Wymiana mostu szynowego na kablowy w stacji WN/SN jako skuteczny środek poprawy niezawodności sieci.

1. Wstęp
Na terenach polskich początków elektryfikacji można szukać pod koniec XIX w. Powszechna elektryfikacja wsi i osiedli, polegała na „doprowadzeniu przewodów elektrycznych napięcia użytkowego do budynków mieszkalnych i gospodarczych oraz założenie w tych budynkach wewnętrznego urządzenia odbiorczego” [6]. Wówczas oczekiwania odbiorców koncentrowały się na dostępie do energii elektrycznej, a standardem, w zależności od szacunkowego przychodu gospodarstw, były: 2 lub 3 punkty świetlne i 1 gniazdo wtykowe w mieszkaniu oraz 1 punkt świetlny w zabudowaniach gospodarczych [3, 4, 10].

Dzisiaj dostęp do energii elektrycznej uważany jest za coś naturalnego, oczywistego, a wymagania odbiorców dotyczą przede wszystkim niezawodności zasilania. Nikt już nie wyobraża sobie życia bez pewnych dostaw energii elektrycznej. Praktycznie każda przerwa w zasilaniu powodować może występowanie znacznych szkód dla gospodarki, być przyczyną uszkodzeń maszyn i urządzeń, a także stanowić zagrożenie dla zdrowia i życia ludzi [2, 3, 4].

2. Niezawodność sieci elektroenergetycznej
Niezawodność sieci elektroenergetycznej to zdolność sieci przesyłowej lub rozdzielczej do dostawy lub odbioru mocy i energii elektrycznej w określonych warunkach, miejscu i czasie. Niezawodność zasilania odbiorców określa się wieloma wskaźnikami.

Minister Gospodarki w Rozporządzeniu z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego, [7] w § 41 ust. 2. nałożył na operatora systemu dystrybucyjnego elektroenergetycznego obowiązek podawania do publicznej wiadomości na swojej stronie internetowej następujących wskaźników dotyczących czasu trwania przerw w dostarczaniu energii elektrycznej [7]:
– wskaźnik przeciętnego systemowego czasu trwania przerwy długiej (ang. System Average Interruption Duration Index – SAIDI), stanowiący sumę iloczynów czasu jej trwania i liczby odbiorców narażonych na skutki tej przerwy w ciągu roku, podzieloną przez łączną liczbę obsługiwanych odbiorców,
– wskaźnik przeciętnej systemowej częstości przerw długich (ang. System Average Interruption Frequency Index – SAIFI), stanowiący liczbę wszystkich tych przerw w ciągu roku, podzieloną przez łączną liczbę obsługiwanych odbiorców – wyznaczone oddzielnie dla przerw planowanych i nieplanowanych;
– wskaźnik przeciętnej częstości przerw krótkich (ang. Momentary Average Interruption Frequency Index – MAIFI), stanowiący liczbę wszystkich przerw krótkich w ciągu roku, podzieloną przez łączną liczbę obsługiwanych odbiorców.

Niezawodność zasilania, determinująca satysfakcję odbiorcy energii elektrycznej, stała się podstawowym wyzwaniem wszystkich operatorów systemu dystrybucyjnego. Od niezawodności zasilania zależeć będzie od 2018 r. przychód taryfowy wszystkich spółek dystrybucyjnych (dane niezbędne do obiektywnej oceny czasu i liczby przerw w zasilaniu będą pozyskiwane w 2016 roku i oceniane w 2017 roku, a zatem znajdą odzwierciedlenie w taryfach dopiero w 2018). Przedmiotową regulację jakościową Urząd Regulacji Energetyki wprowadził od początku 2016 r. [3, 4]. Na zwrot z kapitału przypisany do taryf operatorów systemu dystrybucyjnego na 2018 r. największy wpływ będzie miało wykonanie założonych na 2016 r. wskaźników SAIDI i SAIFI [5].

Operatorzy systemu dystrybucyjnego, mając na uwadze bezpośredni wpływ wskaźników jakościowych energii elektrycznej na ich taryfę oraz fakt, że na ww. wskaźniki w 80% mają wpływ przerwy występujące w sieci średniego napięcia (SN), zintensyfikowali swoje działanie w celu poprawy niezawodności elektroenergetycznych sieci SN, w szczególności skupili swoją uwagę na elementach mających największy wpływ na ww. wskaźniki. Spółki dystrybucyjne w ramach działań remontowo-inwestycyjnych rozpoczęły wymianę mostów średniego napięcia w stacjach WN/SN.

