Archive for the ‘Conductoare preizolate LEA mt’ Category

50 de ani de utilizare a conductoarelor preizolate

31/08/2011


Am placerea sa va supun atentiei rezultatele unei cercetari, efectuate de EA
Tchnology Ltd Australia in cadrul unui program guvernamental (Australian
Strategic Technology  Programme), referitoare la comportarea in exploatare a
conductoarelor preizolate (covered conductor) si izolate (cablu universal si
conductor torsadat)

Raportul este semnat de domnul A B Wareing. Utilizati linkul urmator pentru lecturarea textului integral in limba engleza Covered-conductor-systems-for-distribution-report-number-5925

In lume utilizarea conductoarelor preizolate are o vechime de
cca 50 de ani insumand peste 100000 km. In Australia anilor 2005 existau relativ
putine cazuri in care s-a utilizat conductorul preizolat. In vederea
fundamentarii deciziei de crestere a volumului de LEA realizata cu conductoare
preizolate a fost realizata o analiza internationala  detaliata a istoriei
utilizarii conductorului  scotand in evidenta problemele si solutiile asociate
fiecarei etape de dezvoltare a tehnologiei si materialelor.

Raportul atasat contine foarte multe informatii direct
aplicabile in retelele de distributie (RED) unele avand caracter de noutate absoluta (raportat
la experienta actuala si la tipul de probleme public discutate in cadrul CEZD).
Intre acestea:
 

    • explicatia problemelor intampinate cu unele loturi de conductor
      torsadat care nu rezista la contactul prelungit cu vegetatia

    • aspecte legate la protectia la STA 
    • aspecte legate de dificultatile de detectare a conductorului
      cazut la pamant
       
    • existenta conductoarelor cu 3 straturi: semiconductor
      (uniformizeaza campul), izolatie propriu-zisa din polietilena moale, stratul de
      uzura din polietilena de inalta densitate rezistenta la ultraviolete
        si la frecare

    • LEA mt cu conductor purtator cu functii de fir de garda si
      conductoare de faza „jumelate” = tehnologie „spacer conductor” utilizata pe
      scara larga in America
       

 

    • aspecte legate de electrosecuritate extrem de interesante si
      importante pentru noi
       
    • evolutia indicatorilor de continuitate in lume. In figura date
      din Japonia unde s-a ajuns la durate medii de intrerupere (CML = echivalent
      SAIDI) de 3 minute/an/condumator

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    • domenii de relevanta pentru utilizarea  fiecarui tip de
      conductor: neizolat, preizolat, spacer, izolat torsadat, cablu universal, LES
      casic  functie de caracteristicile th, particularitatile aplicatiei, performante
      vizate etc
    • aspecte legate de costuri, rentabilitate etc 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    • avem o lista bibliografica mare si valoroasa  pentru conductoarele preizolate
    • avem identificate principalele reglemetari existente in
      lume
        intre care cele mai importante cele din
      Anglia
        care a preluat si dezvoltat experienta tarilor
      Nordice.
      Normativele Energy Networks Association
      mentionate mai jos au atasate si programe de
      proiectare:

        ENATS 43-120 Covered Conductor 1 to 33kV March 2002 

ENATS 43-121 Compact CC construction for single circuit wood pole linesJanuary 2004 (draft) 
ENATS 43-122 Fittings for CC lines 1 to 33kV March 2002
   si care au constituit baza pentru 
standardele  CENELEC – seria EN50397 (3 volume).

Delimitarea raspunderii!

10/04/2011

 Dupa aproape 4 ani de experimetare a comunicarii pe blog cu persoane interesate de probleme de energetica simt nevoia sa inserez un scurt articol dedicat „delimitarii raspunderii” acea sectiune  „disclaimer” asociata majoritatii web-site-urilor utilitare.

Postez informatii si dau raspunsuri cu buna credinta. Calitatea acestora depinde insa de acuratetea informatiei primare la care am acces  si/sau dupa caz de gradul in care am reusit sa definesc problema asupra careia mi se cere opinia. De asemenea calitatea opiniilor exprimate de mine este subsumata convingerilor profesionale pe care le am, la un moment dat, asupra unui subiect fara ca aceasta calitate sa corespunda tuturor exigentelor.

Nu in ultimul rand, accept ideea ca anumite opinii exprimate de mine pe blog pot fi gresite.

In timp imi pot schimba opinia asupra unui anumit subiect ca urmare a documetarii suplimetare si/sau accesarii unor noi detalii sau intelegerii mai bune a unui subiect. Este foarte posibil insa sa nu revin asupra unor afirmatii asupra carora mi-am modificat pozitia pur si simplu pentru ca, mai ales in cazul comentariilor, nu tin o evidenta a acestora!

Prin urmare va invit sa utilizati cu discernamant si circumspectie informatiile la care aveti acces pe blog. De preferat sa verificati informatiile din surse mai autorizate!

Raspunderea asupra consecintelor utilizarii informatiilor de pe bog apartine in intregime utilizatorilor  acestor informatii!

Prezentul mesaj are menirea de a constientiza utilizatorii asupra riscului de a utiliza niste informatii gresite si in acest mod sa previn nemultumiri si/sau pagube de orice forma sau cuantum.

Cu stima,

Stoian Constantin

LEA 20 kV conductoare preizolate tehnologia PAS

20/12/2007

  SGC 2002         Tehnologie experimentata cu succes si in tara noastra. Prezentam detaliile esentiale pentru intelegerea acestei tehnologii de realizare LEA 20 kV. In imaginea urmatoare avem o legatura se intindere in colt pe un stalp de intindere din lemn realizata cu izolatoare compozite. Furnitura este ENSTO Finlanda

lg int colt 

 In imaginea urmatoare avem o legatura de sustinere in aliniament pe izolatoare ceramice 20 kV . Remarcam si aici conductorul preizolat si descarcatoarele menite sa protejeze atat izolatia cat si conductorul in situatia amorsarii unui arc electric datorita supratensiunilor atmosferice 

lg sust

Legatura de sustinere in aliniament, coronament vertical. Remarcati cat de ingust este culoarul de siguanta

 leg de sust coronam vertical

 PTA realizat pe 2 stalpi in axul unei LEA 20 kV realizata cu conductoare torsadate

PTA

Studiu de caz privind cerintele tehnice impuse conductorului preizolat XLPE destinat constructiei LEA 20 kV (partea 2)

24/11/2007

Timisoara

             Conf.dr.ing. PANĂ Adrian:                    Universitatea “Politehnica” din Timişoara, Facultatea de Electrotehnică,

                                                                           Catedra de Electroenergetică

           Conf.dr.ing. TITIHĂZAN Viorel              UPT Catedra de Electroenergetică

           

           Prof.dr.ing. BUTA Adrian        UPT Catedra de Electroenergetică

              

              ing. STOIAN Constantin     

 

 

                 Rezumat. Partea a doua a referatului trece în revistă principalele cerinţe tehnice necesare pentru materialul folosit la izolarea conductoarelor LEA (XPLE) şi prezintă o avarie produsă pe una dintre liniile exploatate de E.D. Rm. Vâlcea, în contextul reţinerilor manifestate de către utilizator asupra calităţii acestui tip de conductoare fabricate de unul dintre furnizorii interni. Referatul ridică problema valabilităţii standardelor finlandeze, adoptate de către producătorii interni la construcţia conductoarelor izolate destinate liniilor electrice din România. Se ajunge la concluzia necesităţii elaborării unui set de standarde referitoare la proiectarea, construcţia, montarea şi exploatarea în România a liniilor electrice aeriene de medie tensiune cu conductoare izolate.

Cuvinte cheie: Linii electrice aeriene cu conductoare izolate. Polietilenă reticulată (XLPE).

   

1.       STUDIU DE CAZ  

              Am studiat comportarea in  exploatare a noii tehnologii atât la liniile nou construite cât şi la LEA modernizate prin înlocuirea conductorului clasic cu conductor izolat, la liniile aflate în exploatare. Această a doua variantă a fost aplicată pe un tronson al LEA 20 kV prin utilizarea de conductor izolat fabricat de S.C. Pirelli România S.A. Acest caz il vom detalia in continuare.

                 În timpul funcţionării, pe tronsonul modernizat cu conductor preizolat sa produs o avarie, constând în distrugerea izolaţiei conductorului întruna dintre deschideri, ca urmare a contactului cu vegetaţia. Preocupat pentru a stabili cauzele acestei avarii, care în opinia sa constau în caracteristicile tehnice necorespunzătoare ale conductorului, beneficiarul a organizat o expertiză tehnică la care au participat şi reprezentanţii producătorului.

