenovité napětí 110-500 kV měděný vodič, průřez stínění 95 mm2, pro průřezy větší než 1200 mm2 vodič dělen do sekcí Kabely v zemi Průřez Lineární uspořádání Trojúhelníkové uspořádání vodiče Vykřížení plášťů Uzemnění obou Vykřížení plášťů Uzemnění obou mm2 konců plášťů konců plášťů 65ºC 90ºC 65ºC 90ºC 65ºC 90ºC 65ºC 90ºC 630 780 940 570 705 740 890 660 810 800 870 1055 610 755 825 995 720 885 1000 960 1165 645 800 900 1095 770 950 1200 1115 1345 690 860 1060 1280 855 1055 1400 1205 1455 715 890 1145 1385 895 1110 1600 1280 1550 735 920 1215 1470 930 1155 2000 1410 1705 765 955 1320 1605 980 1220 2500 1540 1875 795 1000 1445 1755 1025 1285 3000 1640 1995 820 1025 1530 1865 1055 1330 Hodnotu proudu je nutné korigovat koeficienty respektujícími uložení a konfiguraci kabelů. Hodnoty koeficientů jsou v tabulkách 6.2–6.6 [45]. Tab. 6.2 Hloubka uložení kh Hloubka uložení [m] 0,5 0,7 0,9 1 1,2 1,5 1,8

Koeficient 1,1 1,05 1,01 1 0,98 0,95 0,92

Tab. 6.3 Teplota půdy kt Teplota vodiče [°C] 90 65

10 1,07 1,11

15 1,04 1,05

20 1 1

0,7 1,14

kR 1 1

Teplota země [°C] 25 30 0,96 0,93 0,94 0,88

35 0,89 0,82

40 0,84 0,74

45 0,8 0,66

2 0,74

2,5 0,67

3 0,61

Tab. 6.4 Tepelný odpor půdy Tepelný odpor země [Km/W] Koeficient

1,2 0,93

1,5 0,84

Tab. 6.5 Vzdálenost mezi fázemi Vzdálenost mezi fázemi S [mm] Poloměr kabelu – De [mm] ˂80 81-110 111-140

De

ku De + 70

0,93 0,93 0,93

1 1 1

69

250 300 Koeficient 1,05 1,07 1,04 1,06 1,03 1,06

350

400

1,08 1,08 1,09

1,09 1,09 1,11


Obr. 443 Vzdáleno ost mezi fázzemi Taab. 6.6 Vzdáálenost mezzi skupinam i kabelů ks Vzdálenosst mezi skupina ami cc [mm m] 100 200 400 600 800 2000 0

Počet skupin n 1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 1 1 1 1 1

0,67 0,81 0,85 0,88 0,9 0,96

0,67 0,71 0,77 0,81 0,84 0,93

0,59 0,65 0,72 0,77 0,81 0,92

0,55 0,61 0,69 0,74 0,79 0,91

0,51 0,58 0,66 0,72 0,77 0,91

0,499 0,566 0,644 0,711 0,766 0,911

0,47 0,53 0,63 0,7 0,75 0,9

0,46 0,52 0,62 0,69 0,75 0,9

Obr. 44 Vzd zdálenost meezi skupinam mi kabelů ∙

∙

∙

∙

(6.1)

m koeficien ntem (získaaným vynáásobením vššech koeficcientů) vyn násobíme Výsledným veelikost prouudu předem vybraného kabelu a zk kontrolujem me, zda vyhoovuje požad davkům. ∙

(6.2)

proud z tabulky celkovýý koeficientt Pro přetěžžování kabelů platí náslledující prav vidla: 

Zvětšenním teploty o 8-10 % sse sníží živo otnost kabelu o polovinnu



Při zvýýšení napětí o 8-10 % see sníží živo otnost kabelu u o polovinu nu

Zkkratové proudy Zkratové proudy mo ohou kabel krátkodoběě tepelně přřetěžovat ažž do teploty kolem 2550 °C. Při zkratu z se vy yvíjí teplo nnejen v žíle kabelu, ale také v pláššti (to platí zejména 70


pro nesymetrické zkraty). To je třeba mít na zřeteli při volbě průřezu a materiálu stínění. Zkratový proud je limitovaný velikostí zkratového proudu a dobou trvání tohoto proudu. V případě neúspěšného OZ je třeba oba časy sčítat. Limity pro zkrat trvající 1 s jsou v tabulce 6.7. Pro časy delší (nebo kratší) se hodnota z tabulky 6.7 přepočítává podle vzorce (6.3): (6.3)

√ Ip

přepočtená hodnota

It

hodnota z tabulky

t

doba trvání

Tab. 6.7 Povolená velikost zkratového proudu po době 1s (I1s) pro teplotu kabelu před zkratem [45] Průřez vodiče 2 [mm ] 25 35 50 70 95 120 150 185 240 300 400 500 630 800 1000 1200 1400 1600 2000 na jeden mm2

Hliník 65°C 2,6 3,6 5,2 7,2 9,8 12,4 15,5 19,2 24,8 31,3 41,4 51,8 65,2 82,8 104 124 145 166 207 0,104

Měď 90°C 2,4 3,3 4,7 6,6 9 11,3 14,2 17,5 22,7 28,3 37,8 47,2 59,5 75,6 94,5 113 132 151 189 0,0945

65°C 3,9 5,5 7,8 11 14,9 18,8 23,5 29 37,6 47 62,7 78,4 98,7 125 157 188 219 251 313 0,157

90°C 3,6 5 7,2 10 13,6 17,2 21,5 26,5 34,5 42,9 57,2 71,5 90,1 114 143 172 200 229 286 0,143

V tabulce 6.8 jsou max. povolené zkratové proudy v pláštích v závislosti na jeho průřezu. Tab. 6.8 Maximální zkratový proud v plášti kabelu po dobu 1s v [kA] [45] Průřez pláště [mm2] Měď Olověný plášť 16 94 25 147 35 206 50 295 95 560 150 884 300 1768 na 1 mm2 Cu na 1 mm2 Pb

71

Teplota pláště před zkratem 50°C 70°C 2,6 2,4 4,1 3,8 5,8 5,4 8,3 7,7 16 15 25 23 50 46 0,165 0,153 0,028 0,026


7. Celkové uspořádání kabelového úseku - dělení na sekce 7.1 Kritéria pro volbu délky sekcí kabelu Kabely se dodávají na bubnech v délkách řádově stovek metrů a tyto délky je nutné při budování kabelové trasy spojkovat. Aby bylo účinné překřížení plášťů (crossbonding) pro snížení proudů v pláštích, je potřeba rozdělit celkovou délku kabelu na takový počet úseků, aby byl dělitelný třemi. Např. celkovou délku kabelové trasy 3900 m je možno rozdělit na šest úseků o délce 650 m. Tímto způsobem by mohla být určena délka kabelu na jednom bubnu, pokud vyhoví všechna ostatní neelektrická kritéria. Při volbě délky úseků je nutno kontrolovat napěťové a proudové poměry na pláštích. Hlavními parametry, které je nutno udržet v mezích tak, aby nedošlo k poškození kabelu, jsou:  

Přepětí mezi pláštěm kabelu a zemí v celé trase Proud pláště

Izolace pláště je dimenzována na výdržnou hodnotu 50 až 100 kV a tato hodnota by neměla být překročena v celé délce kabelu. Proudová zatížitelnost pláště je přibližně 10krát až 20krát menší než zatížitelnost žíly, takže přípustný trvalý proud pláštěm je pouze zlomkem proudu žíly. Překročení proudu pláště se sleduje při:   

Maximálním trvalém zatížení Zkratu Atmosférickém přepětí

Tzn. tři různé limitní hodnoty - s ohledem k různé době jejich trvání. Překročení napětí pláště proti zemi se sleduje:   

Při trvalém max. zatížení Při zkratu Při atmosférickém přepětí na vedení

7.2 Způsoby propojování plášťů kabelů, jejich uzemňování a ochrana svodiči přepětí Existují tři základní konfigurace plášťů: a) Pláště jsou uzemněny na obou koncích - obr. 45 V tom případě se v pláštích indukují proudy srovnatelné velikosti jako proudy žil a kabel lze využít pouze na zhruba poloviční proudovou zatížitelnost. I když je toto zapojení nejlepší z hlediska přepětí mezi pláštěm a zemí, lze napětí udržet v mezích pouze v případě, že odpor uzemnění na obou koncích má hodnotu zlomku Ω, což je typický stav pro kabel vedený v rozvodně. U vloženého kabelu s odporem uzemnění 72


přřechodů veedení do kabelu nap apř. 5 Ω není zaručeno udržeení přepětí pláště v požadovanýých mezích h. Vzhledem m k této sk kutečnosti a vysokým proudům plášťů p se tooto zapojeníí nedoporučuje ani pro krátké úsek ky vložených kabelů.

