Nové zkušenosti s výpočetním vyhodnocováním nebezpečného vlivu venkovního vedení vvn na blízké potrubní systémy

SLOVGAS❙február 2015

Techniky a technológie

Nové zkušenosti s výpočetním vyhodnocováním nebezpečného vlivu venkovního vedení vvn na blízké potrubní systémy

Karel NOHÁČ, Zbyněk JANDA

Problematika vyhodnocování vzájemného elektro­ magnetického ovlivňování venkovních trojfázových vedení velmi vysokého napětí (vvn) a blízkých potrubních systémů využívaných převážně jako produktovody má vysokou důležitost nejen pro životnost a provozní podmínky obou zařízení, ale především pro bezpečnost. V příspěvku je řešen případ induktivního ovlivnění soustavy souběžných potrubních systémů a vliv respektování blízkých omezujících vodičů na výsledná ochranná opatření [1], [2]. Dle normy ČSN 33 2165 [3] se ideální podélné napětí vztažené na jednotku délky, indukované do potrubí při jednofázovém zkratu na vedení účinně uzemněné soustavy, určí ze vztahu (1)

kde Ui [V∙km-1] - ideální podélné napětí f [Hz] - kmitočet sítě M [μH∙km-1] - s oučinitel vzájemné indukčnosti mezi dvěma vodiči a zpětným vedením zemí Ik [A] - jednofázový zemní zkratový proud tekoucí vedením w [–] - č initel pravděpodobnosti vyjadřující zatížení sítě, nasazení přenosových linek rv [–] - v ýsledný redukční činitel. Významným členem rovnice (1) je výsledný redukční činitel celého systému, který se určí dle vztahu (2)

kde re [–] - c elkový redukční činitel na straně trojfázového vedení rs [–] - c elkový redukční činitel na straně potrubního systému. Redukční činitel na straně trojfázového vedení byl již podrobně analyzován v řadě literatur. Použitelné 24

Problematika vyhodnocování vzájemného elektromagnetického ovlivňování venkovních trojfázových vedení velmi vysokého napětí (vvn) a blízkých potrubních systémů má vysokou důležitost především pro bezpečnost. hodnoty jsou uvedeny např. v normě ČSN 33 2160 [4] „Předpisy pro  ochranu sdělovacích vedení a zařízení před nebezpečnými vlivy trojfázových vedení vn, vvn a  zvn“ nebo byly publikovány v časopise „Plyn“ prof. Ing. Z. Benešovou, CSc. a Ing. L. Šroubovou, Ph.D., z Fakulty elektrotechnické v Plzni [5]. Redukční činitel na straně potrubního systému byl doposud stanoven pro zemnící pásek bez respektování různých poloh v soustavě ovlivňujících a ovlivňovaných vodičů. V příspěvku je analyzován vliv různých poloh zemnícího pásku a cizích úložných zařízení na výsledný redukční koeficient s využitím výpočetního programu COMSOL Multiphysics 4.2.

Soustava souběžných potrubí V současné době není volba trasy nového potrubí dána technicky nejvýhodnější variantou. Významnou roli při volbě nové trasy hraje majetkoprávní problematika, která je založena na vzájemném dohodnutí a uzavření podmínek mezi vlastníkem pozemku a investorem, což často vede k nevyřešitelným situacím. V některých případech může pak býti schůdnějším vyhledání trasy přes pozemky již zatížené věcnými břemeny inženýrských sítí. Tím vznikají koridory, sestávající z více potrubí různých provozovatelů. Při výpočtu induktivních vlivů vvn bývají běžně okolní potrubní systémy zanedbávány a jako omezující faktory působícího elektromagnetického pole jsou respektovány

Techniky a technológie

obr. 1

Dispoziční uspořádání systému s dvěma potrubními systémy

obr. 2

pouze zemnící lana stožárů, příp. blízká kolejiště. Blízké potrubní systémy však bývají opomíjeny, přestože jejich omezující účinek může nezanedbatelně příznivě ovlivnit výsledné hodnoty výpočtů. Respektováním této skutečnosti se mohou náklady na ochranná opatření výrazně snížit. Základní předpoklady Je uvažována soustava fázových vodičů venkovního vedení vvn a dvou souběžných potrubí DN 300. Potrubí jsou uložena 2 m pod povrchem terénu a jejich vzájemná vzdálenost bude v rozmezí od 10 do 200 m. Vzdálenost prvního potrubí od krajního vodiče venkovního vedení bude konstantní 90 m, viz obr. 1. Nadzemním vodičem protéká střídavý jednofázový zkratový proud o proudové hustotě J=7,96∙106 A/m2, který se vrací zemnícím lanem zpět ke zdroji. Elektrické parametry jednotlivých částí analyzovaného systému jsou uvedeny v tab. 1. tab. 1