                     Ca urmare a examinării în teren a LEA în cauză, au fost constatate următoarele:

                   a)     Tronsonul pe care s-a făcut înlocuirea conductorului neizolat tip OL-Al cu conductor preizolat cu polietilenă reticulată, tip OAC2X, parcurge un traseu aflat în imediata vecinătate a unui versant muntos împădurit şi se întinde pe lungimea a cca. 4 km. În zona respectivă, buna funcţionare a LEA era periclitată în foarte mare măsură de acţiunea vegetaţiei, fapt ce a justificat pe deplin instalarea conductoarelor preizolate.

                    b)    Schimbarea conductoarelor s-a făcut de către Serviciul Exploatare, folosindu-se tehnologia obişnuită şi fără producerea de modificări esenţiale în configuraţia coronamentului stâlpilor sau a izolaţiei şi armăturilor. S-au luat însă măsuri suplimentare pentru evitarea deteriorării stratului izolator din polietilenă reticulată, în timpul manipulării şi instalării conductorului.

                  c)     Datorită ecranării produse de vârfurile copacilor aflaţi pe versanţii din imediata apropiere, pe tronsonul la care ne referim, probabilitatea apariţiei unei supratensiuni produse prin lovitură directă de trăsnet este extrem de redusă. Nu se poate însă exclude posibilitatea apariţiei unei supratensiuni pe conductoarele LEA din zona respectivă, fie sub forma unei unde propagate pe linie (“călătoare”) ca urmare a unei descărcări directe de trăsnet într-o zonă apropiată, fie sub forma unei unde de supratensiune indusă de o descărcare atmosferică produsă în imediata vecinătate a liniei.

                   d)    Pe LEA în cauză (în ax), după instalarea conductoarelor preizolate, nu au fost montate dispozitive suplimentare pentru protecţia împotriva supratensiunilor accidentale, rămânând funcţionale doar cele existente anterior acestei operaţii (DRV-uri şi DC-uri montate în general pe ramificaţii, imediat în amonte de transformatoarele din PT-uri, sau la trecerile LEA-LES);

                   e)     În timpul expertizei, tronsonul de linie în cauză a fost scos de sub tensiune, fapt care a permis studierea din apropiere a conductoarelor. Analiza s-a concentrat asupra unui defect relativ grav produs asupra unui conductor izolat din zona amintită, defect care a ridicat din partea gestionarului LEA semne de întrebare asupra performanţelor conductoarelor preizolate produse de către S.C. Pirelli România S.A. Slatina şi asupra eficienţei noii tehnologii. Descrierea defectului constatat se prezintă mai jos;

                    f)      Pe conductorul de pe faza plasată pe vârful stâlpilor, într-una dintre deschideri, aproximativ la jumătatea deschiderii, pe o porţiune de lungime cca. 25 cm, izolaţia de polietilenă era topită şi carbonizată, cu urme de picurare şi zone de 3-4 cm în care conductorul a rămas descoperit ;

                    g)    Nu s-a constatat afectarea integrităţii conductorului funie OL-Al;

                     h)    Conform celor descrise la constatări anterioare, în dreptul locului în care s-a produs distrugerea stratului izolator, a fost găsită creanga unui copac din apropierea liniei, ce prezenta urme evidente de arsură, creangă ce ulterior a fost îndepărtată de către personalul de exploatare;

                      i)      În general conductorul preizolat existent în deschidere prezenta urme de zgârieturi longitudinale, produse cel mai probabil în timpul montajului, dar ele aveau un caracter superficial, nefiind de natură să pericliteze semnificativ calităţile mecanice sau electrice ale conductorului;

                      j)      Suprafaţa exterioară a stratului izolator era relativ curată, conţinând depuneri inerente de praf, minore, acumulate temporar din atmosferă;

                      k)     Este evident că defectul descris anterior a avut loc datorită amorsării unui arc electric între conductorul de fază preizolat şi creanga copacului, aflate în contact direct, ca urmare a străpungerii izolaţiei (stratul de polietilenă) dintre cele două elemente aflate la potenţiale electrice diferite. Acest arc electric a fost întreţinut apoi pe o durată relativ mare de timp (minute, zeci de minute), fapt ce explică efectele termice importante asupra izolaţiei, descrise mai sus. Pentru că prin intermediul arcului electric se produce de fapt o punere la pământ monofazată, menţinerea sa pentru perioade relativ lungi de timp este posibilă, deoarece neutrul reţelei în cauză este tratat prin bobină de stingere şi deci o punere la pământ monofazată nu conduce la deconectarea automată a liniei, ci doar la semnalizarea punerii la pământ. 

                               Problema este deci de a se stabili fenomenul care a condus la străpungerea izolaţiei din XLPE. Dacă se elimină posibilitatea ca exact în zona în care vegetaţia a venit în contact cu conductorul să fi existat un defect major de fabricaţie sau o deteriorare semnificativă produsă în timpul montajului, se pot lua în discuţie următoarele ipoteze:

I.      Străpungerea izolaţiei în regim normal de funcţionare, caz în care acesteia i se aplică (între conductorul de fază şi creangă) o tensiune de frecvenţa industrială, având o valoare efectivă apropiată de cea a tensiunii de fază nominale: 20/  = 11,5 kV. Acest fenomen poate fi favorizat de creşterea temperaturii izolaţiei (produsă de curentul ce trece prin conductor şi/sau radiaţia solară).

II.    Străpungerea izolaţiei într-un regim în care una dintre celelalte două faze a fost pusă la pământ. După cum se ştie, într-o astfel de situaţie, în reţelele având neutrul tratat prin bobină de stingere, are loc o deplasare a potenţialului neutrului faţă de pământ până la o valoare comparabilă cu tensiunea nominală de fază, ceea ce face ca şi tensiunea fazelor “sănătoase” faţă de pământ (tensiunea aplicată izolaţiei) să crească, până la o valoare comparabilă cu valoarea tensiunii nominale (tensiunea de linie: 20 kV). Dacă se ţine cont şi de faptul că la această creştere se adaugă supratensiunile de comutaţie produse în circuitul echivalent conţinând componente de tip R,L,C, de către arcul electric de punere la pământ, se ajunge la concluzia producerii unei suprasolicitări electrice semnificative a izolaţiei în acest regim. 

      Aceasta a fost ipoteza avansată de gestionarul LEA 20kV, bazată pe faptul că prin documentaţia de fabricaţie a conductorului, în vigoare la data respectivă ([1]), producătorul garanta rezistenţa conductorului preizolat, fără străpungerea stratului izolant, la încercarea cu tensiune de (numai) 14 kV, 50 Hz, sub apă, timp de 48 h. Ulterior, producătorul a prezentat un buletin de încercări actualizat, prin care se certifica rezistenţa conductorului preizolat, fără străpungerea stratului izolant, la încercarea cu tensiune de 24 kV, 50 Hz, sub apă, probă executată conform standardului finlandez SFS 5791-1994 ( [2] ). Pe baza buletinului respectiv urma să se opereze modificări în standardul de firmă.

III.  Străpungerea izolaţiei din XLPE de către o undă de supratensiune de origine atmosferică sau internă (de comutaţie), apărută pe conductorul de fază. 

                Ca ipoteză emisă în această fază preliminară, am considerat că pentru defectul descris mai sus, cauza cu probabilitatea cea mai mare o constituie acţiunea unei unde de supratensiune de origine atmosferică (“călătoare”), atât datorită faptului că amplitudinea unei astfel de unde poate conduce la străpungerea izolaţiei de XLPE, cât şi faptului că defectul s-a produs pe conductorul amplasat pe vârful stâlpilor, în condiţiile în care pe axul LEA nu au fost amplasate dispozitive suplimentare de protecţie.

                 Dar dacă se ţine seama de faptul că, conform afirmaţiilor beneficiarului, în perioada producerii defectului, în zonă nu sau produs descărcări electrice atmosferice, un răspuns final, mai argumentat urmează să fie dat pe baza verificării caracteristicilor tehnice ale conductorului izolat şi a conformităţii execuţiei acestuia cu normele interne şi internaţionale. O atenţie specială va fi acordată materialului din care este confecţionat stratul izolant, motiv pentru care, în cele ce urmează, se vor face câteva referiri la cerinţele tehnice impuse acestora.

2.     Cerinţe tehnice pentru materialul folosit la izolarea conductoarelor  

              Stratul electroizolant al conductoarelor pentru LEA construite în noua tehnologie trebuie să facă faţă unei multitudini de solicitări, de diverse categorii:

   solicitările mecanice din timpul transportului şi montajului (cele mai periculoase fiind cele care pot conduce la perforare şi eroziune);   solicitările mecanice specifice din timpul exploatării rezultate prin aplicarea soluţiilor constructive ale LEA (montarea pe izolatoarele de susţinere sau de întindere, etc.) sau acţiunii chiciurei, zăpezii, a vegetaţiei căzute pe linie, etc.;

   stresul provocat de vânt sau de variaţiile de temperatură;

   solicitările specifice elementelor electroizolante în condiţiile asigurării unui anumit nivel de izolaţie între conductorul de fază şi mediul traversat de acesta;

   eroziunea sub acţiunea descărcărilor de suprafaţă asociate curenţilor de scurgere de suprafaţă, caracteristice elementelor izolatoare din materiale plastice, ce se găsesc sub acţiunea unor câmpuri electrice intense (produse de liniile electrice de înaltă tensiune din vecinătate sau de descărcările electrice atmosferice);

   solicitările de îmbătrânire (degradarea în timp a structurii fizico-chimice) sub acţiunea poluanţilor din atmosferă şi mai ales a radiaţiilor solare ultraviolete. 

