1

Srećko Bojić Gordan Mirošević Institut za elektroprivredu i energetiku d.d., Zagreb Dalekovod-Projekt d.o.o., Zagreb srecko.bojic@ie-zagreb.hr gordan.mirosevic@dalekovod.hr Goran Levačić Institut za elektroprivredu i energetiku d.d., Zagreb goran.levacic@ie-zagreb.hr DIELEKTRIČNA ISPITIVANJA IZOLACIJSKIH KONSTRUKCIJA ZA PRIMJEN U NA

KOMPAKTIRANOM NADZEMNOM VODU 2X110 kV SAMOBOR-RAKIT JE-BOTINEC

SAŽETAK

Rad prikazuje rezultate laboratorijskih dielektričnih ispitivanja izolacijskih konstrukcija primijenih na kompaktiranom dvostrukom dalekovodu 110 kV Samobor-Rakitje-Botinec, kao dio cjelokupnog projekta rekonstrukcije starog voda Samobor-Rakitje-Botinec (dionica bivšeg voda Brestanica-Sv. Klara izgrañenog 1947. godine). Okolni prostor trase starog dalekovoda je intenzivno urbaniziran te su rekonstrokcijom predviñena rješenja kompaktiranja dalekovoda s minimalnim utjecajem na okoliš.

U tom smislu, rekonstrukcijom su postojeći drveni portali zamijenjeni novim cijevnim stupovima, a uz, širina koridora, s prvobitnih 10 m, sužena je na 3,5 m. Zbog tako značajnog smanjenja razmaka izmeñu vodiča, i ostalih dijelova pod naponom u odnosu na druge uzemljene dijelove stupa, provedena su sveobuhvatna dielektrična ispitivanja takovih izolacijskih konstrukcija, i to u realnim uvjetima na laboratorijskom modelu glave stupa.

Klju čne rije či: dielektrična ispitivanja, izolacijska konstrukcija, kompaktirani vod, kompozitni

izolator

DIELECTRIC TESTS OF INSULATING CONSTRUCTIONS FOR AP PLICATION ON COMPACT OVERHEAD LINE 2X110 kV SAMOBOR-RAKITJE-BOTI NEC SUMMARY The paper presents results of laboratory dielectric tests of insulating constructions, applied on the

110 kV compact double overhead line Samobor-Rakitje-Botinec, as part of the overall project of reconstruction of old overhead line Samobor-Rakitje-Botinec (part of former overhead line Brestanica-Sv. Klara, built in 1947th). The surrounding area of old overhead line has been intensively urbanized and with reconstruction are included solutions of compacting these transmission line with minimal enviromental impact.

In this sense, the existing wooden portals are replaced with new steel pipe towers, and width of the corridor from 10 m, was reduced to 3,5 m. Due to the significant reduction of the spacing between conductors, and other parts under voltage regarding to other grounded parts of the tower, a complete dielectric tests of these constructions were performed in real conditions on laboratory model of the tower head.

Key words: dielectric tests, insulating construction, compact line, composite insulator

10. savjetovanje HRO CIGRÉ Cavtat, 6. – 10. studenoga 2011.

HRVATSKI OGRANAK MEðUNARODNOG VIJEĆA ZA VELIKE ELEKTROENERGETSKE SUSTAVE – CIGRÉ

B2-02

2

1. UVOD

Nadzemni vod 110 kV Samobor-Rakitje-Botinec dionica je bivšeg osnovnog voda Brestanica-Sv. Klara (izgrañenog 1947. godine) koji je služio za evakuaciju proizvedene električne energije iz tada novoizgrañene termoelektrane u Brestanici (1943. godine) pokraj Krškog (danas Republika Slovenija) do Zagreba kao potencijalnog najvećeg potrošača na širem promatranom području bivše države.

Vod je izgrañen na drvenim portalnim stupovima, s osnovnom izolacijom sastavljenom od porculanskih kapastih izolatora te s aluminijskim vodičima nazivnog presjeka 120 mm2 (Slika 1.).

Zbog dotrajalosti kompletne opreme te činjenice da je prostor unutar i oko trase dalekovoda intenzivno urbaniziran, odlučeno je da se isti rekonstruira u postojećoj trasi, ali uz uvjet minimiziranja utjecaja na urbani okoliš i to na način da se primjene odgovarajuće metode kompaktiranja.