Elektrické parametry dílčích částí systému

Elektrický parametr

Fázové vodiče Potrubí a zemnící lano

Půda

Vzduch

0,5

0

5,998∙107

5∙106

relativní permeabilita μr [–]

1

1

1

8 000

relativní permitivita εr [–]

1

1

1

1

elektrická konduktivita γ [S/m]

Systém se nachází v prostředí, které lze považovat za lineární a jsou v něm uvažovány pouze prvky a jejich elektrické parametry, které jsou nutné pro předmětný

SLOVGAS❙február 2015

Magnetické pole fázového vodiče a dvou souběžných produktovodů

výpočet. Uvažování dalších prvků systému (např. konstrukce příhradových stožárů apod.) má na výpočet redukčního koeficientu omezujícího souběžného potrubí zanedbatelný vliv. Výsledky výpočtů Rozložení magnetické indukce v systému nadzemního fázového vodiče a dvou souběžných potrubí o vzájemné vzdálenosti 100 m, je patrné z obr. 2. V tab. 2 jsou uvedeny zjištěné hodnoty, kde způsob omezení P1 - je omezení induktivního účinku vložením potrubí 1 do magnetického pole P1+ Ip1 - je omezení induktivního účinku vložením potru­bí 1 do magnetického pole s respekto­ váním naindu­kovaného elektrického proudu potrubím 1. tab. 2

Zjištěné hodnoty při různých vzájemných vzdálenostech souběžných potrubí

Vzdálenost Elektrický proud potrubím 2 Redukční Ip2 [–] potrubí 1 – Způsob koeficient potrubí 2 omezení reálná imaginární r1 [–] velikost ao [m] část část 10

12,789

1,824

12,658

0,673

P1

10

12,697

1,651

12,589

0,669

P1+Ip1

30

11,061

2,099

10,860

0,713

P1

30

11,042

2,034

10,853

0,711

P1+Ip1

50

8,806

1,966

8,583

0,727

P1

50

8,774

1,881

8,570

0,725

P1+Ip1

100

4,950

1,534

4,707

0,746

P1 P1+Ip1

100

4,938

1,491

4,707

0,744

200

1,519

0,690

1,353

0,763

P1

200

1,519

0,690

1,353

0,763

P1+Ip1

25

SLOVGAS❙február 2015

Techniky a technológie

red. koeficient [-]

Z grafu na obr. 3 je 0,78 patrná závislost redukčního 0,76 koeficientu potrubí 1  na  vzá­ 0,74 jemné vzdálenosti obou 0,72 potrubí. 0,70 V daném dispozičním us0,68 pořádání se chová každé po0,66 trubí vůči ostatním jako ome0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 zující vodič. Míra omezení však vzdálenost souběžného potrubí [m] záleží na vzájemných polohách obr. 3 Závislost redukčního koeficientu potrubí 1 na vzájemných vzdálenostech vzhledem ke zdroji střídavé­ obou potrubí ao [m] ho elektromagnetického pole, tj. porušené fázi. Celkové omezení na stra­ně potrubí v tomto případě je superpozicí dvou účinků. Prvním je deformace elektromagnetického pole, způsobené vložením omezujícího ocelového potrubí do inkriminovaného prostředí, tj. stínění. Druhým účinkem je vytvoření vlastního elektromagnetickým pole, jehož zdrojem je časově proměnný elektrický proud, vzniklý jakožto následek naindukovaného napětí z poruchového proudu venkovního vedení. Vlastní elektromagnetické pole působí dle Lenzova pravidla proti poli vytvářeného poruchovým proudem. Při respektováním ochranných pásem potrubních systémů (ochranné pásmo VTL plynovodu je 4 m na obě strany od půdorysu potrubí [6]), je možné v praxi dosáhnout vhodným uložením dvou souběžných potrubí eliminace nebezpečného induktivního účinku až o 35%.