               În cazul cablurilor de energie izolate dar neecranate (aşa cum sunt şi conductoarele izolate pentru LEA), cu deosebire în medii expuse umidităţii sau  poluării de diverse tipuri, pe suprafaţa izolaţiei pot apărea tensiuni induse ce dau naştere unor curenţi de scurgere, cărora li se asociază fenomenul de descărcări electrice la suprafaţa materialului. Umiditatea şi poluarea pot favoriza şi închiderea pe suprafaţa izolaţiei conductoarelor LEA, a traseului parcurs de curentul de trăsnet, de la locul de incidenţă a acestuia spre locul de descărcare (pământ sau altă fază). În funcţie de energia termică asociată acestor descărcări, pe suprafaţa izolaţiei apar deteriorări locale sub forma unor trasee de material carbonizat de diferite lungimi, adâncimi şi conductivităţi electrice. Deteriorările mai puţin severe vor conduce la o eroziune a materialului care va slăbi izolaţia, iar cele mai grave vor consta în formarea de punţi conductoare (trasee la suprafaţă pe care materialul este carbonizat) şi practic în distrugerea izolaţiei.

fig 1

                 În fig. 1 se prezintă mecanismul deteriorării materialului electroizolant sub acţiunea descărcărilor electrice de suprafaţă [4].                O analiză tehnico-economică a condus spre soluţia folosirii polietilenei reticulate (XLPE), aplicată prin extrudare pe conductoarele OL-Al în construcţie compactă. Într-o compoziţie obişnuită, polietilena prezintă o foarte bună rezistenţă la solicitări mecanice, la umiditate şi variaţii de temperatură, dar şi faţă de curenţii de scurgere pe suprafaţă (tracking resistance). Aceasta din urmă este o calitate deosebit de importantă, mai ales în cazul folosirii în zone cu activitate keraunică intensă şi dacă distanţele dintre faze sunt mici. XLPE prezintă însă o rezistenţă foarte slabă faţă de acţiunea radiaţiilor ultraviolete solare, motiv pentru care în compoziţia sa se introduc substanţe stabilizatoare la UV, cea mai importantă dintre acestea fiind negrul de fum.

                Prezenţa negrului de fum scade însă în mod accentuat calităţile dielectrice ale XLPE şi în mod deosebit rezistenţa acesteia la curenţii de scurgere pe suprafaţă (fig. 2). 

 fig2_3

               Valoarea concentraţiei de negru de fum este deci determinantă în ceea ce priveşte calitatea compromisului făcut pentru satisfacerea tuturor cerinţelor impuse.

                Influenţa valorii concentraţiei negrului de fum asupra rezistenţei la descărcări a polietilenei (în cazul încercării de determinare a rezistenţei la curenţii de scurgere pe suprafaţă, în prezenţa ceţei şi a prafului, efectuate conform standardului ASTM D 2332), este ilustrată în fig. 3.  

              Se poate constata că la o concentraţie de 1% a negrului de fum, timpul de defect (definit în standardul amintit mai sus), scade în mod dramatic, ceea ce conduce la concluzia limitării stricte a valorii concentraţiei de negru de fum. 

fig 4_5

                De obicei pentru “conductoarele acoperite” concentraţia de negru de fum a stratului de polietilenă este de 2÷3 % [2, 5], iar pentru conductoarele cu stratul izolant “rezistent la descărcări” (track resistant) concentraţia este de 0,5 % [6]. 

               Dar nu numai valoarea concentraţiei de negru de fum este importantă pentru proprietăţile polietilenei ci şi uniformitatea dispersiei acestuia în masa de amestec. O dispersie neuniformă a negrului de fum dar şi un număr mare de goluri sau de particule străine, pot afecta în mod hotărâtor rezistenţa la descărcări de suprafaţă dar şi rezistenţa la solicitări climatice (umiditate, radiaţii UV, variaţii de temperatură). În fig. 4 este ilustrată influenţa coeficientului de dispersie a negrului de fum asupra rezistenţei la descărcări electrice de suprafaţă, iar în fig. 5 asupra rigidităţii dielectrice [4]. 

               Prin urmare se poate considera ca fiind deosebit de importantă obţinerea unei dispersii corespunzătoare a negrului de fum în masa de amestec, în timpul amestecului şi apoi a extrudării, asupra celor mai importante proprietăţi ale polietilenei. 

               Referitor la testele privind verificarea influenţei radiaţiilor UV respectiv a umidităţii asupra proprietăţilor polietilenei reticulate în amestec cu negru de fum şi alţi stabilizatori UV, în literatură ([4]) se demonstrează un bun comportament şi satisfacerea cerinţelor impuse de norme. 

               Între standardele din diferite ţări, referitoare la conductoarele izolate cu strat izolator pentru LEA de medie tensiune, există diferenţe uneori semnificative. În principiu, în ţările din Orientul Îndepărtat şi în America de Sud, s-a adoptat standardul american ICEA S-66-524, iar în ţările din nordul Europei se folosesc standarde referitoare la “conductoarele acoperite”. În standardele din prima categorie se impun teste pentru verificarea rezistenţei la curenţii de descărcare pe suprafaţă (conform ASTM D 2303 şi ASTM D 2132 sau CEI 587) şi aplicarea unui strat semiconductor între conductor şi învelişul electroizolant, pe când în cele din a doua categorie stratul de polietilenă este văzut mai degrabă ca o protecţie mecanică împotriva agresiunilor exterioare şi nu ca o izolaţie. 

               În tabelul 1 se prezintă o sinteză a principalelor cerinţe tehnice impuse diferitelor tipuri constructive de conductoare şi de materiale izolatoare pentru acoperirea conductoarelor.

tab 1

3.       propunere de Caiet de sarcini pentru conductoarele izolate

                Verificările efectuate în cadrul laboratorului de înaltă tensiune al Facultăţii de Electrotehnică din Timişoara, pe eşantioane de conductor de acelaşi tip cu cel pe care a apărut avaria descrisă mai sus, au validat conformitatea caracteristicilor tehnice ale acestora cu cele impuse de documentaţia de execuţie.

                Prin referatul de faţă dorim însă să supunem discuţiei unui cerc mai larg de specialişti, problema corectitudinii normelor tehnice existente la ora actuală în România, cu privire la fabricarea conductoarelor izolate pentru liniile electrice aeriene de medie tensiune, dar şi la proiectarea, execuţia şi exploatarea acestui tip de linii.

                  Suntem de părere că deocamdată, condiţiile tehnice aferente aplicării în România a soluţiei de construcţiei a LEA de medie tensiune cu conductoare izolate, nu sunt pe deplin clarificate. Avantajele noii tehnologii sunt evidente dar concurenţa pentru ocuparea pieţei interne, a condus la aplicarea sa în condiţiile absenţei unor reglementări la nivel naţional şi al adoptării “din mers” a normele altor ţări.

                Astfel, de exemplu, folosirea ca referinţă a standardelor finlandeze din domeniu este discutabilă, cel puţin sub aspectul cerinţelor impuse materialului folosit la construcţia învelişului conductoarelor. Este ştiut faptul că activitatea keraunică şi radiaţia solară de pe teritoriul României, două dintre cele mai importante solicitări climatice la care materialul electroizolant trebuie să facă faţă pe termen lung, sunt mult mai accentuate decât pe teritoriul Finlandei. De aceea considerăm că în România ar fi necesar un material care să apropie mai mult calităţile conductoarelor folosite, de cele ale unui conductor izolat decât de ale unui conductor acoperit, de tipul celor folosite în Ţările Nordice. 

               În consecinţă, am propus un caiet de sarcini pentru conductoarele izolate destinate LEA de 20 kV, ce poate fi utilizat sau nu de către beneficiarii acestor conductoare, dar care poate constitui o bază de discuţii. Întocmirea acestui caiet de sarcini a avut ca prim obiectiv impunerea unor caracteristici tehnice, în principal ale celor electrice pentru izolaţiei şi pentru produsul finit (conductorul izolat), tocmai în sensul precizat mai sus. Referinţa a constituit-o standardul finlandez SFS 5791/1994 [2], pe baza căruia au fost întocmite de fapt standardele de firmă pentru fabricarea conductoarelor izolate pentru LEA de medie tensiune atât de către ELCARO Slatina cât şi de către IPROEB Bistriţa. Cel de-al doilea obiectiv l-a constituit impunerea unor teste pe fluxul de fabricaţie, care să întărească încrederea în ceea ce priveşte detectarea şi înlăturarea defectelor de fabricaţie ascunse. Deosebirile între caietul de sarcini propus şi documentele de fabricaţie amintite, sunt în principal următoarele: 

               A. Pentru izolaţia din polietilenă:

1.     Conţinutul de negru de fum: în loc de 2…3 % se impune ≤ 0,5 %. Menţinerea unui nivel scăzut al conţinutului de negru de fum, conferă XLPE proprietăţi mai apropiate de cele ale unui material izolator decât ale unui material semiconductor.