Slika 1. Pogled na stari nadzemni vod 110 kV Samobor-Rakitje-Botinec U svjetskoj elektroprivrednoj praksi već duže vrijeme kompaktirani dalekovodi kao rješenje sve

češće zamjenjuju „klasične vodove“ i značajno mijenjaju pristup gradnji prijenosnih i distributivnih vodova. Stupanj implementacije ovisi od podneblja, zemlje, elektroprivredne organizacije, specifičnosti regulative, a naročito o tehno ekonomskim parametrima planiranog projekta.

Kompaktiranje je posebno interesantno u sferi obnove i rekonstrukcije starijih vodova, pri podizanju njihove prijenosne moći, smanjenju elektromagnetskog utjecaja na okoliš ili pak u očuvanju i boljem elektroenergetskom iskorištenju postojećih koridora.

U urbanim sredinama takva je mjera od presudnog interesa u ekonomici izgradnje istih obzirom na sve veći porast cijene novih koridora i sve oštrijih zahtjeva smanjenja utjecaja na okoliš, što je u prikazanom slučaju od primarnog interesa.

U kompaktiranju dalekovoda od presudnog je značaja primjena odgovarajuće izolacijske konstrukcije koja, osim izolacije vodiča pod naponom, preuzima veći dio mehaničkih funkcija u usporedbi s klasičnim konstrukcijama i načinom njihove primjene. U pravilu riječ je o primjeni štapne izolacije kao dio nosivih i potpornih konstrukcija koje zamjenjuju čitave dijelove čelično rešetkastih struktura konzola.

Današnja tehnologija izrade relativno jeftinih kompozitnih izolatora s izuzetnim mehaničkim i izolacijskim svojstvima upravo pridonose primjeni istih u raznim projektnim rješenjima konzola sa značajnom rasterećenjem nosivog dijela stupova dalekovoda.

U konkretnom slučaju, projekt rekonstrukcije DV 2x110 kV Samobor-Rakitje-Botinec podrazumijevala ugradnju novih cijevnih stupova umjesto postojećih drvenih portalnih stupova, te primjenu izolacijskih konstrukcija s kompozitnim štapnim izolatorima u „V“ formi na nosivim stupovima.

Time je omogućena je znatna redukcija glave stupa, smanjene meñufaznih razmaka čime se širina koridora s osnovnih 10 m suzila na oko 3,5 m (Slika 2., Slika 3.).

3

Slika 2. Kompaktirani nadzemni vod 2x110 kV Slika 3. Pogled na glavu nosivog stupa

Samobor-Rakitje-Botinec Obzirom na prioritetne zahtjeve dielektričnih svojstava izolacijskih konstrukcija, zbog posebnosti

kompaktiranja glava stupova i smanjenja razmaka vodiča prema uzemljenim dijelovima dalekovoda, od presudne je važnosti utvrditi stvarna dielektrična svojstva istih, sukladno zahtjevima koordinacije izolacije [1], očuvanja pouzdanosti i sigurnosti voda.

2. DIELEKTRIČNA ISPITIVANJA IZOLACIJSKIH KONSTRUKCIJA

U nastavku rada daje se kratki pregled pripreme, rezultati provedenih ispitivanja, komentar istih kroz aspekte i zahtjeve koordinacije izolacije te sagledavanje i mogućnost primjene specifičnih mjera u cilju očuvanja visoke pogonske pouzdanosti kompaktiranog voda u zadanim pogonskim uvjetima.

2.1. Priprema laboratorijskog modela za ispitivanja

Izabrana projektna rješenja izolacijskih konstrukcija koja su implementirana na rekonstruiranom dvostrukom dalekovodu, podvrgnuta su sveobuhvatnim laboratorijskim dielektričnim ispitivanjima radi utvrñivanja podnosivih i preskočnih napona u suhom i na kiši, polazeći u pripremi ispitivanja od osnovnih dimenzija glave nosivog stupa i meñusobnog rasporeda izolacijskih konstrukcija (Slika 4.) s kompozitnim štapnim izolatorima u „V“ spoju (Slika 5).