Obr. 45 4 Pláště prropojeny a uzemněny u na n obou konncích b) Pláště jsou j na jed dnom koncii uzemněnéé a na druhéém konci vvzájemně ro ozpojené a neuzemněnné - tzv. jedn nobodové ppřipojení pláášťů. V tomto zapojení z sicce plášti neeteče žádný ý proud, alee na plášti kabelu vzn nikají při pustné hodnoty přepětí.. To se řeší instalací zkkratech a přři atmosféricckých přepěětích nepříp svvodičů přeppětí- použív vá se zkratkka SVL - Surge S Volta age Limiters rs - mezi ro ozpojené koonce pláště a uzemněn ní (svodiče zapojené do d hvězdy s uzemněnným středem m). Toto zaapojení lze realizovatt pouze u kabelů kratších déleek (do 5000 m), u niichž lze diimenzovat svodiče s tak,, aby vydržeely trvalé maximální m naapětí při plnném zatížen ní kabelu a přepětí při zkratech a zároveň om mezovaly attmosférickáá přepětí na přípustnou u úroveň. h nízká hodnota oddporu uzem mnění na Jeeště větší rooli než v přředešlém přřípadě zde hraje obbou koncíchh kabelu. Pro P poněkuud delší kabely lze po oužít jednoobodové sym metrické přřipojení z obbrázku 47. Na obou kooncích kabeelu jsou plášště rozpojenny a uzemněny přes SV VL, připojoovací bod pllášťů kabeluu je uprostřeed trasy kab belu.

Obr. 46 Jednobodov J vé připojeníí plášťů k zeemi - nesym metrické

Obr. 47 7 Jednobodoové připojen ní plášťů k zemi z - symeetrické c) Kabel je rozdělen na počet sttejně dlouhý ých úseků pokud p možnno dělitelný ých třemi a pláště jsouu mezi úsek ky transponnovány nebo oli vykřížen ny, viz obrr. 48. Toto opatření zppůsobuje, žee i když jso ou pláště kaabelu na ob bou koncích h přímo uzeemněny, tečou jimi řáádově nižší proudy p než žílami, danné nesymetrrií uspořádáání kabelů v řadě (u usp pořádání doo trojúhelnííka by se vynulovalyy zcela). V místech překřížení p sse instalují vhodně diimenzovanéé svodiče zapojené ddo hvězdy s uzemněěným středdem, které snižují

73


attmosférické přepětí pláášťů proti zeemi. Toto uspořádání u se s používá u delších vlložených kaabelů s plnoou proudovo ou zatížitelnností.

Ob br. 48 Pláštěě po úsecích h přerušenyy a vykříženyy U všech uspořádání u se s pro snížeení přepětí plášťů p protii zemi a sníížení proud dů plášťů přři zkratech používá so ouběžné veedení zemn nících pásků ů nebo kabbelů v zem mi, které zaajišťují konttinuitu zemn nících lan vvedení (v zaahraniční litteratuře se ppoužívá názzev earth coontinuing conductors) c a slouží k vyrovnán ní potenciáálu plášťů a okolní země z při im mpulsních dějích. d Na obrázku o 49 je znázorněěno zemní souběžné vvedení u usp pořádání s jjednobodovvým připojeením. U kabbelů s vykřřížením pláššťů (na obrr. 50) se v kobkách přřekřížení pllášťů zemn ní souběžnéé vedení přřipojuje na střed SVL L, který je zároveň přřipojen na uzemnění u ko obky.

Obr. 49 Jednobod dové připojeení plášťů k zemi nesym metrické se zzemnícími pásky p

O 50 Plá Obr. áště po úseccích přerušeeny a vykřížeeny se zemnními pásky

7..3 Způsoob chráněění vedeníí s vloženými kabeely při OZ Z Průřez žil kabelů a průřezy pláššťů kabelů musí m být dim menzoványy tak, aby přři zkratu kddekoliv na vedení včeetně možnéhho zkratu v kabelu needošlo k přřekročení jm menovité m maximální teeploty izolaace kabelu, která je ty ypicky u XL LPE kabelůů 250°C. Kontrolní K výýpočty zkraatových pro oudů je nutnno provést pro zvolený typ kabellu a jeho konkrétní k zaapojení - včlenění v do trasy veddení, včetněě geometriee uložení a včetně zv voleného 74


způsobu propojení a uzemnění plášťů (oboustranné, jednobodové, cross-bonding) a pro případné použití zemních vodičů (materiál, průřez a tvar). U kombinovaných vedení, kde se plánuje použití OZ, musí být kabel dimenzován na opakovaný průchod zkratového proudu při neúspěšném OZ pro všechny varianty místa výskytu zkratu na vedení. Doporučuje se dimenzovat průřezy vodičů na zkratové proudy po dobu trvání do vybavení záložní ochrany 1 s. Zkraty v kabelu jsou téměř vždy permanentní, a proto se OZ nepoužívá v čistě kabelových sítích. U kombinovaných vedení je zájem OZ zachovat a je otázkou, zda distanční ochrana je schopna z rozvodny rozlišit zkrat v kabelu od zkratu na vedení. Podle všech dostupných údajů obecně vzato toto možné není. Podle některých informací existují sofistikovaná monitorovací zařízení, která jsou schopna toto rozlišit formou off-line automatické analýzy, ale doba vyhodnocení je řádově vyšší než požadovaná rychlost působení ochran. Různé energetické společnosti řeší problematiku OZ kombinovaných vedení různě:   



OZ hybridních vedení neprovádějí. Aplikace OZ se posuzuje u každého vedení individuálně - v závislosti na jeho parametrech. Instalují selektivní doplňkovou ochranu kabelových úseků vyžadující PTP na přechodech vedení do kabelu, napájení nn a komunikaci mezi těmito místy a rozvodnami. Výhodou je velmi přesné rozlišení zkratu na vedení (OZ ano) a v kabelu (OZ ne). OZ se provádí s předpokladem, že průraz kabelu je vysoce nepravděpodobná událost vzhledem ke zkušenosti s velkou spolehlivostí kabelů ve srovnání s jinými zařízeními vvn. Doplňkovým opatřením je zabránění poškození zdravých fází kabelu při zkratu a OZ v sousední žíle. Toho se docílí vhodným uspořádáním a konstrukcí kabelové trasy včetně šachet - tzn. např. uložení do země, uspořádání fází vedle sebe v dostatečné vzdálenosti, bariérové uspořádání ve spojkovacích komorách.

Pro potenciální aplikace vedení 400 kV s vloženými kabelovými úseky v rámci PS ČR je počítáno s poslední výše uvedenou variantou.

7.4 Zatížitelnost vedení s vloženým kabelem U kombinovaných vedení je nutné vzít při navrhování v úvahu rozdílné zatěžovací charakteristiky venkovní a podzemní části. Pokud se u obou částí zvolí stejné jmenovité zatížení, budou se charakteristiky lišit takto. Venkovní vedení je přetížitelné pouze krátkodobě a maximální doba přetížení se počítá v řádu minut též v závislosti na teplotě okolí, rychlosti a směru větru, slunečním svitu, absorpčně-emisním koeficientu fázových vodičů a na srážkách. Teplo se vytváří rezistivními ztrátami na elektrickém odporu fázových vodičů, ztráty korónou k ohřevu vodičů nepřispívají, proto se nepočítají. Okamžitá přetížitelnost je také závislá na 75


momentální velikosti zatížení vedení. Pokud je vedení nezatížené, existuje rezerva pro následující přetížení. V kabelech vznikají rezistivní ztráty ve fázových vodičích a v pláštích a dielektrické ztráty v izolaci. Všechny tyto tři druhy ztrát přispívají k ohřevu kabelů, teplo musí být odváděno tak, aby nebyla překročena maximální provozní teplota vodičů (u XLPE kabelů je 90°C) a nedošlo k nevratnému poškození kabelů. Okolní prostředí, do něhož je kabel uložen, není uniformní a může podél trasy měnit své vlastnosti. Dokonce i v půdách s dobře definovanými vlastnostmi se tepelný odpor podél trasy mění v závislosti na proměnlivé vlhkosti půdy. Používají se speciální materiály pro zásyp kabelového lože, jejichž tepelně vodivostní vlastnosti a tepelná kapacita jsou dobře známy. Kabely mají odlišnou odezvu na krátkodobé zatížení než venkovní vedení. Zatímco vedení dosáhne ustálené teploty během několika minut, u kabelů to může být doba v rozsahu od několika minut až po několik týdnů v závislosti na velikosti změny proudu, na průřezu kabelu, na tepelné historii kabelu a na způsobu uložení. Tepelné výpočty při zatěžování kabelů jsou obsahem normy IEC 60287. Vzhledem k uvedeným skutečnostem, riziku možné degradace kabelu při přetížení a požadavku na vysokou spolehlivost, se stále častěji uplatňuje kontinuální monitorování teploty kabelu v celé jeho délce pomocí technologie měření optickým vláknem, které je součástí pláště kabelu, nebo měřícími optickými kabely, které jsou uloženy v těsném souběhu s kabelem. V případě více kabelových systémů v souběhu může teplo produkované jedním systémem ovlivňovat zatížitelnost druhého systému. Způsob zapojení plášťů ovlivňuje zatížitelnost kabelů. Uzemnění plášťů kabelů na obou stranách vlivem přídavného tepla od indukovaných proudů v pláštích snižuje proudovou zatížitelnost o 10 až 25 %. Důležitá je volba materiálu pláště a jeho dimenzování. U kabelů s vysokou zatížitelností je možné použít nucené chlazení, např. ventilátory v kabelových tunelech nebo kolektorech nebo chladicí vodní potrubí položené do země souběžně s kabely.