2.     Includerea testelor pentru verificarea caracteristicilor electrice ale materialului folosit pentru stratul electroizolant. Între acestea, foarte importante sunt testele pentru verificarea rezistenţei la curenţii de scurgere pe suprafaţă (rezistenţa la descărcări de suprafaţă sau rezistenţa la conturnare), proprietate necesară pentru funcţionarea în zonele cu activitate keraunică intensă. 

               B. Pentru conductorul izolat:3.     Încercarea cu tensiune alternativă în stare uscată:: în locul încercării la tensiunea de 24 kV timp de 5 min se cere încercarea cu tensiunea de 36 kV (3U0) timp de 4h, conform SR CEI 502, [3];4.     Încercarea cu tensiune alternativă sub apă: după creşterea tensiunii până la 24 kV, se impune menţinerea tensiunii la valoarea maximă timp de 48 h. În tot acest timp izolaţia trebuie să reziste fără străpungeri.      Severitatea sporită a testelor descrise la punctele 3 şi 4 conduce la asigurarea unui nivel mai ridicat al izolaţiei electrice produse de stratul de XLPE.5.     Încercarea cu tensiune alternativă aplicată pe fluxul de fabricaţie: în locul valorii de 1 kV, se cere aplicarea tensiunii de 14 kV;6.     Încercarea cu tensiune alternativă sub apă în starea de livrare: în locul valorii de 4 kV, se cere aplicarea tensiunii de 30 kV, conform SR CEI 502, [3]. 

               Severitatea sporită a testelor descrise la punctele 5 şi 6 are ca scop asigurarea depistării tuturor defectelor de izolaţie ascunse (corpuri străine, excentricităţi ale stratului izolant, etc.) şi eliminarea lungimilor de fabricaţie în cauză.

4.       Câteva observaţii asupra parti-cularităţilor funcţionale ale unei LEA cu conductoare izolate

                Din cele expuse până aici şi din caietului de sarcini propus pentru conductoarele acoperite utilizate în cadrul LEA 20 kV, se poate aprecia că o astfel de linie elimină practic în totalitate o multitudine dintre incidentele şi avariile care se produc în cazul unei linii clasice. Cele mai importante dintre acestea se discută mai jos.

Cazul A. Linia aparţine unei reţele cu neutrul tratat prin BS şi este construită pe stâlpi cu coronament clasic.

1.     Atingerea simultană de către vegetaţie a conductorului izolat de pe o singură fază, în regim normal de funcţionare. În locul de contact stratul electroizolant este supus unei solicitări cu tensiune având valoarea în jurul valorii tensiunii de fază (12 kV). Dacă fabricantul conductorului garantează prin încercările de tip că acesta rezistă în stare uscată la 14 kV, timp de 5 zile, înseamnă că de acelaşi ordin de mărime va fi şi perioada pentru care linia poate funcţiona normal într-o situaţie ca cea descrisă mai sus. În exploatarea liniei nu se vor accepta situaţii de acest fel pe timp nelimitat şi se vor face defrişări, inspecţii după furtuni pentru înlăturarea crengilor căzute pe linie, etc.

 2.     Atingerea simultană de către vegetaţie a conductorului izolat de pe o singură fază şi apariţia unei unde de supratensiune directă sau indusă de origine atmosferică pe una dintre fazele liniei. Cazul a fost discutat pe larg la paragr. 5.2. din partea I-a a referatului. Deşi zonele în care vegetaţia vine în contact cu linia sunt de obicei ecranate faţă de loviturile directe de trăsnet, aici vor putea apărea supratensiuni induse sau propagate din zonele în care linia este neecranată. Tocmai în aceste zone vor fi necesare dispozitivele de protecţie împotriva arcului electric, care să preîntâmpine străpungerea şi apoi distrugerea stratului electroizolant în punctul de contact cu vegetaţia. Acest lucru trebuie analizat în funcţie de situaţia concretă din teren, pe baza căreia să se aprecieze probabilitatea apariţiei simultane a celor două cauze. În zonele în care este exclus contactul vegetaţiei cu linia, rolul dispozitivelor de protecţie rămâne doar cel de a preveni străpungerile necontrolate ale stratului electroizolant din dreptul izolatorului, în cazul apariţiei unor supratensiuni, cu atât mai mult cu cât descărcările dintre faze sunt practic excluse. Pentru aceasta însă s-ar putea prevedea soluţii mult mai simple şi mai puţin costisitoare.

3.     Atingerea simultană de către vegetaţie a conductorului izolat de pe o singură fază, într-un regim în care pe una dintre faze există o punere la pământ. Între conductoarele fazelor “sănătoase” şi pământ va apare o tensiune mărită de aproximativ  ori (20 kV) datorită deplasării potenţialului neutrului reţelei. Dacă fabricantul conductorului garantează prin încercările de tip că acesta rezistă sub apă la 24 kV, timp de 2 zile, înseamnă că de acelaşi ordin de mărime va fi şi perioada pentru care pe linia în cauză nu va apare o a doua punere la pământ (scurtcircuit 2FN) datorită vegetaţiei în contact cu linia. Punerea la pământ se va înlătura cât mai repede deoarece de obicei procesul este unul instabil, în care apar vârfuri de tensiune.

4.     Atingerea conductoarelor izolate a două faze, (sau atingerea simultană de către păsări, vegetaţie, etc. a două conductoare izolate de fază) în regim normal de funcţionare. Între conductoarele de fază există o diferenţă de potenţial de aprox. 20 kV (max. 24 kV). Aceasta este aplicată celor două straturi izolatoare venite în contact, care, conform probei de tip amintite şi la cazul 1, ar trebui să reziste la 28 (14+14) kV timp de 5 zile.

5.     Atingerea accidentală de la sol a unui conductor izolat de fază (vehicole agabaritice, lucrări, etc.). Riscul producerii de electrocutări scade foarte mult, dar nu se poate garanta anularea acestuia. La lucrări programate, manevre, etc. conductoarele se vor considera în mod identic cu cele neizolate.

 OBS. Se poate constata cât de importante sunt încercările individuale aplicate conductoarelor izolate, menite să verifice proprietăţilor stratului electroizolant. Rolul lor este în principal de a detecta eventualele defecte ascunse ale acestuia, pe baza căruia se va face practic o sortare a lungimilor fabricate. Evitarea deteriorărilor produse stratului electroizolant în timpul transportului, depozitării, manipulării, montajului, este de asemenea importantă. Cazul 

B.  Linia aparţine unei reţele cu neutrul tratat prin BS şi este construită pe stâlpi cu coronament redus (distanţele între faze micşorate până la 1/3). 

        Faţă de cazul A diferenţa majoră constă în faptul că supratensiunile atmosferice ajunse pe conductoarele de fază pot conduce la descărcări între faze din cauza distanţelor reduse între acestea. De data aceasta sunt obligatorii dispozitivele de protecţie împotriva arcului electric, descrise la în partea I-a.Cazul C. Linia aparţine unei reţele cu neutrul tratat prin RL

          Orice incident care conduce la punerea la pământ a unei faze produce un scurtcircuit monofazat, deci el nu mai trebuie analizat şi în prezenţa altuia. De asemenea nu se vor mai lua în discuţie creşterile de tensiune pe fazele sănătoase datorită deplasării potenţialului neutrului. În schimb, conturnarea izolaţiei ca urmare a supratensiunilor de origine atmosferică apărute pe conductoarele liniei, va fi urmată întotdeauna de curenţi mari de însoţire. Rezultă deci obligativitatea montării dispozitivelor de protecţie împotriva arcului electric. Dacă distanţele dintre faze sunt reduse, montarea lor va trebui să ţină seama şi de posibilitatea apariţiei descărcărilor dintre faze.

5.           concluzii

                Este posibil ca defectul produs pe LEA 20 kV Vâlcea Sud – Olăneşti să fi putut fi evitat dacă pe axul liniei, în zona conductorului izolat, ar fi fost montate unul sau două seturi de descărcătoare. Însă, pe de altă parte, în condiţiile în care deocamdată producătorul nu poate garanta absenţa unor defecte ascunse ale stratului izolant al conductorului, nu excludem ca tocmai un astfel de defect să fi condus la producerea incidentului respectiv.