Slika 4. Skica glave nosivog stupa Slika 5. Skica kompozitnog izolatora

4

Obzirom na vrstu stupa i načina zavješenja izolacijskih konstrukcija na samom stupu nadzemnog voda, za ispitivanja su pripremljene dvije karakteristične konstrukcije za pripremu laboratorijskog modela; i to za :

− nosivu izolacijsku konstrukciju s kompozitnim izolatorima u „V“ spoju, s prstenima za oblikovanje električnog polja i izjednačenje potencijala duž izolatora te kompletom ovjesnog pribora (model jedne faze voda), (Slika 6.)

− zateznu izolacijsku konstrukcija s kompozitnim izolatorom u horizontalnom položaju, s prstenima za oblikovanje električnog polja i izjednačenje potencijala duž izolatora te kompletom ovjesnog pribora (model jedne faze voda), (Slika 7.)

Slika 6. Detalj nosive izolacijske konstrukcije Slika 7. Skica zavješenja na zateznom stupu Takoñer, pri pripremi laboratorijskog modela potrebno je bilo uzeti u obzir dimenzije i meñusobni

raspored metalnih masa glave stupa radi osiguranja realnih uvjeta ispitivanja glede formiranja električnog polja oko dijelova pod ispitnim naponom i uzemljenih dijelova simuliranog dijela glave stupa.

Na slici 8. dan je prikaz laboratorijskog modela dijela glave nosnog stupa s izolacijskom konstrukcijom u „V“ spoju, sa zavješenim vodičem jedne faze.

Iz slike se jasno vidi model ostalih uzemljenih metalnih dijelova glave stupa relevantnih za konačni rezultat laboratorijskih dielektričnih ispitivanja (pogled na model stupa i metalni kosnik susjedne donje faze voda).

Slika 8. Prikaz zavješenja vodiča jedne faze na modelu glave nosivog stupa

5

2.2. Provedba ispitivanja

Ispitivanja su provedena na izolacijskim konstrukcijama s kompozitnim štapnim izolatorom za naponsku razinu mrežnog napona Un/Um=110/123 kV. Osnovne karakteristike kompozitnog izolatora su kako slijedi:

− Maksimalni napon mreže Um: 123 kV − Podnosivi izmjenični napon 50 Hz pod kišom/1min: 295 kV − Podnosivi udarni napon oblika vala 1,2/50 µs, pozitivni: 615 kV − Strujna staza: 3469 mm − Razmak izmeñu zaštinih armatura za uspostavu luka: 068 mm − Mehanička prekidna sila na vlak: 120 kN − Broj alterniranih rebara (veći/manji): 19/18 − Masa izolatora: 5,1 kg Ispitivanju su podvrgnute slijedeće karakteristične izolacijske konstrukcije: − Nosivi izolatoski lanac V („V“ spoj) − Jednostruki zatezni lanac Z (horizontalni položaj)

Visokonaponska ispitivanja izolatorskog lanca provedena su prema normi HRN IEC 60060-

1/2002 s ispitnim krugom prema shemama danim na slikama 9. i 10., i to u slijedećem opsegu:

− Odreñivanje 50%-tnog udarnog napona u suhom − Odreñivanje podnosivog udarnog napona u suhom − Mjerenje preskočnog i podnosivog izmjeničnog napona 50 Hz pod kišom

Slika 9. Shema ispitnog kruga za Slika 10. Shema ispitnog kruga za ispitivanje ispitivanje udarnim naponom izmjeničnim naponom 50 Hz

Za utvrñivanje preskočnog i podnosivog izmjeničnog napona frekvencije 50 Hz u uvjetima kiše,

korišten je laboratorijski ureñaj za proizvodnju umjetne kiše. Na slikama 11. i 12. pokazani su detalji s ispitivanja izolacijskih konstrukcija (nosiva i zatezna) u visokonaponskom laboratoriju.

6

Slika 11. Nosivi „V“ lanac u uvjetima ispitivanja Slika 12. Zatezna izolacijska konstrukcija u uvjetima

na umjetnoj kiši ispitivanja na umjetnoj kiši Dielektrična ispitivanja u suhoj atmosferi standardnim impulsnim naponom valnog oblika 1,2/50

µs potvrñuju prvenstveno geometriju cijele izolacijske konstrukcije, odnosno podnosive i preskočne napone za zadani razmak zaštitnih armatura (prstenova) unutar cijele konstrukcije.

