Nové zkušenosti s výpočetním vyhodnocováním nebezpečného vlivu venkovního vedení vvn na blízké potrubní systémy Karel NOHÁČ, Zbyněk JANDA 24 Problematika vyhodnocování vzájemného elektromagnetického 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 U i [V km -1 ] - ideální podélné napětí f [Hz] - kmitočet sítě M [μh km -1 ] - součinitel vzájemné indukčnosti mezi dvěma vodiči a zpětným vedením zemí I k [A] - jednofázový zemní zkratový proud tekoucí vedením w [ ] - činitel pravděpodobnosti vyjadřující zatížení sítě, nasazení přenosových linek r v [ ] - výsledný redukční činitel. Významným členem rovnice (1) je výsledný redukční činitel celého systému, který se určí dle vztahu (2) kde r e [ ] - celkový redukční činitel na straně trojfázového vedení r s [ ] - celkový redukční činitel na straně potrubního systému. Redukční činitel na straně trojfázového vedení byl již podrobně analyzován v řadě literatur. Použitelné 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
SLOVGAS február 2015 obr. 1 Dispoziční uspořádání systému s dvěma potrubními systémy obr. 2 Magnetické pole fázového vodiče a dvou souběžných produktovodů 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 10 6 A/m 2, který se vrací zemnícím lanem zpět ke zdroji. Elektrické parametry jednotlivých í analyzovaného systému jsou uvedeny v tab. 1. tab. 1 Elektrické parametry dílčích í systému Elektrický parametr Půda Vzduch elektrická konduktivita γ [S/m] relativní permeabilita μ r [ ] relativní permitivita ε r [ ] Fázové vodiče a zemnící lano Potrubí 0,5 0 5,998 10 7 5 10 6 1 1 1 8 000 1 1 1 1 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 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 P 1 - je omezení induktivního účinku vložením potrubí 1 do magnetického pole P 1 + I p1 - je omezení induktivního účinku vložením potru bí 1 do magnetického pole s respektováním naindu kovaného elektrického proudu potrubím 1. tab. 2 Vzdálenost potrubí 1 potrubí 2 a o [m] Zjištěné hodnoty při různých vzájemných vzdálenostech souběžných potrubí Elektrický proud potrubím 2 I p2 [ ] velikost reálná imaginární Redukční koeficient r 1 [ ] Způsob omezení 10 12,789 1,824 12,658 0,673 P 1 10 12,697 1,651 12,589 0,669 P 1+I p1 30 11,061 2,099 10,860 0,713 P 1 30 11,042 2,034 10,853 0,711 P 1+I p1 50 8,806 1,966 8,583 0,727 P 1 50 8,774 1,881 8,570 0,725 P 1+I p1 100 4,950 1,534 4,707 0,746 P 1 100 4,938 1,491 4,707 0,744 P 1+I p1 200 1,519 0,690 1,353 0,763 P 1 200 1,519 0,690 1,353 0,763 P 1+I p1 25
Z grafu na obr. 3 je patrná závislost redukčního koeficientu potrubí 1 na vzájemné vzdálenosti obou potrubí. V daném dispozičním uspořádání se chová každé potrubí vůči ostatním jako omezující vodič. Míra omezení však záleží na vzájemných polohách vzhledem ke zdroji střídavého elektromagnetického pole, tj. porušené fázi. Celkové omezení na stra ně 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 red. koeficient [-] 0,78 0,76 0,74 0,72 0,70 0,68 0,66 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 vzdálenost souběžného potrubí [m] obr. 3 Závislost redukčního koeficientu potrubí 1 na vzájemných vzdálenostech obou potrubí a o [m] 26 Překročí-li při výpočtu induktivních vlivů dle normy ČSN 33 2165 [3] potenciál potrubí-půda mez nebezpečného 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. fázové vodiče A, B a C, potrubí DN 1000 a zemnící lano, 3. fázové vodiče A, B a C, potrubí DN 1000, zemnící lano a zemnící pásek. 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 I k1f = 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.
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 í systému Elektrický parametr Půda Vzduch elektrická konduktivita γ [S/m] relativní permeabilita μ r [ ] relativní permitivita ε r [ ] Fázové vodiče a zemnící lano Potrubí 0,5 0 5,998 10 7 5 10 6 1 1 1 8 000 1 1 1 1 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 Elektrický proud indukovaný do omezujícího vodiče je 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. Pak proudová hustota omezujícím vodičem 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 Elektrický proud indukovaný do zemnícího lana je 27
a proudová hustota zemnícím lanem je tab. 4 Vzdálenost potrubí - omezující vodič [m] Vypočítané hodnoty proudů indukovaných do potrubí při různých vzdálenostech omezujícího vodiče Elektrický proud potrubím I p [A] velikost reálná imaginární 1,00 5,072-1,757 4,758 0,50 4,964-1,772 4,636 Při uvažování toku elektrického proudu zemnícím lanem a omezujícím vodičem bude 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 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. 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. tab. 5 Vzdálenost potrubí - omezující vodič a o [m] 0,05 4,984-1,947 4,588 200 1,519 0,690 1,353 Zjištěné hodnoty při různých vzdálenostech omezujícího vodiče od stěny potrubí Elektrický proud potrubím I p [A] velikost reálná imaginární 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 5,10 elektricý proud potrubím [ A] 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] 28 obr. 6 Průběh proudu potrubím v závislosti na vzdálenosti omezujícího vodiče obr. 7 Detail rozložení magnetické indukce v okolí zemnícího pásku
SLOVGAS február 2015 Při dané konfiguraci, viz. obr. 8, je nejvýhodnější zemnící pásek umístit 1 m od stěny plynovodu. c) Výpočet pro různé vzdálenosti - zemnící pásek v ose 0 Hodnoty elektrického proudu tekoucího potrubím při uva žování 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. Souhrn výsledků optimálního uložení zemnícího pásku Z výsledků provedených výpočtů lze sestavit diagram optimálního uložení zemnícího pásku v soustavě s potrubním systémem a venkovním vedením vvn s potenciální jednofá zovou poruchou. Diagram je znázorněný na obr. 10, 4,9 kde optimální polohy jsou 4,8 zvýrazněny červenou křivkou, jejíž tvar se blíží tvaru elipsy. 4,7 V praxi budou využívány 4,6 především i křivek mezi 45 a 90, resp. mezi 270 4,5 a 315. Závěr 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 hodnot výsledného redukčního koeficientu vede k zpřesnění pro vádě ných výpočtů s využi tím již vytvořené výpočtové aplikace. Byly též stanoveny redukční koeficienty respektující souběžné kovové potrubní systémy, které mohou výrazně ovlivnit výsledky elektrický proud potrubím [A] 4,4 4,3 obr. 8 elektrický proud potrubím [A] tab. 6 Vzdálenost potrubí - omezující vodič a o [m] Zjištěné hodnoty při různých vzdálenostech omezujícího vodiče od stěny potrubí Elektrický proud potrubím I p [A] velikost reálná imaginární Redukční koeficient r [ ] 12,5 3,509-1,076 3,340 0,652 10,0 3,642-1,151 3,455 0,677 8,5 3,653-1,158 3,465 0,679 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 4,2 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 vzdálenost omezujícího vodiče od potrubí [m] Závislost elektrického proudu potrubím na vzdálenosti zemnícího pásku 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0 0 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
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. jandaz@kee.zcu.cz [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. nohac@kee.zcu.cz 30