                 Ca o concluzie generală, considerăm ca fiind stringentă elaborarea unui set de standarde referitoare la proiectarea, fabricarea elementelor componente, construcţia, montarea şi exploatarea în România a liniilor electrice aeriene de medie tensiune cu conductoare izolate, acţiune la care să participe toţi cei interesaţi. 

 Bibliografie 

[1] * * *   Cablu aerian de 20 kV, cu conductor de oţel aliminiu şi izolaţie din polietilenă reticulată, tip OAC2X, Standard de firmă SF Nr. 2/1998 – S.C. ELCARO – SIEMENS Slatina;
[2] * * *   12/20 kV overhead lines. XLPE – covered overhead conductors PAS, Standard SFS 5791/1994, Finnish Electrotechnical Standards Association;
[3] * * *   Cabluri de energie cu izolaţie din dielectrici masivi extrudaţi pentru tensiuni nominale de la 1kV la 30 kV, Standard SR CEI 502/1995, Institutul Român de Standardizare;
[4] * * *   Compounds for Medium Voltage Aerial Cable Application, Borealis A/S, 1998, Denmark;
[5] * * *   Cablu aerian de 20 kV cu conductor de aluminiu aliat şi izolaţie din polietilenă extrudată, Convenţie tehnică MM 1251-94 (traducere în limba română), MKM S.A. Fabrica de cabluri electrice Balassagyarmat, Ungaria;
[6] * * *   LE 4217 – Track resistant crosslinked polyethylene compound for power cables – Borealis Holding A/S Denmark, document WC 0733 1995 03/2

Descrierea tehnologiei de construcţia şi exploatarea LEA 20 kV cu conductoare preizolate (partea 1)

24/11/2007

Timisoara

               Conf.dr.ing. PANĂ Adrian:                    Universitatea “Politehnica” din Timişoara, Facultatea de Electrotehnică , 

                                                                             Catedra de Electroenergetică

           Conf.dr.ing. TITIHĂZAN Viorel              UPT Catedra de Electroenergetică

           Prof.dr.ing. BUTA Adrian        UPT Catedra de Electroenergetică

              ing. STOIAN Constantin

 

          

Rezumat. Prima parte a referatului expune o serie de aspecte privitoare la evoluţia tehnologiei de construcţie a liniilor electrie aeriene de medie tensiune cu conductoare izolate, tehnologie a cărei utilizare este tot mai extinsă şi în reţele din România. Se descriu variantele constructive, se expun avantajele şi dezavantajele noii tehnologii, se comentează protecţia împotriva efectelor descărcărilor atmosferice şi se prezintă tipurile de dispozitive de protecţie împotriva arcului electric.

Cuvinte cheie: Linii electrice aeriene cu conductoare izolate. Tipuri constructive. Dispozitive de protecţie împotriva arcului electric.  


1.       INTRODUCERE
                  Fiabilitatea în exploatare a reţelelor electrice poate fi apreciată pe baza unui indicator statistic deseori utilizat şi anume rata de defectare, exprimată  ca fiind numărul mediu anual de defectări produse la 100 km de linie electrică. În reţelele de medie tensiune performante, în construcţie “clasică”, acest indicator este situat în jurul valorilor de 4,5÷5 defecte la 100 km, ameliorarea lui constituind o preocupare constantă a specialiştilor.                  Extinderea tot mai pronunţată a liniilor electrice aeriene de medie tensiune (în construcţie clasică – cu conductoare neizolate) şi totodată creşterea pretenţiilor consumatorilor în ceea ce priveşte calitatea energiei electrice furnizate, au făcut ca valorile de mai sus să devină necorespunzătoare.                 Una dintre soluţiile acestei probleme o constituie folosirea conductoarelor izolate în locul conductoarelor neizolate din tehnologia clasică.  2.       VARIANTE CONSTRUCTIVE                 În literatura de specialitate aceste conductoare, care au început să se fabrice şi în România, se întâlnesc sub diverse denumiri cum ar fi:   cabluri cu izolaţie din polietilenă reticulată (XLPE) pentru LEA de medie tensiune (IPROEB S.A. Bistriţa), [1];   conductoare izolate (EXIMPROD GRUP S.A. Buzău), [2];   cabluri aeriene cu conductor de oţel-aluminiu şi izolaţie din polietilenă reticulată (S.C. ELCARO – SIEMENS Slatina), [3];   conductoare acoperite (Covered Conductors – CC) – denumire folosită în general în Ţările Nordice şi în Marea Britanie; [4,5,6],                 Aceste denumiri se întâlnesc pentru varianta constructivă cea mai simplă a unor astfel de conductoare, folosită în general în zone fără o activitate keraunică deosebită. Este vorba despre un conductor multifilar oţel-aliminiu, compactizat, acoperit cu un strat electroizolant din polietilenă reticulată (XLPE), aceasta din urmă având o compoziţie specială, ce o face rezistentă la acţiunea factorilor de mediu şi grosimi cuprinse între 2÷2,5 mm (fig. 1). Ele au denumiri specifice în diverse ţări, de exemplu: cabluri de tip SAX în Finlanda, BLX în Suedia, etc. Acest tip de conductoare, folosit cu predilecţie în Ţările Nordice şi în Marea Britanie dar având o utilizare tot mai extinsă în Europa, a fost conceput pentru a evita avariile şi deranjamentele produse de vânturile puternice, de depunerile masive de chiciură sau zăpadă şi de solicitările climatice moderate (radiaţii ultraviolete solare şi activitate keraunică moderate). Denumirea de conductoare acoperite, folosită în aceste ţări nu este întâmplătoare. Aşa cum se precizează şi în standarde (de exemplu în [4], cap. 6), ele nu se consideră conductoare izolate ci doar înlocuitoare ale conductoarelor neizolate obişnuite. Atunci când sunt sub tensiune ele trebuie tratate identic cu conductoarele neizolate.  OAC fig 1

              În zonele cu activitate keraunică pronunţată (de exemplu în ţările tropicale) se impune folosirea unor variante constructive complexe, care, pentru a elimina distrugerile produse de loviturile directe de trăsnet pe linie, utilizează pentru stratul exterior materiale izolatoare rezistente la descărcările electrice pe suprafaţă.  

 Din această categorie fac parte:

          cablurile izolate parţial (Partial Insulated Cables – PIC), prezentate în fig. 2.  Faţă de varianta CC aceasta se deosebeşte prin utilizarea unui strat semiconductor la suprafaţa conductorului, cu rol de ecranare, iar stratul exterior din XLPE are în plus proprietatea de a rezista la curenţii de scurgere pe suprafaţă;

          cablurile aeriene cu distanţiere (Spacer Aerial Cables – SAC), fig. 3.

 OAC fig 2_3

           La această variantă constructivă între stratul de ecranare şi stratul exterior utilizate la varianta PIC se intercalează un strat de XLPE naturală. Această variantă permite realizarea unei construcţii foarte compacte a LEA (distanţa între conductoarele de fază putând fi de chiar 10÷15 cm) prin folosirea unor distanţiere şi a unui cablu suplimentar din oţel pentru susţinerea întregului ansamblu. 

                Tipurile de conductoare prezentate mai sus constituie elementele unor sisteme constructive care au fost denumite: PAS în Finlanda, SLIM (Sisteme de linii izolate de medie tensiune) în România, etc.

  3.       Avantajele noii tehnologii    

             Folosirea conductoarelor izolate la construcţia LEA de medie tensiune conferă o multitudine de avantaje, care se pot rezuma prin creşterea siguranţei în alimentare şi deci a serviciului de furnizare a energiei electrice. 

                Primele astfel de linii au fost construite în Finlanda în anul 1976. De atunci şi până în prezent au fost construite în această tehnologie, linii totalizând peste 5000 de km. Sistemul a fost adoptat începând cu anul 1985 şi în Suedia unde a fost construit cam acelaşi volum de linii. Aplicarea sa în Norvegia a început în anul 1986, unde s-au construit mai bine de 2800 km. Ritmurile anuale de creştere a construcţiei acestui tip de linii în ţările amintite sunt foarte mari: 35% în Finlanda, 60% în Suedia, 35% în Norvegia. Motivul: rezultatele foarte bune obţinute în exploatarea acestor linii. Astfel, rata de defectare a scăzut de la 4,5 la 0,9 , ceea ce a făcut ca mai multe companii de electricitate din ţările nordice să decidă construcţia în viitor a liniilor aeriene de medie tensiune, exclusiv folosind noua tehnologie.                Aplicarea soluţiei conductoarelor izolate şi-a găsit o largă răspândire şi în Australia, în ţări din America de Sud şi Orientul Îndepărtat.   