Ispitivanja u uvjetima umjetne kiše prvenstveno imaju zadatak utvrditi podnosive i preskočne vrijednosti izmjeničnog napona industrijske frekvencije pri čemu je oblik i kvaliteta površine (duljina klizne staze) samog izolatora odlučujuća za zadanu naponsku razinu.

Naime, površinska naprezanja na izolatoru u uvjetima vlažne atmosfere (kiše) bitno mogu sniziti podnosive vrijednosti napona ukoliko je riječ o nedovoljnoj kliznoj stazi ili lošem stanju površine samog izolatora.

Na slijedećim slikama 13. i 14. pokazani su detalji s dielektričnih laboratorijskih ispitivanja u uvjetima suhe i vlažne atmosfere, odnosno tijekom ispitivanja izmjeničnim naponom industrijske frekvencije te standardnim impulsnim naponom valnog oblika 1,2/50 µs, a prema zahtjevima koordinacije izolacije

Slika 13. Električni luk uslijed preskoka pri Slika 14. Preskok izmeñu armatura pri ispitivanju ispitivanju izmjeničnim naponom impulsnim naponom u suhom

u uvjetima umjetne kiše

Ispitivanja izolacijskih konstrukcija standardnim impulsnim naponom valnog oblika 1,2/50 µs provedena su s pozitivnim i negativnim polaritetom primijenjenog ispitnog napona.

Na slikama 15. i 16. dan je prikaz oscilograma ispitnog impulsnog napona pozitivnog i negativnog polariteta.

7

Slika 15. Oscilogram impulsnog ispitnog napona Slika 16. Oscilogram impulsnog ispitnog napona

(„pozitivni“ polaritet) („negativni“ polaritet)

2.3. Rezultati ispitivanja

Jedan od osnovnih preduvjeta tijekom provedbe dielektričnih ispitivanja u laboratorijskim uvjetima je utvrñivanje parametara atmosfere radi primjene korekcijskih faktora na svaki od polučenih rezultata ispitivanja.

2.3.1. Odreñivanje 50%-tnog presko čnog napona na suhom

Ispitivanje je provedeno sa standarnim udarnim naponom oblika vala 1,2/50 µs po proceduri

metodom „gore-dolje” prema IEC 60060-1.

Tablica I. Mjerenje 50%-tnog preskočnog udarnog napona u suhom

50%-tni udarni napon [kVvrš] Standarna devijacija z [%] Izolaciska konstrukcija:

(-) polaritet (+) polaritet (-) polaritet (+) polaritet

Nosivi izolatorski lanac V 648 513 1,1 1,2 Jednostruki zatezni lanac Z 704 538 0,9 1,1

2.3.2. Odreñivanje podnosivog udarnog napona na suhom

Na temelju odreñenog 50%-tnog udarnog napona i standarne devijacije (z) iz tablice I podnosivi

udarni napon U10 prema IEC 60060-1 izračunava se po slijedećoj relaciji:

U10=U50 (1-1,3 z) [kVvrš] (1)

gdje je (z) standarna devijacija u [%].

Tablica II. Mjerenje 50%-tnog preskočnog udarnog napona u suhom

Podnosivi udarni napon U10 u [kVvrš]

(-) polaritet (+) polaritet Izolacijska konstrukcija:

izmjereno korigirano izmjereno korigirano

Nosivi izolatorski lanac V 639 656 505 527 Jednostruki zatezni lanacc Z 696 704 531 545

8

Prema tablici 5-2 izmjerene podnosive vrijednosti udarnog napona iznose: − - Nosivi izolatorski lanac V - 527 kVvrš − - Jednostruki zatezni lanac Z 545 kVvrš

Prema koordinaciji izolacije u visokonaponskim postrojenjima IEC 60071-1/2006 propisani su

sljedeći podnosivi udarni naponi oblika vala 1,2/50 µs :

− puni stupanj izolacije 550 [kVvrš] − smanjeni stupanj izolacije 450 [kVvrš]

Obje ispitivane izolacijske konstrukcije iz tablice II zadovoljavaju za sniženi stupanj izolacije.