7.5 Objekty pro transfiguraci kabelů mezi sekcemi (transpozice, vykřížení, uzemnění a ochrana) V závislosti na poloze kabelů v daném místě se jedná o podzemní, částečně podzemní nebo nadzemní objekt. Při přípravě kombinovaného vedení s delším vloženým kabelem se doporučuje vyprojektovat objekt tak, aby byl využitelný variantně pro:   

Vykřížení plášťů Transpozice žil a vykřížení plášťů Uzemnění plášťů a jejich rozpojení

76


Objekt by měl mít zděný skelet (nutno zvážit použití železobetonu vzhledem k indukovaným proudům). Do objektu musí být možný přístup pracovníků údržby a kontroly. Přitom musí být instalována fyzická zábrana proti náhodnému dotyku živých částí, za něž se považují vodivé části připojené k plášťům kabelů a pláště samotné a také SVL. Na těchto částech se připouští výskyt napětí:   

trvale - 60 až 400 V 50 Hz proti zemi při zkratu - jednotky kV - proti zemi transientní (atmosférické přepětí) o 20 až 60 kV proti zemi o 45 až 110 kV podélně mezi plášti

Po odstranění zábran musí být zajištěn snadný přístup ke všem elektrickým spojům, propojení plášťů, připojení SVL, diagnostickým zařízením a optickým kabelům. Žíly kabelu by měly být odděleny masivními bariérami bránícími poškození zdravé žíly při poruše sousední žíly. SVL by měly být v odděleném prostoru mimo žíly kabelu (často se instalují ve zvláštní skříni), aby v případě jejich destrukce, která je empiricky mnohem častější než destrukce kabelu, nedošlo k poškození žil kabelu. Zároveň je nutné, aby propoje překřížení mezi plášti kabelu a SVL byly co nejkratší pro zajištění jejich minimální indukčnosti - neměly by být delší než 5 m. Pro snížení indukčnosti se používají i koaxiální kabely. Průřezy propojovacích kabelů se určí na základě výpočtu zkratových proudů. Vzhledem ke složitější konfiguraci lze v okolí objektu předpokládat riziko vyšších hodnot magnetického pole. To je nutné ověřit pomocí výpočtů na modelech v 3D prostoru. V případě překročení limitů je nutno použít vhodná stínící opatření (stínící smyčky, feromagnetická a vodivá stínění).

7.6 Návrh celkového uspořádání vloženého kabelového úseku Při použití dvou paralelních kabelových sad by měla být dostačující přepěťová ochrana každé fáze obou sad jedním omezovačem přepětí, tzn. na obě sady kabelů jedna sada omezovačů. Přechod vedení do dvou sad kabelů je topologicky náročnější než přechod do jednoho kabelu. Navíc by měla být splněna podmínka oddělitelnosti libovolné sady se zachováním provozu druhé sady včetně připojení přepěťové ochrany. Navrhované uspořádání je patrné z obrázku 51, kde je půdorysné uspořádání průchodek (po krajích), kabelů (silnější čáry), svodičů přepětí (uprostřed) a klesaček (tenčí čáry) spuštěných z portálu, který je nad omezovači přepětí. Křížení kabelů je v patrech nad sebou s bariérou mezi nimi. Toto uspořádání je při splnění podmínky rozpojitelnosti libovolné sady kabelů zřejmě nejméně prostorově náročné. Přechod vedení do kabelu tvoří pozemní vvn zařízení bez přístupu veřejnosti (oplocení) s možností pohybu pracovníků kontroly a údržby - stejně jako na rozvodně.

77


Prroto limit prro maximální hodnoty hustoty ind dukovaného proudu je ppětkrát vyššší než ve veeřejně přístuupných prosstorech.

O 51 Půd Obr. dorys uspořřádání přechodu vedení do dvojitéého kabelu Aby se doocílilo požadovaného nnízkého odp poru uzemnění a efektiivního posp pojování, obbjekt se vybbaví mřížov vou zemnícíí sítí vybudo ovanou v so ouladu s přííslušnou tecchnickou noormou ČEPS. Odpor zem mnící sítě by b měl být menší než 1Ω. K zem mnící síti jsoou připojeny y portál, om mezovače přepětí p a plááště kabelů bbuď přímo, nebo přes SVL podle zvoleného zapojení pllášťů. Silovvé propojení je z vedeení na kotev vní závěsy portálu, dálle na dvojssvazkové kllesačky na omezovače o přepětí, z oomezovačů trubky t na kaabelové konncovky.

78


8. Provozní podmínky vedení s vloženým kabelem 8.1 Profylaktika kabelů Profylaktika kabelů je možná v tom smyslu, že kabel lze odpojit od vedení i druhého kabelu a lze k němu připojit zkušební zařízení. Zároveň lze rozpojovat propojení plášťů podél kabelu a využít rozdělené pláště např. pro snímání při detekci částečných výbojů.

8.2 Podmínky pro zatěžování vedení s vloženým kabelem Venkovní vedení je přetížitelné pouze krátkodobě a max. doba přetížení se počítá na minuty, v závislosti na teplotě okolí, rychlosti a směru větru, slunečním svitu, absorpčně-emisním koeficientu fázových vodičů a na srážkách. Teplo se vytváří rezistivními ztrátami na elektrickém odporu fázových vodičů, ztráty korónou k ohřevu vodičů nepřispívají, takže se nepočítají. Okamžitá přetížitelnost je též závislá na momentálním stavu zatížení, v případě nízkého zatížení existuje rezerva pro následující přetížení. Kabely mají rezistivní ztráty ve fázových vodičích a v pláštích a dielektrické ztráty v izolaci, všechny tyto tři druhy ztrát přispívají k ohřevu kabelů, teplo musí být odváděno tak, aby nebyla překročena max. provozní teplota vodičů (u XLPE kabelů 90°C) a nedošlo k nevratnému poškození kabelů. Okolní prostředí, do něhož je kabel uložen, není uniformní a může podél trasy měnit vlastnosti. Dokonce i v půdách s dobře definovanými vlastnostmi se tepelný odpor podél trasy může měnit v závislosti na proměnlivé vlhkosti půdy. Používají se speciální materiály pro zasypání příkopu trasy kabelu, jejichž tepelně vodivostní vlastnosti a tepelná kapacita jsou dobře známy, ale v okolí příkopu se vyskytují různé přírodní materiály mnohdy s vysokou rezistivitou. Kabely mají zcela jinou odezvu na krátkodobé zatížení než venkovní vedení. Zatímco vedení dosáhne ustáleného stavu teploty během několika minut, u kabelů to může být doba v rozsahu od několika minut až po několik týdnů v závislosti na velikosti změny proudu, na velikosti kabelu, na tepelné historii kabelu a na způsobu uložení. Dlouhé časové konstanty ustálení teplotního spádu u kabelu znamenají, že využití dimenzování kabelu záleží mnohem více na tzv. faktoru denního zatížení než u vedení (faktor je poměrem průměrného denního zatížení k maximálnímu). Zatímco vedení musí být dimenzováno více méně na špičkový výkon. U kabelu lze zohlednit faktor denního vytížení a tam, kde je tento faktor nízký, lze kabel poddimenzovat. Protože ale výpočty jsou poměrně složité, poddimenzování kabelu se nedoporučuje. Tepelné výpočty při zatěžování kabelů jsou obsahem normy IEC 60287. Vzhledem k uvedeným skutečnostem, riziku možné degradace kabelu při přetížení a požadavku na vysokou spolehlivost se stále častěji uplatňuje kontinuální monitorování teploty kabelu v celé jeho délce pomocí technologie měření optickým vláknem, měřicí optické kabely jsou uloženy v těsném souběhu s kabely.

79


V případě více kabelových systémů v souběhu může teplo produkované jedním systémem ovlivňovat zatížitelnost druhého systému. Způsob zapojení plášťů ovlivňuje zatížitelnost kabelů. Uzemnění plášťů kabelů na obou stranách vlivem přídavného tepla od indukovaných proudů v pláštích snižuje proudovou zatížitelnost o 10 až 25 %. Důležitá je volba materiálu pláště a jeho dimenzování. U kabelů s velmi velkou ampacitou se někdy používá nucené chlazení, např. ventilátory v kabelových tunelech nebo chladicí vodní potrubí položené do země souběžně s kabely.

8.3 Monitorování vloženého kabelu během provozu S nárůstem požadavků na přenášený výkon se objevují systémy pro monitorování částečných výbojů u kabelů XLPE a monitorování teploty pláště kabelu. Monitorování výbojů je velmi náročné, protože počínající výboje, které již jsou velmi nebezpečné a mohou znamenat brzký průraz, jsou velmi slabé (jednotky až desítky pC) a je prakticky nemožné je indikovat v prostředí silného rušení z venkovního vedení. Zatímco monitorování výbojů bude mít zatím těžko širší využití, monitorování teploty kabelu má velkou budoucnost. Nejjednodušší je použití jednotlivých senzorů umístěných na vhodně zvolených místech povrchu pláště. Mnohem dokonalejší je systém DTS - distributed temperature sensing, systém, kde se pomocí optického kabelu monitoruje trvale teplotní profil podél kabelové trasy. Princip metody je ten, že systém využívá ztráty v optických vláknech pro měření. Světlo přenášené vláknem se odráží v závislosti na teplotě. U multimodálních vláken lze změřením a vyhodnocením odrazů provádět měření teploty v trase dlouhé až 12 km s přesností 1°C a prostorovým rozlišením 1 až 2 m. Jednomodální vlákna jsou schopna měřit teplotu v trase dlouhé 15 až 30 km s nižší přesností 2°C a prostorovým rozlišením 10 m. O monitorování teploty je vhodné uvažovat tam, kde se předpokládá nárůst zatížení vedení s kabelovým úsekem na jmenovité hodnoty.