Optimální ochranná opatření Překročí-li při výpočtu induktivních vlivů dle normy ČSN  33 2165 [3] potenciál potrubí-půda mez nebezpeč­ ného napětí, je nutné přistoupit k návrhu ochranných opatření. V praxi se běžně aplikují zemnící pásky FeZn 30 x 4 mm, které se umisťují v souběhu s  chráněným potrubím, se kterým jsou ve stanovených místech spojovány přes diodové oddělovací členy, nebo dnes stále více používané AC zkratovací zařízení. Zkoumány budou polohy zemnícího pásku vůči potrubí a fázovému vodiči s poruchou. Nechť osa fázový vodič - potrubí představuje 0˚ a střed souřadnicového systému je soustředěn do  středu potrubí, jak je patrné z obr. 4. Zemnící pásek pak bude umisťován v různých vzdálenostech od středu souřadnicového systému v osách pod úhly 0˚, 45˚ a 90˚. Analyzovaný systém sestává z nadzemního elektrického vedení (fázové vodiče A, B, C a zemnící lano ZL), v zemi uloženého omezujícího vodiče (zemnící pásek FeZn 30 x 4 mm) a ocelového potrubí DN 1000. Jednofázový zkrat vznikne na fázi B. Budou řešeny následující varianty soustavy: 1. fázové vodiče A, B a C a potrubí DN 1000, 2. f ázové vodiče A, B a C, potrubí DN 1000 a zemnící lano, 3. f ázové vodiče A, B a C, potrubí DN 1000, zemnící lano a zemnící pásek. 26

obr. 4

Dispoziční uspořádání systému pro zjištění optimálního uložení zemnícího pásku

Základní předpoklady a vstupní údaje pro výpočet Poruchou ovlivňujícího nadzemního elektrického vedení je jednofázový zkrat fáze B. Jednofázový zkratový proud je uvažován Ik1f = 10 kA. Proudová hustota poruchového proudu je

Ovlivňovaným zařízením je potrubí DN 1000, které je uloženo v zemi 2 m pod úrovní terénu. Je uvažována vysoká vodivost půdy obklopující potrubí. Fázové vodiče A, B a C jsou umístěny 13 m nad úrovní terénu. Okolním prostředím vodičů je vzduch.

Techniky a technológie

SLOVGAS❙február 2015

Ochranným prvkem plynovodu proti účinkům elektromagnetického pole je zemnící pásek o rozměrech 30 x 4 mm. Konkrétní elektrické parametry tohoto systému jsou uvedeny v tab. 3. tab. 3

Elektrické parametry dílčích částí systému

Elektrický parametr

Fázové vodiče Potrubí a zemnící lano

Půda

Vzduch

0,5

0

5,998∙107

5∙106

relativní permeabilita μr [–]

1

1

1

8 000

relativní permitivita εr [–]

1

1

1

1

elektrická konduktivita γ [S/m]

Výsledky výpočtů Fázové vodiče A, B a C a potrubí DN 1000 Je-li uvažováno induktivní ovlivnění potrubí vedením při nerespektování zemnícího lana a omezujícího vodiče je indukovaný proud potrubím

obr. 5

Detail rozložení magnetického pole v blízkém okolí nechráněného potrubí

od stěny potrubí v jeho horizontální ose s uvažováním pouze stínících účinků

Fázové vodiče A, B a C, potrubí DN 1000 a zemnící lano Zkratový proud procházející porušenou fází B má za následek vznik indukovaného napětí zemnícího lana, které způsobí průtok elektrického proudu o hodnotě

Tento proud dle Lenzova pravidla má takový směr, že svým magnetickým polem působí proti magnetickému poli, které tento proud vyvolalo. Důsledkem bude po aplikaci metody superpozice ponížení výsledného indukovaného napětí potrubí, resp. výsledného protékajícího proudu, tj.