2.3.3. Odreñivanje presko čnog i podnosivog izmjeni čnog napona na kiši Ispitivanje je provedeno pod umjetnom kišom karakteristike prema IEC 60060-1 kako slijedi:

− horizontalna komponenta 1,0 - 1,5 mm/min − vertikalna komponenta 1,0 - 1,5 mm/min − temperatura vode 20 ºC − specifični električni otpor vode 103 Ωm −

Tablica III. Podnosivi preskočni i podnosivi izmjenični napon pod kišom

Preskočni izmjenični napon u [kVeff] Oznaka:

1 2 3 4 5

Srednja vrijednost

[kVeff]

Podnosiva vrijednost

[kVeff] /1min

V 334 336 335 334 339 336 320 Z 350 352 352 354 353 352 335

Prema tablici III izmjereni podnosivi izmjenični naponi lanca iznose:

− - Nosivi izolatorski lanac V 320 kVeff − - Jednostruki zatezni lanac Z 335 kVeff −

Prema koordinaciji izolacije u visokonaponskim postrojenjima IEC 60071-1/2006 propisane su slijedeće podnosive vrijednosti izmjeničnog napona 50 Hz/1min. :

− puni stupanj izolacije 230 [kVeff] − sniženi stupanj izolacije 185 [kVeff] −

Obje ispitivane izolacijske konstrukcije tablice III. zadovoljavaju uvjete za puni stupanj izolacije. Obzirom na rezultate ispitivanja impulsnim naponom standardnog obloka 1,2/50 µs, ispitivane izolacijske konstrukcije za primjenu na dvostrukom nadzemnom kompaktiranom vodu 2x110 kV Samobor-Rakitje-Botinec, mogu se upotrijebiti za uvjete sniženog stupnja izolacije u primjenjenoj mreži naponske razine Un/Um=110/123 kV.

3. ZAKLJU ČAK U cilju utvrñivanja dielektričnih svojstava projektom predviñenih izolacijskih konstrukcija s

kompozitnim štapnim izolatorom za primjenu na kompaktiranom dvostrukom nadzemnom vodu 2x110 kV Samobor-Rakitje-Botinec, provedena su opsežna laboratorijska dielektrična ispitivanja u realnim uvjetima na laboratorijskom modelu dijela glave stupa.

Zbog primjenjene metode kompaktiranja rezultati provedenih laboratorijskih dielektričnih ispitivanja od presudnog su upliva ostale dijelove projekta u sferi koordinacije izolacije predmetnog nadzemnog voda i krajnjih priključnih postrojenja.

9

Obzirom na laboratoriski dokazan sniženi stupanj izolacijskih konstrukcija u uvjetima pogonskog napona priključne mreže Un/Um=110/123 kV, pokazuje potreba nužne primjene dubokog ograničenja prenapona atmosferskog podrijetla primjenom metaloksidnih odvodnika u tzv. „linijskoj zaštiti“ voda.

U protivnom, za očekivati je veću neraspoloživost dalekovoda zbog mogućih češćih preskoka na primijenjenoj izolaciji uslijed sniženih dielektričnih karakteristika. 4. LITERATURA [1] HRN IEC 60060-1/2002 [2] HRN IEC 60060-2/2002 [3] ABB Odvodnici prenapona – Upute za korisnike, Izdanje hr 4, 2003-10 [4] Dielektrična ispitivanja izolatorskih lanaca za DV 2x110 kV Samobor-Rakitje sa kompozitnim štapnim

izolatorima; nosivi izolator V i jednostruki zatezni lanac Z, Izvještaj Institut za elektroprivredu i energetiku, Zagreb, 2010.

[5] Tehnika visokog napona, prof.dr.sc. Ivo Uglešić, dipl.ing., Zagreb, 2002 [6] Glavni projekt rekonstrukcije DV 2x110 kV Samobor-Rakitje-Botinec; Dalekovod-Projekt; Zagreb,

2009. IX International Symposium on Lightning Protection 2007: In-service testing and diagnosis of gapless metal oxide surge arresters, Vegard Larsen, Kjetil Lien

[7] Siemens AG – customer information – Monitoring of High Voltage Metal Oxide Surge Arresters