80


9. Zkratové poměry na kabelovém vedení a ochrana kombinovaných vedení 9.1 Kapitola utajena

Obsah utajen

81


Tab. 9.1 Obsah utajen 82


Obsah utajen

83


Obsah utajen

9.2 Chránění vedení s kabely 400 kV Návrh systému chránění kombinovaného vedení (vedení - kabel) můžeme popsat ze dvou pohledů: 

První varianta je, že kombinované vedení budeme brát jako celek.



Druhá varianta rozdělí kombinované vedení - venkovní vedení a kabel - na dvě elektrická zařízení s vlastním systémem chránění.

U obou variant se může stát, že se kabelové úseky budou i několikrát opakovat. Z toho plynou větší nároky na systém chránění, vyšší pořizovací cena atd. 9.2.1

Varianta I. – kombinované vedení chráněno jako celek

9.2.1.1 Popis silové části Přechod venkovního vedení na kabel bude proveden klesačkou ze stožáru na kabelovou koncovku, ve které bude ukončeno kabelové vedení přivedené ze země kabelovou chráničkou. Místo přechodu venkovní vedení - kabel bude vybaveno svodiči přepětí. 9.2.1.2 Popis systému ochran Systém ochran bude umístěn v domku sekundární techniky daného pole rozvodny na obou koncích vedení. Systém ochran bude vybaven 1. a 2. distanční ochranou se směrovou zemní ochranou, integrovanou vnitřní funkcí OZ a lokátorem poruch. Při působení OZ budou vzájemně blokovat OZ ve druhé ochraně. Soubor ochran bude dále vybaven samostatným zapisovačem poruch. Obě distanční ochrany budou spolupracovat s protější stranou pro potřeby distančního strhávání. Součástí ochran odbočky bude i rozdílová ochrana přípojnic a automatika selhání vypínače. 9.2.1.3 Komunikace systému elektrických ochran s ŘS Ochrany v rozvodnách budou připojeny do řídicího systému a komunikovat s ním budou sériově (protokolem IEC 870-5-103 přes optickou síť) nebo paralelně. Zapisovače poruch budou zapojeny do koncentrátoru dat zapisovačů a budou s tímto koncentrátorem komunikovat.

84


9.2.1.4 Kabeláž Kabely z PTP, PTN, z cívek vypínače, kabely do ŘS, kabely do komunikační místnosti budou provedeny stíněnými kabely (dle vydaných ”Požadavků na rozvaděče el. ochran”) a budou vedeny kabelovými kanály do příslušného domku sekundární techniky v rozvodnách na obou koncích vedení. 9.2.1.5 Napájení Napájení ochran bude provedeno z VS napětím 220 V DC ve dvou nezávislých okruzích pro I. a II. ochrany. Jištění všech obvodů ochran bude v rozvaděči VS domku v rozvodnách na obou koncích vedení. 9.2.1.6 Časová synchronizace Časová synchronizace ochran bude provedena ze zařízení GPS umístěného na domku sekundární techniky v poli. Ochrany budou synchronizovány minutovými pulsy, protokolem IRIG-B nebo sériově z ŘS. Zapisovače poruch budou synchronizovány sériově z datového koncentrátoru. Koncentrátor dat bude synchronizován vloženou GPS kartou. 9.2.1.7 Kabelové spojky Předpokládá se, že budou použity motané spojky, které z hlediska provozu mají nízké nároky na údržbu a monitoring. Pokud by se zvolila varianta se spojkami s plynem SF6, nastaly by problémy s jeho hlídáním a přenosem stavu tlaků SF6 do ŘS na rozvodny. S tím by byla spojena i zvýšená pořizovací cena způsobena vybudováním místa pro sběr dat od čidel z každé spojky poblíž kabelové trasy (domečky, zajištěné napájení, přenosová cesta na rozvodnu pro signalizaci poklesu tlaku SF6 - buď rezervní vlákno v kabelu, nebo přidružení k ochranám do pomalejšího přenosového kanálu první pokles pouze signalizace, druhý pokles signalizace a vypnutí atd.). 9.2.1.8 Optická spojovací trasa V místě přechodu z vedení na kabel bude nutné v přepojovací skříni napojit optický kabel na původní optickou spojovací trasu v zemnícím laně a položit nový optický kabel podél trasy silového kabelu. 9.2.1.9 Problematika OZ V této variantě je složitější lokalizace poruchy, protože vložené kabelové úseky nejsou na svých koncích vybaveny PTP, proto ochrany umístěné na koncích vedení v rozvodnách nemohou rychle a přesně vyhodnotit, zda došlo k poruše na kabelu, nebo na vedení. Pokud bychom chtěli OZ použít, muselo by se eliminovat šíření poruchy od poškozené fáze na sousední vhodným způsobem uložení - vedle sebe v dostačující přeskokové vzdálenosti. Požadavek provozovatele PS na zachování možnosti použití OZ i na vedeních s vloženými kabelovými úseky byl důvodem pro volbu uspořádání kabelů vedle sebe s rozestupy 0,5 m. 85


9.2.2

Varianta II. – samostatné chránění kabelu

9.2.2.1 Popis silové části Přechod venkovního vedení na kabel bude proveden klesačkou ze stožáru na kabelovou koncovku, ve které bude ukončeno kabelové vedení přivedené ze země kabelovou chráničku. Místo přechodu venkovní vedení – kabel bude vybaveno svodiči přepětí a přístrojovým transformátorem proudu s SF6 (hlídání úniku SF6). 9.2.2.2 Popis systému ochran Systém ochran můžeme rozdělit na dva systémy dle umístění. První systém ochran bude umístěn v domku sekundární techniky daného pole rozvodny na koncích vedení a bude sloužit k chránění celého kombinovaného vedení. Druhý systém ochran určený pro chránění kabelového úseku bude umístěn v domku sekundární techniky postaveném v blízkosti přechodných míst kabel - vedení. První systém ochran bude vybaven 1. a 2. distanční ochranou se směrovou zemní ochranou, integrovanou vnitřní funkcí OZ a lokátorem poruch. Při působení OZ budou vzájemně blokovat OZ ve druhé ochraně. Soubor ochran bude dále vybaven samostatným zapisovačem poruch. Tento systém bude zároveň sloužit jako záloha pro ochrany kabelového úseku. Obě distanční ochrany budou spolupracovat s protější stranou pro potřeby distančního strhávání. Součástí ochran odbočky bude i rozdílová ochrana přípojnic a automatika selhání vypínače na rozvodně R420 kV. Pro kabelový úsek bude systém ochran osazen srovnávací (rozdílovou) ochranou se spojovací optickou cestou, která při poruše na kabelu nejdříve vypne a poté zablokuje OZ na obou koncích kombinovaného vedení. 9.2.2.3 Komunikace systému elektrických ochran s ŘS Ochrany v rozvodnách budou připojeny do řídicího systému a komunikovat s ním budou sériově (protokolem IEC 870-5-103 přes optickou síť) nebo paralelně. Zapisovače poruch budou zapojeny do koncentrátoru dat zapisovačů a budou s tímto koncentrátorem komunikovat. Komunikace mezi srovnávacími ochranami v trase kabelového vedení bude provedena optickou spojovací cestou (větší spolehlivost, rychlost). 9.2.2.4 Kabeláž Kabely z PTP, PTN, z cívek vypínače, kabely do ŘS, kabely do komunikační místnosti budou provedeny stíněnými kabely (dle vydaných ”Požadavků na rozvaděče elektrických ochran”) a budou vedeny kabelovými kanály do příslušného domku sekundární techniky.

86


9.2.2.5 Napájení  Napájení domku v rozvodně - napájení ochran bude provedeno z VS napětím 220 V DC ve dvou nezávislých okruzích pro I. a II. ochrany. Jištění všech obvodů ochran bude v rozvaděči VS domku. 