             Iată cele mai importante avantaje conferite de noua tehnologie:

1°. izolaţia din XLPE permite reducerea distanţei dintre faze până la 1/3 faţă de sistemul clasic, deoarece:

        orice atingere accidentală a conductoarelor de fază în deschidere (provocată de exemplu în timpul furtunilor) nu conduce la scurtcircuite şi deci la declanşarea liniei;

        căderea pe linie a crengilor sau chiar a unor arbori (desigur în limitele rezistenţei mecanice a liniei) în condiţii de furtună, nu antrenează imperativul unei intervenţii imediate, aceasta putând aştepta îmbunătăţirea condiţiilor meteo;Reducerea distanţelor dintre faze înseamnă:        reducerea culoarului ocupat de linie, mai ales în cazul circuitelor duble şi deci a cheltuielilor legate de suprafeţele de teren ocupate sau de menţinerea culoarului prin defrişări (volumul de defrişări se reduce cu cca. 60% faţă de liniile clasice);

        impactul redus asupra mediului datorită gabaritului redus;

        impactul vizual redus şi aspectul îmbunătăţit, datorită zvelteţei construcţiei.

2°. Scăderea riscului de incendii în zonele forestiere datorită reducerii riscului de formare a arcurilor electrice prin scurtcircuite sau puneri la pământ monofazate.

3°. Scăderea riscului de electrocutare în cazul atingerii accidentale a liniei în timpul unor manevre executate în apropiere (activităţi de construcţii, defrişări, transporturi agabaritice, etc.).

4°. Micşorarea solicitărilor mecanice produse de către stratul de chiciură sau gheaţă depus pe conductoare în timpul iernii, datorită aderenţei reduse şi deci a grosimii reduse a acestuia pe învelişul de XLPE.

5°. Micşorarea numărului de puneri la pământ şi/sau scurtcircuite provocate de păsări sau chiar folosirea tehnologiei cu conductoare izolate ca o soluţie pentru protecţia păsărilor, de exemplu pe teritoriul rezervaţiilor naturale.

6°. Posibilitatea transformării cu efort financiar şi tehnologic redus a liniilor aeriene clasice în linii aeriene cu conductoare izolate. 

4.       Dezavantaje  

               Construcţia şi exploatarea unei linii electrice aeriene în noua tehnologie, implică şi câteva dezavantaje, ce pot fi clasificate în două categorii: economice şi tehnice.  

              Din punct de vedere al efortului investiţional, construcţia unei astfel de linii costă de 2,5÷3 ori mai mult decât o linie aeriană clasică, fiind însă de aproximativ două ori mai ieftină decît o linie electrică subterană [8]. Având în vedere însă creşterea spectaculoasă a siguranţei în funcţionare a reţelelor în care sunt instalate şi deci micşorarea pronunţată a cheltuielilor de exploatare dar şi a daunelor produse prin furnizarea unei energii electrice de calitate necorespunzătoare, folosirea acestor linii devine de fapt avantajoasă.

                Sub aspect tehnic se ivesc în principal 3 probleme:

1°. Pentru anumite variante constructive, în zona unor componente metalice, se produc descărcări electrice parţiale care în unele situaţii pot conduce la apariţia unor interferenţe radio. În funcţie de fiecare caz în parte, se pot găsi soluţii pentru diminuarea consecinţelor negative.

2°. Conductorul acoperit cu înveliş electroizolant este vulnerabil în faţa loviturii directe de trăsnet. Într-o astfel de situaţie, “piciorul” arcului electric aferent unei descărcări produse prin conturnarea izolatorului de susţinere, nu se poate deplasa de-a lungul conductorului sub acţiunea forţelor electrodinamice, tocmai datorită stratului electroizolant. Staţionarea arcului electric poate duce astfel la arderea stratului electroizolant din dreptul său şi chiar la deteriorarea conductorului (îndeosebi în situaţia în care prin spaţiul prin care s-a produs descărcarea undei de supratensiune se închide un curent mare dinspre reţea – curent de scurtcircuit). Rezolvarea acestei probleme se poate face prin folosirea unor echipamente de protecţie împotriva arcului electric de tip APD (Arc Protection Device) sau PAD (Power Arc Device). În principiu, acestea constau în nişte descărcătoare cu coarne (uneori putând fi însoţite de descărcătoare cu rezistenţă variabilă, de exemplu cu ZnO) care preiau unda de supratensiune directă sau indusă de pe conductorul de fază şi o conduc spre sol, favorizând deopotrivă stingerea rapidă a arcului electric aferent. Soluţiile constructive, modul de funcţionare, stabilirea dimensiunilor spaţiului de descărcare respectiv a distanţei dintre descărcătoare, au fost discutate în cadrul capitolului 6.

3°. Materialul din care este confecţionat stratul electroizolant trebuie să răspundă unei multitudini de cerinţe, pentru satisfacerea cărora în general se impun acţiuni contradictorii la nivelul compoziţiei amestecului:

        stabilitatea proprietăţilor fizico-chimice sub acţiunea solicitărilor climatice tipice expunerii în mediul exterior (umiditate, variaţii de temperatură, radiaţii ultraviolete solare, poluare, etc.);

        bune calităţi dielectrice în special sub aspectul rezistenţei la acţiunea curenţilor de descărcare pe suprafaţă, cerinţă impusă de un bun comportament faţă de supratensiunile atmosferice;

        bune calităţi mecanice pentru a face faţă solicitărilor specifice din timpul montării şi funcţionării;

        uşurinţa procesării.   

             Soluţia cea mai răspândită, obţinută ca un compromis între cerinţele enumerate mai sus, o constituie polietilena reticulată (XLPE), cu conţinut de negru de fum. Detalii referitoare la cerinţele impuse şi soluţiile aplicate la construcţia conductoarelor izolate, sunt prezentate în partea a doua a referatului. 

5.       Protecţia împotriva efectelor descărcărilor atmosferice

5.1. Cazul LEA cu conductoare neizolate (construc-ţia clasică)   

             Conform normelor româneşti ([2]), “liniile electrice aeriene de 3-35 kV nu trebuie să se protejeze în mod special împotriva loviturilor directe de trăsnet”. În general aceste linii nu sunt prevăzute cu conductor de protecţie (de gardă).  

               Astfel, o lovitură de trăsnet directă în conductoarele unei LEA sau respectiv în apropierea acesteia, constă de fapt în apariţia unei unde de supratensiune directe respectiv induse de-a lungul conductorului în ambele sensuri faţă de locul descărcării atmosferice şi apoi pe eventualele racorduri (derivaţii) ale LEA. În cazul LEA fără conductoare de gardă, lovitura de trăsnet este preluată în marea majoritate a cazurilor de către unul dintre conductoarele de fază laterale (în cazul dispunerii pe orizontală a conductoarelor de fază) sau de către conductorul superior (în cazul dispunerii în triunghi a conductoarelor de fază). 

               La început, frontul impulsului de tensiune este foarte abrupt, având valori de până la 10.000 kV/ms, amplitudinea acestuia având valori de mai mulţi MV. Prin propagare pe linie, unda este amortizată, atât amplitudinea cât şi panta sa scăzând foarte rapid. 

               Dacă considerăm spre exemplu cazul unei LEA de 20 kV obişnuite, construită cu conductoare neizolate şi având izolatoare suport tip ISNS, respectiv izolatoare de suspensie tip ITfs, tensiunea de ţinere nominală la undă de impuls normalizată 1,2/50 ms pentru cele două tipuri de izolatoare este de 125 kV, conturnarea lor producându-se în realitate pentru amplitudini ale undelor de impuls cu 15÷20 % mai mari. 

               Ajunse în dreptul izolatoarelor, undele de supratensiune vor produce conturnarea acestora (izolatoarele de tipurile amintite fiind nestrăpungibile), bineînţeles dacă amplitudinea undelor este suficient de mare. Se produce o descărcare sub forma unui arc electric, între conductorul de fază şi consola stâlpului (legată la pământ) care constituie de fapt o punere la pământ monofazată. Efectul acestei puneri la pământ asupra reţelei respectiv asupra consumatorilor alimentaţi de către aceasta, depinde de modul de tratare al neutrului reţelei în cauză.

                Astfel, în cazul reţelelor cu neutrul tratat prin bobină de stingere (sau neutrul izolat), curentul de însoţire ce străbate spaţiul ionizat al arcului electric de conturnare după amorsarea acestuia, este relativ mic, de maxim 10÷15 A (curentul rezidual rezultat în urma compensării curentului capacitiv de punere la pământ de către curentul inductiv forţat de bobina de stingere). De aceea, de cele mai multe ori, după trecerea undei de supratensiune, acest curent nu poate menţine ionizarea traseului pe care s-a produs conturnarea şi arcul electric se stinge spontan. Cu alte cuvinte, conturnarea nu se poate transforma în arc electric stabil. Energia termică dezvoltată în timpul conturnării nu este suficient de mare pentru a putea produce deteriorarea sau distrugerea conductorului sau izolatorului. Fiecare conturnare produsă în acest fel constituie o atenuare pronunţată a undei de supratensiune, suplimentară atenuării produse prin propagarea “naturală” pe linie. Defectul este deci trecător, linia nu este deconectată de către protecţii şi deci nu este afectată alimentarea consumatorilor. Se poate afirma deci că se produce o autoprotecţie a liniei faţă de descărcările atmosferice. 