Elektrický proud indukovaný do omezujícího vodiče je

Pak proudová hustota omezujícím vodičem je

Elektrický proud indukovaný do zemnícího lana je Fázové vodiče A, B a C, potrubí DN 1000, zemnící lano a zemnící pásek a) Postup výpočtu - zemnící pásek v ose 90° Elektrický proud indukovaný do potrubí při uvažování zemnícího lana i omezujícího vodiče, umístěného 0,35 m

27

SLOVGAS❙február 2015

Techniky a technológie

a proudová hustota zemnícím lanem je

Vypočítané hodnoty proudů indukovaných do potrubí při různých vzdálenostech omezujícího vodiče

tab. 4

Vzdálenost potrubí omezující vodič [m]

Při uvažování toku elektrického proudu zemnícím lanem a omezujícím vodičem bude

Výpočet pro různé vzdálenosti - zemnící pásek v ose 90° Zemnící pásek byl umisťován od 0,05 m do 1 m od stěny potrubí. Pro různé vzdálenosti byl zjišťován elektrický proud indukovaný do potrubí. Výsledné hodnoty jsou uvedeny v tab. 4 a grafické znázornění je patrné z obr. 6. Nejnižšího elektrického proudu potrubím se dosáhne při dané konfiguraci umístěním zemnícího pásku do vzdálenosti 0,3 m od stěny potrubí a dosáhne se tak nejnižšího redukčního koeficientu. Omezující vodič vložený do magnetického pole, toto pole ve svém okolí deformuje, viz obr. 7.

velikost

reálná část

imaginární část

1,00

5,072

-1,757

4,758

0,50

4,964

-1,772

4,636

0,40

4,950

-1,790

4,615

0,30

4,943

-1,818

4,597

0,25

4,944

-1,837

4,590

0,20

4,948

-1,860

4,585

0,15

4,958

-1,888

4,584

0,10

4,975

-1,918

4,590

0,05

4,984

-1,947

4,588

200

1,519

0,690

1,353

tab. 5

Zjištěné hodnoty při různých vzdálenostech omezujícího vodiče od stěny potrubí

Vzdálenost potrubí omezující vodič ao [m]

b) Výpočet pro různé vzdálenosti - zemnící pásek v ose 45° Vzdálenost od potrubí byla volena v intervalu od 0,1 m do  3,5  m za  účelem nalezení optimálního umístění omezujícího vodiče. Zjištěné hodnoty jsou uvedeny v tab. 5.

Elektrický proud potrubím Ip [A]

Elektrický proud potrubím Ip [A] velikost

reálná část

imaginární část

Redukční koeficient r [–]

3,5

4,824

-1,615

4,546

0,896

1,5

4,358

-1,473

4,102

0,810

1

4,281

-1,480

4,017

0,795

0,5

4,284

-1,577

3,983

0,796

0,3

4,350

-1,691

4,008

0,808

0,2

4,415

-1,786

4,037

0,820

0,1

4,515

-1,915

4,089

0,839

elektricý proud potrubím [ A]

5,10

5,05

5,00

4,95

4,90 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

vzdálenost omezujícího vodiče od potrubí [m]

obr. 6 28

Průběh proudu potrubím v závislosti na vzdálenosti omezujícího vodiče

obr. 7

Detail rozložení magnetické indukce v okolí zemnícího pásku

Techniky a technológie

Při dané konfiguraci, viz. obr.  8, je nejvýhodnější zemnící pásek umístit 1 m od stěny plynovodu.

tab. 6

c) Výpočet pro různé vzdálenosti - zemnící pásek v ose 0° Hodnoty elektrického proudu tekoucího potrubím při uva­žování zemnícího lana, jím tekoucího elektrického proudu a  omezujícího vodiče uloženého v různých vzdálenostech od stěny potrubí jsou uvedeny v tab. 6. Závislost velikosti elektrického proudu potrubím na vzdálenosti zemnícího pásku od stěny potrubí je prudce exponenciálně klesající do vzdálenosti 1,5 m. S další rostoucí vzdáleností je nárůst účinnosti omezení induktivního vlivu zanedbatelný, jak je patrné z obr. 9.

Zjištěné hodnoty při různých vzdálenostech omezujícího vodiče od stěny potrubí

Vzdálenost potrubí - omezující vodič ao [m]

Souhrn výsledků optimálního uložení zemnícího pásku

SLOVGAS❙február 2015

Elektrický proud potrubím Ip [A]

Redukční imaginární koeficient r [–] část

velikost

reálná část

12,5

3,509

-1,076

3,340

10,0

3,642

-1,151

3,455

0,677

8,5

3,653

-1,158

3,465

0,679

0,652

3,5

3,661

-1,169

3,469

0,680

1,5

3,695

-1,228

3,484

0,686

1,0

3,744

-1,291

3,514

0,696

0,5

3,890

-1,461

3,605

0,723

0,3

4,026

-1,621

3,685

0,748

0,2

4,132

-1,745

3,745

0,768

0,1

4,269

-1,917

3,814

0,793

Závěr

elektrický proud potrubím [A]