Napájení domku v místě přechodu kabel-vedení



Napájení ochran bude provedeno z pomocného zdroje napětím 220 V DC ve dvou nezávislých okruzích pro I. a II. ochrany. Možnosti pro realizaci napájení jsou následující: o Diesel-generátor o Baterie + zdroj o Přivedení napájení (např. z blízké trafostanice vn/0.4kV) o Solární panel

9.2.2.6 Časová synchronizace Časová synchronizace ochran bude provedena ze zařízení GPS umístěného na domku sekundární techniky v rozvodně i na domku u přechodného místa kabel-vedení. Ochrany budou synchronizovány minutovými pulsy, protokolem IRIG-B nebo sériově z ŘS. Zapisovače poruch budou synchronizovány sériově z datového koncentrátoru. Koncentrátor dat bude synchronizován vloženou GPS kartou. 9.2.2.7 Kabelové spojky Stejné jako ve variantě I. 9.2.2.8 Optická spojovací trasa V místě přechodu z vedení na kabel bude nutné v přepojovací skříni napojit optický kabel na původní optickou spojovací trasu v zemnícím laně a položit nový optický kabel podél trasy silového kabelu. 9.2.2.9 Problematika OZ V této variantě je snadnější lokalizace poruchy, protože vložené kabelové úseky jsou na svých koncích vybaveny PTP a jsou osazeny vlastním systémem chránění, který je schopen rychle a přesně určit, zda je porucha na kabelu, či ne. Z toho vyplývá, že pokud bude porucha na vedení, může OZ proběhnout. Pokud nastane porucha na kabelu, je zapotřebí vedení vypnout a zablokovat OZ na obou koncích vedení. Šíření poruchy na kabelu od poškozené fáze na sousední lze eliminovat vhodným způsobem uložení (vedle sebe v dostačující přeskokové vzdálenosti). 9.2.3

Ochrany

Z hlediska ochran bylo přistupováno ke kombinovanému vedení jako ke klasickému venkovnímu vedení se standardním systémem chránění a byly popsány odlišnosti a úskalí spojená s vloženým kabelovým vedením.

87


Vypočítané hodnoty impedancí v předchozích kapitolách naznačily, že z pohledu nastavení ochran by neměl nastat problém, protože vypočtené impedance vedení a kabelu dosahují podobných hodnot. Zanedbatelný vliv má i proudová nesymetrie způsobená netransponovaným kabelovým vedením, protože vložené kabelové úseky tvoří jenom menší část z celkové délky vedení. V případě, že by kabelový úsek v kombinovaném vedení dosahoval délky, která by vůči venkovnímu vedení nebyla zanedbatelná, bude třeba při nastavování parametrů elektrických ochran zvážit vliv vloženého kabelového úseku na celkovou impedanci kombinovaného vedení. Vzhledem k tomu, že sousledná impedance kabelu je cca 3 krát menší než impedance venkovního vedení, bude vliv kabelového úseku na celkovou impedanci kombinovaného vedení významnější při prodlužování kabelu. V tomto případě bude třeba při nastavování impedančních parametrů v elektrických ochranách tuto skutečnost zohlednit, aby bylo dosaženo správné funkce systému elektrických ochran včetně funkce lokátoru poruch. Při podstatných délkách kabelového úseku se může uplatnit i podstatně vyšší kapacita kabelového úseku, která by mohla ovlivnit přesnost lokalizace poruchy, případně i nastavení impedančních parametrů elektrických ochran. Velkým problémem bude rychlá lokalizace místa poruchy a s ním spojená otázka vhodnosti použití funkce opětného zapnutí. Vzhledem k normě ČSN 33 3051 “Ochrany elektrických strojů a rozvodných zařízení“, která povoluje provozování automatiky opětného zapnutí u kombinovaných vedení (venkovní vedení-kabel) pouze tam, kde kabel tvoří velmi krátký úsek nacházející se jako celek na území elektrické stanice (např. vývody z transformátorů, reaktorů, zapouzdřených rozvoden apod.). Z toho vyplývá, že provozování OZ na výše uvedených vedeních je v rozporu s touto normou. Jelikož provozovatel přenosové soustavy ČEPS a. s. má v kodexu přenosové soustavy předepsáno, že na svých přenosových vedeních 400kV musí provozovat OZ, lze řešit tento problém např. výjimkou těchto pravidel, popřípadě úpravou normy. Když porovnáme obě navrhované varianty chránění, druhá varianta, kde je samostatně chráněný kabel, vyhovuje z hlediska bezpečnosti a spolehlivosti provozu více (pokud dodržíme blokování OZ při působení srovnávací ochrany kabelu, neměl by s použitím OZ nastat žádný problém). První varianta řeší problematiku chránění mnohem jednodušeji s horší lokalizací poruchy, ale na druhou stranu levněji a s menšími stavebními nároky. Kritérium pro použití OZ na kombinovaném vedení vychází ze škod způsobených opětným zapnutím kombinovaného vedení, které má poruchu v kabelovém úseku. Je třeba posoudit, zda opakované zapnutí na kabelu s izolační poruchou způsobí větší škody, než když bude kabel vypnut při první indikaci poruchy.

88


10. Výpočet magnetických polí nad dvojitým kabelovým vedením 10.1 Použité zapojení kabelů Všechny výpočty jsou prováděny pro případ, že je na kabelu proveden symetrický cross-bonding, tzn., že pláště kabelů jsou cyklicky vykříženy po stejně dlouhých úsecích kabelu. Znamená to, že při provozním proudu, i maximálním, tečou plášti kabelů proudy v řádu jednotek, maximálně dvou až tří desítek Ampér. Magnetické pole žil je v tom případě nestíněné a dosahuje vyšších hodnot než v případě uzemněných plášťů na koncích kabelů bez cross-bondingu, kdy plášti teče indukovaný proud cca 40% proudu žil, takže redukční činitel stínění je 0,6. Také z hlediska aplikace zemnících lan jsou výpočty provedeny pro nejhorší případ, kdy zemnící lana nejsou vůbec použita. Pokud jsou zemnící lana použita, teče jimi indukovaný proud s podobným účinkem jako u indukovaných proudů plášti. To má význam právě u zapojení kabelů s cross-bondingem, kde zemnící lana přebírají částečně stínící funkci plášťů, která je potlačena symetrizací proudů plášti. Použití zemnících lan se proto velmi doporučuje, přesněji řečeno je nutné ze tří důvodů:   

Zemnící lana snižují magnetické pole v okolí kabelů (s činitelem cca 0,9 až 0,7 podle jejich umístění vůči kabelům). Snižují induktivní vlivy na souběžná nebo křižující sdělovací a jiná vedení Snižují zkratové proudy plášti kabelů.

10.2 Sledy fází Zatímco u trasy s jednou sadou kabelů je v podstatě jedna jediná varianta průběhu pole nad kabelem, ať jsou fáze jakkoliv zpřeházeny, u dvojité trasy je variant průběhu pole mnoho. Když např. 1. sada je v konfiguraci 123 a druhá se cyklicky otáčí, máme tři varianty, pak u druhé sady obrátíme sled fází a znovu protočíme - dostaneme tedy 6 variant: 123-123

123-132

123-312

123-213

123-231

123-321

První budeme považovat za výchozí (základní) a poslední je osově symetrická. Tyto varianty zachovávají integritu obou sad kabelů. Další množství variant skýtá prolnutí skupin např. 121-323. Tyto varianty zcela pomineme pro jejich nepraktičnost, protože dávají vždy vyšší maxima magnetického pole, vzhledem k shlukování stejných paralelních fází, např. nejhorší varianta 112-233 se blíží variantě s jedním kabelem.

89


U všech šesti výše uvedených variant permutací fází ve skupinách je vhodné provést výpočet magnetického pole ze dvou důvodů:  

Nalézt variantu s nejmenším polem. Prověřit, zda některá varianta nemá podstatně vyšší pole, aby ta v tom případě nebyla nikdy volena.

Tyto výpočty jsou provedeny pro jedno dvojité vedení, protože vliv druhého vedení na pole nad prvním vedením je zanedbatelný. Průběhy magnetického pole pro kopanou trasu, případně pro jednotlivé typy provedení křížení s jinými sítěmi technické infrastruktury, jsou uvedeny v kapitole Chyba! Nenalezen zdroj odkazů..

90


11. Kapitola utajena

Obsah utajen

91



Obsah utajen


Obsah utajen

92



Obsah utajen


93


Obr. 55 Obsah utajen Obsah utajen


Obsah utajen

94



Obsah utajen

95


Obsah utajen


Obsah utajen

11.2.1 Kapitola utajena Obsah utajen

96


a)

b)

c)

d)

e)

f)

Obr. 58 Obsah utajen 97


11.2.2 Kapitola utajena Obsah utajen Tab. 11.1 Obsah utajen

Obsah utajen

11.2.3 Kapitola utajena

Obsah utajen

98



Obsah utajen


99



Obsah utajen


Obsah utajen

100



Obsah utajen


Obsah utajen

101


Obsah utajen

102


Obsah utajen

11.4.1.1 Kapitola utajena Obsah utajen

103



a)

b)

c)

d)

104


e)

Obr. 63 Obsah utajen 11.4.2 Kapitola utajena Obsah utajen Tab. 11.3 Obsah utajen

Obsah utajen

105




Obsah utajen


106


Obsah utajen


107



Obsah utajen


Obsah utajen

108


Obsah utajen


Obsah utajen

109



Obsah utajen

110


Obsah utajen

111



Obsah utajen

a)

b)

c)

d)

112


e)

f)

Obr. 69 Obsah utajen 11.5.2 Kapitola utajena Obsah utajen Tab. 11.5 Obsah utajen

Obsah utajen

113





Obsah utajen

114



Obsah utajen


Obsah utajen

115


Obr. 73 Obsah utajen 11.5.5 Kapitola utajena Obsah utajen


116


Obsah utajen



Obsah utajen


Obsah utajen

117





118



Obsah utajen


Obsah utajen

119


Obr. 78 Obsah utajen 11.5.9 Kapitola utajena


Obsah utajen


120



Obsah utajen 11.5.10 Kapitola utajena

Obr. 80 Obsah utajen Tab. 11.10 Obsah utajen

Obsah utajen Tab. 11.11 Obsah utajen

121


Obsah utajen

11.5.11Kapitola utajena Obsah utajen


Obsah utajen


122


11.6 Kapitola utajena Obsah utajen


Obsah utajen


Obsah utajen

123


Obsah utajen


Obsah utajen

124



Obsah utajen

125


Obsah utajen

.