               În cazul reţelelor cu neutrul tratat prin rezistor de limitare, punerea la pământ monofazată produsă prin conturnare, se transformă în scurtcircuit monofazat. Prin urmare, curentul de însoţire ce străbate spaţiul ionizat al arcului electric de conturnare după amorsarea acestuia este foarte mare (de fapt curentul de scurtcircuit monofazat 600÷1000 A). Efectul distructiv al acestuia asupra conductorului şi asupra izolatorului poate fi foarte mare, cu atât mai mult cu cât el determină menţinerea arcului. Se produce însă o limitare a acestui efect, pe două căi: pe de o parte prin deplasarea în sensul circulaţiei de puteri pe linie, a piciorului de arc de pe conductor (datorită efectului de suflaj electrodinamic) şi pe de altă parte de către protecţia maximală de curent ce deconectează linia după 0,2÷0,3 s. Această deplasare a arcului electric permite ca energia termică dezvoltată de către curentul prin arcul electric să nu rămână concentrată, realizân-du-se îndepărtarea arcului de pe suprafaţa izolatorului şi favorizându-se astfel stingerea arcului electric. După pauza RAR, timp în care arcul electric dispare (prin dispariţia tensiunii, traseul pe care s-a produs conturnarea se deionizează) şi după repunerea liniei sub tensiune aceasta revine la funcţionarea normală. 

               După ce, în urma loviturii de trăsnet în conduc-tor, s-a produs conturnarea izolaţiei acestuia faţă de pământ, curentul de trăsnet se scurge la pământ prin priza de punere la pământ a stâlpului determinând creşterea pronunţată a potenţialului acesteia. În funcţie de cuplajul electromagnetic dintre faze, în conductoarele celorlalte faze se pot induce tensiuni periculoase, care pot conduce la apariţia unei conturnări a izolaţiei şi pe acestea, dubla conturnare transformându-se într-un scurtcircuit bifazat. Valorile distanţelor dintre faze şi limita maximă impusă valorii prizelor de pământ ale stâlpilor (R<10 W), vor face ca probabilitatea apariţia unei duble conturnări sau a unei descărcări între faze, să fie extrem de redusă. 

                În consecinţă, pe LEA de medie tensiune obişnuite nu se prevăd dispozitive de protecţie împotriva supratensiunilor, cu excepţia aşa-numitelor “puncte slabe” ( [9] ) în care se instalează descărcătoare cu coarne (DC) sau descărcătoare cu rezistenţă variabilă (DRV) şi care corespund în general locurilor de schimbare a impedanţei caracteristice a traseului de propagare a undelor [9]: trecerile LEA – LES, stâlpii cu separator intercalaţi în liniile electrice pe stâlpi de lemn, separatoarele de secţionare şi de derivaţie (în special cele care în schema normală funcţionează în poziţie deschisă), porţiunile de linii pe stâlpi din beton intercalate în linii pe stâlpi de lemn, recordurile pentru posturile de transformare, etc. 

5.2. Cazul LEA cu conductoare izolate 

               Să presupunem în continuare cazul unei LEA în configuraţie clasică, cu singura deosebire că în locul conductoarelor neizolate se montează conductoare izolate cu un strat din polietilenă reticulată.

                Apariţia unei unde de supratensiune de origine atmosferică directă sau indusă, se propagă pe linie ca şi în cazul anterior, în ambele sensuri relativ la locul de producere a sa. Considerând că în dreptul unui izolator de susţinere sau suspensie, amplitudinea undei de supratensiune depăşeşte valoarea tensiunii de ţinere, de data aceasta a ansamblului format din izolaţia din XLPE şi izolatorul liniei, se va produce o străpungere a stratului electroizolant în dreptul izolatorului urmată de o conturnare a acestuia din urmă.

                În funcţie de modul de tratare a neutrului reţelei, va exista un comportament similar până la un punct, cu cazul conductorului neizolat, practic deteriorările produse depinzând de valoarea curentului de însoţire ce se stabileşte dinspre reţea prin căile deschise de străpungerea plus conturnarea (de data aceasta) produse de trăsnet. 

                Astfel, dacă curentul de însoţire este mic (cazul reţelelor cu neutrul izolat sau tratat cu bobină de stingere), deteriorările vor consta doar într-o străpungere (necontrolată de altfel) a stratului electroizolant al conductorului în dreptul izolatorului şi va avea forma unei perforaţii de dimensiuni cu valori sub 1 mm ([7]). În mod normal, într-o astfel de situaţie, dacă bobina de stingere îşi îndeplineşte funcţia, arcul electric nu se menţine şi reţeaua poate reveni la regimul normal, ca în cazul construcţiei clasice. 

                Prin urmare, la prima vedere, pe LEA aparţinând reţelelor cu neutrul tratat prin bobină de stingere, având conductoare izolate şi stâlpi cu coronament clasic, nu sunt necesare dispozitive speciale, suplimentare faţă de varianta clasică, pentru protecţia împotriva loviturilor directe de trăsnet. Acestea vor fi necesare însă, din două considerente:

1.     Producerea descărcării pe o cale controlată;

2.        Protecţia învelişului electroizolant în situaţia apariţiei unei unde de supratensiune pe un conductor aflat în contact cu vegetaţia. Simultaneitatea celor două evenimente are o probabilitate foarte mare în timpul furtunilor, adică tocmai în perioadele în care se contează pe eficienţa conductoarelor izolate. În fapt, este vorba despre descărcătoare cu coarne, care vor prelua unda de supratensiune evitând distrugerea stratului izolant în zona de contact cu vegetaţia. Un astfel de incident poate fi cauza avariei descrise în partea a doua a prezentului referat.

                În cazul în care străpungerea stratului electroizolant urmată de conturnarea izolatorului determină producerea unui curent mare de însoţire dinspre reţea (curent de scurtcircuit monofazat – cazul reţelelor cu neutrul tratat cu rezistor de limitare), atunci, în intervalul de timp până la deconectarea liniei de către protecţie, arcul electric poate deteriora foarte grav stratul electroizolant şi chiar poate topi parţial sau total conductorul, efect amplificat de faptul că stratul electroizolant împiedică deplasarea “piciorului” de arc de pe conductor, arcul rămânând staţionar şi deci având un efect distructiv foarte pronunţat. Din acest motiv, în acest caz, liniile aeriene construite cu conductoare izolate, trebuie prevăzute cu dispozitive de protecţie împotriva arcului electric de tip APD (Arc Protection Devices) sau PAD (Power Arc Devices).                 Montarea acestor dispozitive devine imperativă întotdeauna însă atunci când, în cazul construcţiilor liniilor noi, se prevăd distanţe între faze mult micşorate faţă de tehnologia clasică (1/3) deoarece la acestea, ca urmare a unei lovituri directe de trăsnet, sunt posibile şi descărcări între faze, ce vor produce scurtcircuite polifazate, deci curenţi de însoţire foarte mari, cu efectele descrise anterior. 

6.       Dispozitivele de protecţie   împotriva arcului electric 

6.1. Tipuri constructive 

               Primele sisteme de protecţie împotriva acţiunii arcului electric s-au realizat prin dezizolarea  conductorului pe o porţiune de câţiva zeci de centimetri de o parte şi de alta a punctului de fixare pe izolator, capetele stratului electroizolant fiind fixate de conductor prin intermediul unor coliere de aluminiu cu muchii rotunjite (fig. 6). În acest fel, în cazul loviturii directe de trăsnet, efectele sunt practic identice cu cele din cazul construcţiei clasice, la care se adaugă descărcarea dintre faze, ce se produce datorită micşorării distanţelor dintre acestea până la 1/3, descărcare ce va fi preluată de către coliere. 

               Soluţia prezintă însă câteva dezavantaje:

          necesită o manoperă suplimentară pentru desizolarea conductorului în dreptul fiecărui punct de fixare;

          arderea arcului electric rămâne necontrolată;

          fiabilitatea redusă a colierelor de aluminiu.

 fig 6

                Cu toate acestea, sistemul a fost folosit în Ţările Nordice mulţi ani de zile, cu rezultate satisfăcătoare. 