Z výsledků provedených výpočtů lze sestavit diagram optimálního uložení zemnícího pásku v soustavě s  po­ trubním systémem a  venkov­ ním vedením vvn s potenciální jednofá­zovou poruchou. Dia­ gram je znázorněný na obr. 10, 4,9 kde optimální polohy jsou 4,8 zvýrazněny červenou křivkou, 4,7 jejíž tvar se blíží tvaru elipsy. V praxi budou využívány 4,6 především části křivek mezi 4,5 45° a 90°, resp. mezi 270° a 315°. 4,4 4,3 4,2

0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

vzdálenost omezujícího vodiče od potrubí [m]

obr. 8

elektrický proud potrubím [A]

Výpočty vlivu venkovních vedení vvn na potrubí uložená v zemi jsou nutným podkladem jak při budování, tak rekonstrukci těchto zařízení. Za období přesahující deset let bylo na pracovišti autorů provedeno mnoho případových studií této problematiky. Optimalizace umístění zemnícího pásku a  určení odpovídajících hod­ not výsledného redukčního koeficientu vede k zpřes­ nění pro­vádě­ných výpočtů s  využi­tím již vytvořené výpočtové aplikace. Byly též stanoveny redukční koeficienty respektující souběžné kovové potrubní systémy, které mohou výrazně ovlivnit výsledky

4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0

0

Závislost elektrického proudu potrubím na vzdálenosti zemnícího pásku

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

vzdálenost omezujícího vodiče od potrubí [m]

obr. 9

Závislost elektrického proudu potrubím na vzdálenosti zemnícího pásku 29

SLOVGAS❙február 2015

Techniky a technológie

Výpočty vlivu venkovních vedení vvn na potrubí uložená v zemi jsou nutným podkladem jak při budování, tak rekonstrukci těchto zařízení.

obr. 10 Optimální polohy uložení zemnícího pásku výpočtů. Vhodná volba umístění omezujícího vodiče a volba trasy v souběhu s jinými potrubími může přinést výrazné omezení nákladů na ochranná opatření. Literatura [1] ČSN 332000-4-41 - Ochrana před úrazem elektrickým proudem [2] ČSN 342030 - Předpisy pro ochranu sdělovacích vedení a zařízení před nebezpečnými vlivy trojfázových vedení vn, vvn a zvn [3] ČSN 332165 - Zásady pro ochranu ocelových izolovaných potrubí uložených v zemi před nebezpečnými vlivy venkovních trojfázových vedení a stanic vvn a zvn Ing. Zbyněk Janda (1987) Je absolventem Fakulty elektrotechnické ZČU v Plzni v oboru elektroenergetika. Od roku 2009 se zabývá výpočty vlivů venkovních vedení na blízké potrubní systémy a v současné době studuje doktorské studium na téma „Analýza ovlivňování blízkých produktovodů elektrickými venkovními vedeními a kabely“. Od roku 2011 je zaměstnancem společnosti RWE Distribuční služby, s.r.o., ve které od ledna 2013 působí jako projektant protikorozní ochrany. [email protected] 30

[4] ČSN 332160 - Předpisy pro ochranu sdělovacích vedení a zařízení před nebezpečnými vlivy trojfázových vedení vn, vvn a zvn [5] BENEŠOVÁ, Z., BERAN, M., ŠROUBOVÁ, L.: Vlivy venkovních vedení velmi vysokého napětí při provozních a poruchových stavech na potrubní systémy. Plyn, LXXXIV, 2004, str. 54-56 [6] Energetický zákon č. 458/2000 Sb., § 68 Tento příspěvek byl vytvořen za podpory studentského projektu SGS -2012-047. Lektor: Ing. Zoltán Klajber, SPP - distribúcia, a.s. doc. Ing. Karel Noháč, Ph.D. (1966) Vystudoval VŠSE v Plzni obor elektroenergetika, v kterém na ZČU v Plzni rovněž získal doktorát a posléze se habilitoval. V akademické činnosti pokračoval se zaměřením na analýzy dynamických soustav energetických systémů pomocí matematických simulačních výpočtů. Je členem mezinárodních odborných organizací a výborů konferencí. V současné době pracuje jako vedoucí Katedry elektroenergetiky a ekologie ZČU v Plzni. [email protected]