126


Obsah utajen


Obsah utajen

127


Obsah utajen



Obsah utajen

128



Obsah utajen

129


Obsah utajen


Obsah utajen

130


Obsah utajen

131


Obsah utajen

132


Obsah utajen



Obsah utajen

133



Obsah utajen


Obsah utajen

134



Obsah utajen

135


Obsah utajen

136


Obsah utajen

137




Obsah utajen

138


Obsah utajen

139


Obsah utajen

140


Obsah utajen

141


Obsah utajen

142


Obsah utajen


143



Obsah utajen

144


Obsah utajen

145


12. Závěr Potřeba elektrické energie má z dlouhodobého hlediska jednoznačně stoupající tendenci. Vyskytují se samozřejmě období, kdy je zaznamenán krátkodobý pokles, například kolem roku 2009 způsobený finanční krizí a následnou hospodářskou recesí. V horizontu roku 2050 však predikce stále počítají s nárůstem spotřeby elektřiny. Velká očekávání, ale i otázky vyvolává například rozvíjející se sektor elektromobilů. I nadále tedy bude přenosová soustava ČR hrát z hlediska stability sítí dominantní roli a bude vystavena novým výzvám, ať už je to rychlý nárůst instalovaného výkonu obnovitelných zdrojů, a nebo budoucí výstavba velkého zdroje, jakým beze sporu bude dostavba jaderné elektrárny Temelín nebo uvažované rozšíření jaderné elektrárny Dukovany o jeden reaktorový blok. Přenosová soustava musí být připravena zajistit vyvedení výkonu z těchto zdrojů. Modernizace a rozvoj přenosové soustavy ČR je tak v současné době aktuálním tématem. Je nutno konstatovat, že její rozvoj lehce zaostává za stavem, který by byl optimální, což je způsobeno zejména zdlouhavým procesem projednávání a schvalování, ať se jedná o proces EIA nebo následné stavební řízení. Jedním z argumentů, který stále častěji zaznívá při veřejných projednáváních záměrů na výstavbu nebo modernizaci vedení přenosové soustavy ze strany jejích odpůrců je, že výstavbou dojde ke změně krajinného rázu, a je vznesen požadavek na kabelizaci vedení. Protože v České republice prozatím chybí významnější praktické zkušenosti s výstavbou a provozem kabelových vedení 400 kV, byl ze strany provozovatele přenosové soustavy vznesen podnět k vypracování materiálu, který by poskytl ucelený pohled na problematiku možnosti využití kabelových vedení v síti 400 kV v podmínkách přenosové soustavy ČR. Tato potřeba se stala hlavním impulzem ke vzniku této práce, jejíž snahou bylo předložit ucelený pohled na problematiku výstavby kabelového vedení 400 kV v podmínkách ČR. Následně je vytvářena 3D vizualizace, která má za úkol názorně ukázat laické veřejnosti, jaké dopady na krajinu s sebou přináší výstavba kabelového vedení 400 kV. Zpracování této problematiky neulehčil fakt, že v ČR není v platnosti žádná norma, která by řešila problematiku kabelových vedení 400 kV. Ani ČSN ani PNE normy, řešící problematiku jiných inženýrských sítí, neznají pojem kabelové vedení 400 kV. Ve většině případů je nejvyšší napěťovou hladinou kabelového vedení, vůči které definují vztahy příslušné sítě, hladina 110 kV. Výstupy této práce budou sloužit také jako podklad pro zahájení diskuze o rozšíření PNE o kabely 400 kV. Práce na této problematice byla rovněž impulsem k zahájení dialogu o definování požadavků na vzájemná křížení mezi provozovatelem přenosové soustavy ČEPS a provozovatelem přepravní soustavy tranzitních plynovodů NET4GAS.

146


12.1 Cíle disertace a jejich naplnění 1) Rozbor problematiky a analýza elektrických a magnetických vlastností venkovních vedení 400 kV s vloženými kabelovými úseky. Aby bylo možné provést návrh uspořádání trasy kabelového vedení 400 kV vloženého do venkovního vedení, bylo nutné se nejprve zabývat elektrickými vlastnostmi kabelového vedení 400 kV. Byly provedeny výpočty, kterými bylo ukázáno, že není možné realizovat kabelové vedení obdobných délek, jako je tomu u vedení venkovních, vzhledem k jeho vysoké kapacitě. Byly také provedeny výpočty demonstrující vliv použití kompenzačních prostředků na potenciální délku kabelového úseku. V následující tabulce jsou uvedeny maximální délky kabelového vedení v km pro jednotlivé provozní stavy. Tučně jsou zvýrazněny hodnoty, se kterými lze reálně počítat. Tab. 12.1 Maximální délky kabelového vedení (v km) pro jednotlivé provozní stavy I2 = 2000 A cos ϕ2 = 1; cos ϕ1 = 1 cos ϕ2 = 1; cos ϕ1 = -0,95 cos ϕ2 = 0,9; cos ϕ1 = 1 cos ϕ2 = 0,9; cos ϕ1 = -0,95 cos ϕ2 = 1; Q1MAX = -50 MVAr cos ϕ2 = 1; Q1MAX = -100 MVAr

bez kompenzace nelze 44,8 57,0 95,4 4,9 9,8

s kompenzací Qkomp = 200 MVAr Qkomp = 100 MVAr 9,8 19,59 14,69 24,49 19,59 29,41

Dále byl stejný výpočet proveden pro vedení s paralelními kabely. Použití paralelních kabelů na fázi je výhodné zejména z logistických důvodů a pro snížení počtu spojek. Při použití paralelních kabelů je možné pro požadovanou přenosovou schopnost kabelového vedení použít kabel menšího průřezu, kterého je možno navinout na buben více. Zároveň je možno použít bubnů menších průměrů a hmotností, což zjednoduší přepravu bubnů s kabely na staveniště. Použití paralelních kabelů má však vliv na další snižování délky potenciálního kabelového vedení, jak ukazuje následující tabulka. Tab. 12.2 Maximální délky kabelového vedení s paralelními kabely (v km) pro jednotlivé provozní stavy bez kompenzace I2 = 0 A (naprázdno) 3x1x2500 mm2 3x(2//1x2500 mm2) 3x(2//1x1600 mm2) I2 = 2000 A cos φ2 = 1; Q1MAX = 50 MVAr cos φ2 = 1; Q1MAX = 100 MVAr cos φ2 = 1; Q1MAX = 50 MVAr cos φ2 = 1; Q1MAX = 100 MVAr cos φ2 = 1; Q1MAX = 50 MVAr cos φ2 = 1; Q1MAX = 100 MVAr

s kompenzací Qkomp = 200 MVAr Qkomp = 100 MVAr

123 60,82 64,5

-

-

-

29,41

-

13,82

-

15,03

2

3x1x2500 mm 4,9 3x(2//1x2500 mm2) 2,31 3x(2//1x1600 mm2) 2,51 -

147


V dalších kapitolách se práce zabývá účinky atmosférických přepětí na přechod venkovního vedení do kabelového. Jsou popsány přechodné děje, které vznikají v kabelovém vedení při úderu blesku do zemnících lan nebo do fázových vodičů. V grafech z provedených simulací jsou ukázány napěťové průběhy při těchto dějích. Na základě těchto poznatků byly učiněny níže uvedené závěry a doporučení: 1. Pokud není kabel chráněn omezovači přepětí, samo-ochranný účinek kabelu proti atmosférickému přepětí od blízkého úderu do vedení je tím větší, čím je kabel delší. 2. Je nutné chránit kabely omezovači přepětí na obou stranách kabelu. Přitom uvnitř kabelu se vyskytují přepětí až 1000 kV u krátkých kabelů (pod 1 km), u dlouhých kabelů jsou přepětí nižší (800 až 900 kV). 3. Chránit je nutné každý vložený úsek samostatně, to znamená, že každý vložený kabel musí mít dvě sady omezovačů. 4. Omezovače musí být připojeny co nejblíže ke kabelovým koncovkám. 5. Není nutné kabely rozdělovat a vkládat další omezovače mezi úseky kabelu. 6. Stožáry v blízkosti přechodu (5 stožárů) do kabelu by měly mít co nejnižší odpor uzemnění. Vyhovující je hodnota 5 Ω, jednotlivé stožáry mohou mít maximálně 15 Ω. Tyto stožáry nesmí zůstat bez zemnících lan, proto je nutné realizovat účinná opatření zabraňující krádeži zemnících lan. 7. Plášť kabelu na koncovce musí být uzemněn s co nejnižším odporem uzemnění, i kdyby byl oddělen omezovačem. Vyhovující hodnota je 1 Ω. 8. Poslední stožár a kabelová koncovka by měly být uzemněny samostatně každý zvlášť a zemnící lana by se neměla propojovat na plášť kabelu, aby nemohly bleskové proudy při úderu do stožáru nebo zemnících lan pronikat přímo do pláště. 9. Doporučuje se vést souběžně s kabely zemnící pásky, a to zejména v případě, že není možné z jiných důvodů dodržet bod 8. Pokud se nedodrží více než jeden požadavek z bodů 6 až 9, hrozí průrazy pláště kabelu do země v délce kabelu s následným pronikáním vlhkosti a korozí pláště. V kapitolách věnovaným magnetickému poli v okolí kabelů jsou uvedeny možnosti odstínění magnetického pole a snížení jeho účinku na osoby a zařízení v jeho blízkosti. Tyto poznatky jsou následně aplikovány na konkrétní řešení v reálné trase. V práci jsou také popsány možné varianty propojení a uzemnění plášťů s uvedením výhod a nevýhod jednotlivých variant provedení. Pro kabely o délce do 500 m lze použít jednobodové připojení plášťů. U delších kabelů se použije rozdělení kabelu na sekce, mezi nimiž se provede vykřížení plášťů a místa s vykřížením se chrání svodiči přepětí. S kabely se vedou souběžné vodiče. Pro způsob uspořádání a propojení není možné stanovit obecně platná pravidla, ale návrh musí být proveden u každého