               Pe la mijlocul anilor ’80 a început să fie folosit un nou sistem, care constă în montarea unei cleme cu dinţi (ce penetrează deci stratul electroizolant) în apropierea punctului de fixare a conductorului pe izolator şi prin intermediul căreia se fixează un corn de descărcare (fig. 7). Clema cu dinţi este conectată la acelaşi potenţial cu gulerul izolatorului suport prin intermediul unei conexiuni metalice (un fir de aluminiu infăşurat elicoidal la suprafaţa conductorului). Scopul acestui sistem este ca, în cazul apariţiei unei unde de supratensiune pe conductorul de fază, aceasta să producă conturnarea izolaţiei clasice, după care “piciorului” arcului să i se permită deplasarea sub acţiunea forţelor electrodinamice de-a lungul conexiunii metalice spre clema cu dinţi şi cornul descărcătorului, deci pe o cale sigură şi controlată. Se poate deduce de aici că dispozitivul trebuie instalat pe acea parte a izolatorului care este opusă părţii cu sursa, pentru a permite refularea arcului spre cornul de descărcare, şi pe ambele părţi în cazul circulaţiei în ambele sensuri a puterii pe linie (în regimul normal). 

 fig 7

        Descărcarea între faze, care succede descărcarea între fază şi consolă (pământ) prin conturnarea izolatorului, este preluată de către coarnele de descărcare, la o distanţă suficient de mare faţă de izolatoare, astfel încât acestea să nu fie afectate. 

        Aceste dispozitive de protecţie împotriva arcului electric au fost denumite la modul general APD (Arc Protection Devices). 

               Cele două soluţii descrise mai sus se folosesc pe linii cu conductoare izolate, la care curenţii de însoţire în cazul descărcărilor între fază şi pământ sunt mari sau la care distanţele între faze sunt micşorate la 1/3 din distanţele de la construcţia clasică.

                 S-a pus întrebarea dacă aceleaşi sisteme de protecţie se pot folosi şi în cazul în care linia este construită cu conductoare izolate dar stâlpii au coronament clasic. Studiile făcute la firma ENSTO ([7]) au condus la concluzia că în acest caz arcul nu are destulă energie pentru a putea ioniza spaţiul de aer dintre faze (nu se poate produce şi descărcarea dintre faze) iar arcul poate să ardă staţionar între firul de aluminiu şi consolă, ceea ce poate conduce la distrugerea izolatorului. De aceea, pentru astfel de situaţii se foloseşte o altă construcţie, mai precis cea denumită PAD (Power Arc Devices), de fapt un descărcător cu coarne montat în paralel cu izolatorul de susţinere sau de suspensie a conductorului (fig.8). 

OAC fig 8

                Dispozitivele de tip PAD sunt destinate şi cazurilor în care curentul de însoţire este un curent de scurtcircuit dar de valori relativ reduse. În aceste situaţii, arcul electric nu se poate mişca suficient de repede de la punctul de început al descărcării spre cornul de descărcare, ceea ce de asemenea poate duce la distrugerea izolatorului şi a conductorului

                Rolul cornului inferior este evident: cel de a îndepărta şi piciorul inferior al arcului de izolator şi a uşura totodată stingerea arcului.

                Modul de instalare a acestor dispozitive de protecţie este descris în detaliu în standarde (de exemplu în SFS 5792/1996 [6]).                Dispozitivele tip PAD pot fi folosite şi pentru protecţia “clasică” la supratensiuni (trecerile LEA-LES, racordurile de PT, extremităţile reţelei, etc.).

 6.2. Alegerea dispozitivelor de protecţie împotriva acţiunii arcului electric  

              Utilizarea dispozitivelor de tip APD şi PAD, în funcţie de distanţa dintre faze şi valoarea curentului de însoţire, este precizată în tabelul 1 ([7]). 

                Şi din acest tabel rezultă că dispozitivele de protecţie împotriva arcului electric sunt aplicabile în reţelele în care curentul de însoţire are valori relativ mari. 

                În România, conform tabelului 1, dispozitivele de protecţie sunt aplicabile în reţelele de medie tensiune cu neutrul tratat prin rezistor, curenţii de însoţire având valori maxime în jurul valorii de 1 kA. Astfel, în cazul liniilor la care conductorul clasic a fost înlocuit cu conductor izolat (stâlpi cu coronament clasic), se vor monta dispozitive de tip PAD, dacă curentul de însoţire depăşeşte valoarea de 1 kA (soluţia 1), iar la liniile nou construite (cu distanţe reduse între faze) la care curenţii de însoţire au valori sub 1,5 kA, se vor monta de asemenea dispozitive tip PAD (soluţia 4).

                                                                         Tabelul 1. Alegerea dispozitivelor de tip APD sau PAD 

Soluţia nr. Spaţiul dintre faze[mm] Curentul de însoţire[kA] Tipul de dispozitiv de protecţie

  Dacă reţeaua are neutrul tratat cu bobină de stingere, rolul PAD este cel precizat la paragraful 5.2.                 Pentru alegerea corectă a echipamentului de protecţie împotriva arcului electric, stabilirea dimensiunii spaţiului de descărcare (distanţa dintre cornul de descărcare şi consolă sau între coarnele de descărcare) respectiv a distanţelor dintre dispozitive de-a lungul liniei, trebuie să se ţină seama de o multitudine de factori: tipurile de trăsnete, valorile curenţilor de trăsnet şi ale curenţilor de însoţire, probabilitatea loviturii de trăsnet, probabilitatea conturnării izolatoarelor LEA, configuraţia terenului şi a vegetaţiei din apropiere, configuraţia şi traseul liniei electrice, modul de realizare a prizelor de pământ, nivelul de risc, tipul de echipamente de protecţie existente, costuri, etc.                Conform [7], “pentru a exista certitudinea 100% că nu apar nici un fel de avarii pe linie datorită loviturii directe de trăsnet, ar trebui instalat câte un dispozitiv APD la fiecare stâlp, ceea ce în practică devine o soluţie foarte costisitoare”. 

               În procedura de determinare a distanţei dintre două APD, parametrii determinanţi sunt: densitatea loviturilor de trăsnet, probabilitatea loviturilor directe de trăsnet în linie în zona respectivă şi de asemenea probabilitatea de conturnare a izolatoarelor.                 Referitor la protecţia împotriva loviturilor directe de trăsnet a LEA construite cu conductoare izolate, în literatura tehnică de specialitate se întâlnesc următoarele recomandări [7]:

          pentru LEA aflate în zone în care loviturile directe de trăsnet au o probabilitate mare de producere (în câmp deschis, fără ecranări naturale sau artificiale), distanţele dintre APD vor fi de max. 100÷200 m;

          pentru LEA plasate în zone în care loviturile directe de trăsnet au o probabilitate redusă (perimetre ecranate, în zone forestiere, văi, etc.) distanţele între APD vor fi de max 300÷400 m;

          pentru stabilirea numărului şi locului de amplasare a APD, se va ţine seama în permanenţă de modificările produse în ceea ce priveşte activitatea keraunică pe teritoriul străbătut de linie;

          APD se vor plasa obligatoriu:   pe toţi stâlpii ce ocupă poziţii proeminente pe traseu;   la toate transformatoarele racordate la linie (cât mai aproape de acestea);

   la capetele tuturor ramificaţiilor;   la toate trecerile LEA-LES;

                În ceea ce priveşte distanţa dintre coarnele descărcătorului din componenţa PAD, în literatură se recomandă valori cuprinse între 100÷150 mm [2], sau chiar 80±10 mm dacă PAD sunt prevăzute şi cu descărcătoare cu ZnO ([10]), fig. 9. 

fig 9

  Bibliografie 

Lucrare prezentata de autori la SIG 2001

[1] * * *   Cabluri cu izolaţie din polietilenă reticulată pentru linii elecrice aeriene la tensiuni nominale U0/U 12/20 kV, Um 24 kV, Standard de firmă – SF 21/1998, IPROEB S.A., Fabrica de cabluri izolate;

        

[2] * * *   SLIM – sisteme de linii izolate de medie tensiune – fişă tehnică 1999, EXIMPROD GRUP S.A. Buzău;
[3] * * *   Cablu aerian de 20 kV, cu conductor de oţel aliminiu şi izolaţie din polietilenă reticulată, tip OAC2X, Standard de firmă SF Nr. 2/1998 – S.C. ELCARO – SIEMENS Slatina;
[4] * * *   12/20 kV overhead lines. PAS – system, Standard SFS 5790/1995, Finnish Electrotechnical Standards Association;
[5] * * *   12/20 kV overhead lines. XLPE – covered overhead conductors PAS, Standard SFS 5791/1994, Finnish Electrotechnical Standards Association;
[6] * * *   12/20 kV overhead lines. Constructions and light arc protection devices for XLPE – covered overhead conductor PAS, Standard SFS 5792/1996, Finnish Electrotechnical Standards Association;
[7] Kokkonen, M., APDs and Lightning Protection, ENSTO Oy Sekko Ab, Finland;
[8] * * *   Compounds for Medium Voltage Aerial Cable Application, Borealis A/S, 1998, Denmark;
[9] * * *   PE 109-92  Normativ privind alegerea izolaţiei, coordonarea izolaţiei şi protecţia instalaţiilor electroenergetice împotriva supratensiunilor, Regia Autonomă de Electricitate – RENEL, Bucureşti, 1992;
[10] * * *   Current limiting arcing horn SDI 46.7 – ENSTO SEKKO OY, document 20.5.99/SH