148


konkrétního vedení pomocí výpočtů na příslušných modelech vedení s vloženým kabelem. S tímto tématem velmi úzce souvisí problematika opětovného zapnutí (OZ) venkovních vedení 400 kV s vloženými kabelovými úseky. Provozovatel přenosové soustavy ČEPS požaduje zachování OZ i na kombinovaných vedeních. Tomuto požadavku je přizpůsoben návrh uspořádání kabelové trasy. Kabely jsou uloženy v rovinném uspořádání s dostatečnou vzájemnou vzdáleností, aby při případné poruše kabelu nedošlo vlivem OZ k poškození i dalších fází. Ve spojkovacích komorách jsou z tohoto důvodu spojky vzájemně odděleny betonovými deskami. Požadavek na zachování OZ i na kombinovaných vedeních je však v rozporu s ustanovením normy ČSN 33 3051 [41], která povoluje provozování automatiky opětného zapnutí u kombinovaných vedení (venkovní vedení-kabel) pouze tam, kde kabel tvoří velmi krátký úsek nacházející se jako celek na území elektrické stanice (např. vývody z transformátorů, reaktorů, zapouzdřených rozvoden apod.). Tento rozpor lze řešit výjimkou, nebo spíše úpravou příslušné normy. 2) Návrh uspořádání kabelové trasy 400 kV z hlediska vlivu magnetického pole na okolí. Na základě výpočtů magnetických polí a indukovaných napětí a proudů byl proveden návrh optimálního uspořádání dvojitého kabelového vedení 400 kV se dvěma paralelními sadami kabelů v každém vedení s maximálním provozním proudem 1250 A na jednu sadu kabelů, tj. 2500 A na jedno vedení, zejména z hlediska vlivů kabelového vedení na okolí v různých částech trasy. Výpočty byly provedeny pro kabelové vedení s cyklickým vykřížením plášťů po úsecích se stejnou délkou. Uspořádání kabelů v prosté kopané trase 0,5-0,5-2-0,5-0,5 m Bylo doporučeno uspořádání fází L1-L2-L3---L1-L2-L3 u obou kabelových vedení jako vyhovující z hlediska magnetického pole nad kabelovým vedením (nepřekračuje hodnotu 100 T při hloubce uložení kabelů 1,8 m). Uspořádání kabelů v protlaku pod silnicí a železnicí 1-1-2-1-1 m Doporučuje se uspořádání fází L1-L2-L3---L1-L2-L3 u obou kabelových vedení jako vyhovující z hlediska magnetického pole nad kabely (nepřekračuje 100 T při hloubce uložení kabelů 1,8 m). V kopané trase i v protlaku se doporučuje použít alespoň dvě zemnící lana na každou sadu kabelů, umístěná vně krajních fází a dimenzovaná na trvalý proud až 500 A. Výpočet proudů pro dimenzování ZL je nutné zpřesnit při návrhu s konkrétním typem kabelů.

149


Uspořádání kabelů v kabelovém mostě Doporučuje se dvoudílný kabelový most s prostřídaným uložením fází. L3

L1

L3

L1

L2

L2

L2

L2

L1

L3

L1

L3

Magnetické pole v okolí mostu Byla vypočtena zóna v okolí mostu, v níž je magnetické pole vyšší než referenční hodnota 100 T. Na obrázku 73 je vyznačena zelenou křivkou. Tato zóna sahá maximálně 1,4 m od boku mostu. Zóna 100 T by neměla zasahovat do volně přístupného prostoru, proto je nutné použít vhodné zábrany (oplocení). V místech, kde z jakýchkoli důvodů nelze potřebný prostor vymezit, je možné magnetické pole snížit dvěma způsoby:  

Pomocí stínících feromagnetických desek Přiložením zemnících lan po jednom ke každému kabelu

Vzhledem k tomu, že zemnící lana budou ve vloženém kabelovém vedení zcela jistě použita, doporučuje se nezávisle na způsobu jejich vedení v trase provést na mostě konfiguraci podle obrázku 78 a dosáhnout tím snížení magnetického pole vně mostu o cca 30 %. Magnetické pole uvnitř mostu – v chodbách V těsném okolí kabelu je výrazně překročena referenční hodnota pro zaměstnance 500 T. Limitní hodnota proudové hustoty pro zaměstnance je 10 mA/m2. Vzhledem k velmi slabému elektrickému poli v okolí kabelů odpovídá limitu 10 mA/m2 hodnota magnetického pole cca 1200 T, takže tuto hodnotu lze pro zaměstnance považovat za přípustnou. Pro hodnotu 1200 T bude limitní vzdálenost pro přiblížení obsluhy ke kabelu přibližně 15 cm od povrchu kabelu. V případě požadavku na dodržení referenční hodnoty 500 T pro zaměstnance je nutné vymezit koridor v ose chodby široký 1 m. Uspořádání kabelů v křížení s tranzitním plynovodem 1-1-2-1-1 m Pro křížení s tranzitním plynovodem je voleno shodné uspořádání fází L1-L2-L3--L1-L2-L3 u obou kabelových vedení jako u protlaku pod železnicí s tou odlišností, že kabelové vedení vstupuje až do hloubky 5,2 m a v této hloubce křižuje potrubí. Vzhledem k hloubce uložení nebude nutné dělat žádná opatření pro omezení vlivu kabelového vedení na osoby na povrchu. V tomto případě bude nutné se zaměřit na možné vlivy na potrubní systémy. O možných rizicích a možnostech jejich omezení je

150


nutné, aby dál pokračoval nedávno zahájený dialog mezi ČEPS a provozovatelem přepravní soustavy tranzitních plynovodů NET4GAS. Uspořádání kabelů v kabelovém tunelu V dvoudílném kabelovém tunelu bude zvoleno stejné prostřídané rozložení fází jako v kabelovém mostě, tedy L3

L1

L3

L1

L2

L2

L2

L2

L1

L3

L1

L3

V kabelovém tunelu není třeba řešit vliv magnetického pole kabelu na okolí, protože tunel prochází pod povrchem v dostatečné hloubce. Z hlediska vlivu magnetického pole na pracovníky uvnitř tunelu v chodbě se předpokládají stejná opatření jako v kabelovém mostě, a sice že bude vymezen 1 m široký koridor pro pohyb pracovníků provádějících pochůzkovou kontrolu kabelu. Obecné doporučení minimálních vzdáleností při souběhu a křížení s jinými kabely – bezpečná napětí (ČSN 33 2160) Vzhledem k limitu pro indukovaná napětí 230 V by měla být dostatečná minimální vzdálenost souběhu 2 m (vzdálenost mezi krajním kabelem a vedením v souběhu) při délce souběhu 1 km za předpokladu použití zemnících lan v kabelové trase. Vzhledem k rozptylu hodnot parametrů, které mají vliv na výsledné hodnoty, se doporučuje dodržovat u souběhů s délkami řádu stovek metrů bezpečnější vzdálenost minimálně 4 m. U kratších souběhů může být vzdálenost menší. Toto doporučení lze použít i pro úhlová křížení. Indukovaná napětí z hlediska funkce zařízení Druhým posuzovaným kritériem při hodnocení vlivů kabelů na souběžná vedení je vliv kabelu na funkci zařízení připojených na souběžná nebo křižující vedení. Mezní hodnoty jsou závislé na mnoha faktorech, je tedy nutné je řešit případ od případu. To se týká i kabelů drážních sdělovacích a zabezpečovacích zařízení. 3) Řešení křížení kabelové trasy 400 kV s jinými sítěmi technické infrastruktury a přírodními překážkami při prostupu krajinou. Hlavním cílem práce bylo převedení teoretických poznatků o vlastnostech a chování venkovních a kabelových vedení do praxe. Výsledkem jsou návrhy konstrukčního a stavebního uspořádání přechodu venkovního vedení do kabelového, prosté kopané trasy, řešení křížení kabelové trasy s jinými sítěmi technické infrastruktury a překonání 151


přírodních překážek. Navržená uspořádání jsou výsledkem optimalizací elektrických a magnetický vlastností kabelových vedení na jedné straně a proveditelných stavebních řešení a postupů na straně druhé, a to vše v rámci akceptovatelné ekonomické a časové náročnosti. V současné době vzniká ve spolupráci a grafickým studiem 3D vizualizace postupu výstavby kabelového vedení. Autor této práce se na její tvorbě podílí jako technický konzultant zodpovědný za technickou správnost vizualizovaných stavebních činností. Tato animace si klade za cíl názorně ukázat laické veřejnosti postup výstavby dvojitého kabelového vedení s paralelními kabely, rozsah stavebních prací a šíři pásma zasaženého výstavbou. V době odevzdání této práce byly vizualizace ve fázi rozpracování. V konečné fázi má vzniknout krátký snímek dokumentující výstavbu kabelového vedení. S jeho využitím je počítáno zejména při veřejných projednáváních tras nových vedení nebo modernizaci stávajících vedení tam, kde bude vznesen požadavek kabelizace úseku vedení 400 kV.

152


Literatura [1]

[2]

[3] [4]

[5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18]

CIGRÉ, Working group B1. Statistics of AC underground cables in power networks [online]. Paris: CIGRÉ, 2007[cit. 2013-07-27]. ISBN 978-285-8730261. CIGRÉ, Work Group B1. Update of service experience of HV underground and submarine cable systems [online]. Paris: CIGRÉ, 2009[cit. 2013-07-27]. ISBN 978-285-8730-667. CIGRÉ, Working Group B1. Third-party damage to underground and submarine cables [online]. Paris: CIGRÉ, 2009 [cit. 2013-07-27]. ISBN 978-285-8730-858. JUDENDORFER, T.; PACK, S.; MUHR, M. Aspects of High Voltage Cable Sections in Modern Overhead Line Transmission Systems. 2008. DOI: 10.1109/ICHVE.2008.4773876. Zákon č. 458/2000 Sb., o podmínkách podnikání a o výkonu státní správy v energetických odvětvích a o změně některých zákonů (energetický zákon). EGU - HV LABORATORY. Uspořádání dvojitého kabelového vedené 400 kV. Praha: EGU - HV LABORATORY, 2011. EGU - HV LABORATORY. Technické řešení vedení 400 kV s vloženými kabelovými úseky 2. Praha: EGU - HV LABORATORY, 2008. EGU - HV LABORATORY. Přepětí na vedení 400 kV s vloženými kabelovými úseky. Praha: EGU - HV LABORATORY, 2006. EGU - HV LABORATORY. Technické řešení vedení 400 kV s vloženými kabelovými úseky. Praha: EGU - HV LABORATORY, 2007. ÚJV ŘEŽ. Kabely 400 kV - posouzené přechodných dějů a jejich účinků, studie proveditelnosti. ÚJV ŘEŽ, 2006. ÚJV ŘEŽ, a.s. Elektrické vlastnosti kabelu 400 kV, studie proveditelnosti. 2006. SVOBODA, J.. Studie přechodu venkovního vedení 110 kV na kabelové. Praha: ELEKTROTRANS, 2002. BERMANN, J. Možnosti přechodu linka - kabel - linka 110 kV. Praha: ABB, 2002. BELATKA, M. a kol. V406/407 Kočín - Mírovka, Studie použití kabelu v trase vedení. Praha: ELEKTROTRANS, 2010. BELATKA, M. a kol. V406-407 - použití kabelu v trase vedení. Praha: ELEKTROTRANS, 2011. BELATKA, M. a kol. Studie na použití kabelu v trase vedení 400 kV V406/407. Praha: ELEKTROTRANS, 2012. CIGRÉ. General Guidelines for the integration of a new underground cable system in the network ČSN 37 5711 ed 2. Drážní zařízení – Křížení kabelových vedení se železničními dráhami. Praha: Úřad pro technickou normalizaci metrologii a státní zkušebnictví, 2009.

153


[19]

[20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28]

[29] [30] [31]

[32] [33] [34] [35] [36] [37] [38]

ČSN 75 2130. Křížení a souběhy vodních toků s dráhami, pozemními komunikacemi a vedeními. Praha: Úřad pro technickou normalizaci metrologii a státní zkušebnictví, 2011. ČSN 73 6005. Prostorové uspořádání sítí technického vybavení. Praha: Český normalizační institut, 1994. Nařízením vlády č. 1/2008 Sb., o ochraně zdraví před neionizujícím zářením, ve znění nařízení vlády č. 106/2010 Sb. CIGRÉ, Working group B1. Statistics of AC underground cables in power networks. Paris: CIGRÉ, 2007. ISBN 978-285-8730-261. CIGRÉ, Work Group B1. Update of service experience of HV underground and submarine cable systems. Paris: CIGRÉ, 2009. ISBN 978-285-8730-667. CIGRÉ, Working Group B1. Third-party damage to underground and submarine cables. Paris: CIGRÉ, 2009. ISBN 978-285-8730-858. VAVRA, J.; WANDA, M. 400 kV Vienna. The Vienna 400 kV North Input. Paris: CIGRÉ, 2006. ECHAVARREN, F.M.; ROUCO, L. a kol. Computation of the Current Rating in Underground Installation with Multiple Cables. Paris: CIGRÉ, 2008. BEITONE, L. a kol. Crossing of the Reconquista River in Buenos Aires with a 132 kV Underground Cable Installation. Paris: CIGRÉ, 2008. RENDINA, R. a kol. Qualification Test Program for the 1000 MW – 500 kV HVDC Very deep water Submarine Cable Interconnection between Sardinia Island and Italian Peninsula. Paris: CIGRÉ, 2008. CAO, X.; LIU, Y. a kol. 500 kV Power Cable Project for City Central Zone of Shanghai. Paris: CIGRÉ, 2008. JENSEN, C.; ARGAUT, P. 400 kV Underground Cables in Rural Areas. Paris: CIGRÉ, 2006. BERNATO, R.; BRENNA, M. a kol. A New Procedure to Compare the Social Costs of EHV-HV Overhead Lines and Underground XLPE Cables. Paris: CIGRÉ, 2006. AANHAANEN, G. L. P. a kol. Modern installation techniques of high voltage cable systems in the Netherlands. Paris: CIGRÉ, 2004. FUKUDA, K.; AIBA, T. a kol. Recent Installation Technology for XLPE Cable in Japan. Paris: CIGRÉ, 2006. GILLE, A.; BEGHIN, V. a kol. Double 150 kV Link, 32 km long, in Belgium. Design and Construction. Paris: CIGRÉ, 2004. GESCHIERE, A.; WILÉN, D. Optimizing Cable Layout for Long length. High Temperature Superconducting Cable systems. Paris: CIGRÉ, 2008. JENSEN, Ch. A kol. Third-Party Damage to Underground and Submarine Cables. Paris: CIGRÉ, 2009. SAKUMA, S. Experience on 400-500 kV XLPE Insulated Cables and Their Accessories. New York: IEEE, 2000. ZANINELLI, D.; BALLOCCHI, G. Fault Analysis on AC/HV Cable Transmission Lines. IEEE Transaction on Power Delivery, vol. 15, No. 2, 2000. 154


[39]

[40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47]

[48]

Zákon č. 458/2000 Sb., o podmínkách podnikání a o výkonu státní správy v energetických odvětvích a o změně některých zákonů (energetický zákon), ve znění pozdějších předpisů. Zákon č. 183/2006 Sb., o územním plánování a stavebním úřadu (stavební zákon), ve znění pozdějších předpisů. ČSN 33 3051. Ochrana elektrických strojů a rozvodných zařízení. Praha: Federální úřad pro normalizaci a měření, 1992. ČSN 73 75 08. Železniční tunely. Praha: Český normalizační institut, 2002. Zákon č. 114/1995 Sb., o vnitrozemské plavbě, ve znění pozdějších předpisů. Vyhláška Ministerstva dopravy č. 222/1995 Sb., o vodních cestách, plavebním provozu v přístavech, společné havárii a dopravě nebezpečných věcí. Zákon č. 44/1998 Sb., o ochraně a využití nerostného bohatství (horní zákon), ve znění pozdějších předpisů. Katalog firmy ABB. XLPE Land Cable Systems. User’s Guide. Rev 5 ČSN 33 2160. Elektrotechnické předpisy. Předpisy pro ochranu sdělovacích vedení a zařízení před nebezpečnými vlivy trojfázových vedení VN, VVN a ZVN. Praha: Český normalizační institut, 1993. Zákon č. 258/2000 Sb., o ochraně veřejného zdraví a o změně některých souvisejících zákonů

155


Přílohy A Obsah utajen B Obsah utajen C Obsah utajen D Obsah utajen E Obsah utajen

156

Obsah utajen

Obsah utajen

Obsah utajen

Obsah utajen

Obsah utajen

ANALÝZA POUŽITÍ KABELOVÝCH ÚSEKŮ V TRASE VENKOVNÍHO VEDENÍ 400 KV

Recommend Documents