3. Mosty kablowe SN stacji WN/SN
Most SN stacji WN/SN jest to połączenie pomiędzy izolatorami przepustowymi uzwojenia dolnego napięcia transformatora WN/SN a rozdzielnicą SN. Schemat stacji WN/SN z mostami SN przedstawiono na rys. 1.

Schemat stacji WN/SN z mostami SN

W stacjach elektroenergetycznych rozdzielczych WN/SN, jakie eksploatują spółki dystrybucyjne, występują zazwyczaj trzy rozwiązania techniczne mostów SN:
– napowietrzny most szynowy wykonany z przewodów typu AFL, zawieszony na pojedynczych lub podwójnych łańcuchach izolatorów odciągowych, widok napowietrznego mostu szynowego SN przedstawiono na fot. 2
– most szynowo-kablowy, wykonany od strony transformatora WN/SN szynami, najczęściej aluminiowymi, na izolacji wsporczej, połączony z kablem SN, niekiedy za pośrednictwem odłącznika; widok mostu szynowo-kablowego SN przedstawiono na fot. 3,
– kablowy, wykonany w całości kablem(-ami) SN, izolowany w całości – fot. 4.

Fot. 2 / Widok napowietrznego mostu szynowego SN (źródła: z lewej – Elektromontaż Poznań S.A., z prawej Gogół K.)

Fot. 3 / Widok mostu szynowo-kablowego SN na izolacji wsporczej bez odłącznika (źródła: z lewej – Eltel Networks Toruń S.A., z prawej – Tauron Dystrybucja Sp. z o.o.)

Fot. 4 / Widok mostu kablowego SN z głowicami konektorowymi ze stożkiem zewnętrznym (z lewej, źródło: www.pfisterer.com) oraz z głowicami ze stożkiem wewnętrznym (źródło: środek – Euromold, z prawej – Gogół K.)

Największą awaryjnością charakteryzują się napowietrzne mosty szynowe, są bowiem narażone na ryzyko zerwania izolatora odciągowego, które jest niwelowane poprzez zastosowanie podwójnego łańcucha izolatorów odciągowych oraz ryzyko zwarcia wskutek obecności zwierząt. Dużo mniejszą awaryjnością charakteryzują się mosty szynowo-kablowe, narażone w zasadzie tylko na zwarcia wskutek obecności zwierząt, a najmniejszą awaryjnością mosty kablowe izolowane w całości. Ryzyko wystąpienia zwarcia na skutek obecności zwierząt znacząco niwelowane jest poprzez izolowanie mostów prefabrykowanymi elementami izolacyjnymi.

4. Wymiana mostów szynowych na kablowe w stacji WN/SN
Najkorzystniejszym momentem pod względem organizacyjnym i ekonomicznym na wymianę napowietrznych mostów szynowych na mosty kablowe jest moment wymiany transformatora WN/SN. Dzięki temu koszty związane z wymianą mostów można ograniczyć do minimum (za sprawą wspólnych wyłączeń i bez konieczności remontu transformatora).

Przed podjęciem decyzji o wymianie napowietrznych mostów szynowych na mosty kablowe należy sobie odpowiedzieć na pytanie jakie rozwiązanie techniczne wybrać.

Wyróżnić można dwa, w zależności od rodzaju izolatorów przepustowych dolnego napięcia transformatorów WN/SN, rozwiązania techniczne mostów kablowych:

most kablowy wykonany kablem jednożyłowym (wiązką kabli) zakończonym od strony transformatora głowicą kablową konektorową SN ze stożkiem zewnętrznym (rozwiązanie droższe),
most kablowy wykonany kablem jednożyłowym (wiązką kabli) zakończonym od strony transformatora głowicą kablową konektorową SN ze stożkiem wewnętrznym (rozwiązanie tańsze).

Głowicę kablową konektorową SN ze stożkiem zewnętrznym wraz z izolatorami przepustowymi przedstawiono na fot. 5, natomiast głowicę kablową konektorową SN ze stożkiem wewnętrznym wraz z izolatorem przepustowym przedstawiono na fot. 6.

Fot. 5 / Głowica kablowa konektorowa SN ze stożkiem zewnętrznym wraz z izolatorami przepustowymi (źródło: www.pfisterer.com)

Fot. 7 / Głowica kablowa konektorowa kątowa SN ze stożkiem wewnętrznym wraz z ogranicznikiem przepięć i izolatorem przepustowym (źródło: Euromold)

Fot. 6 / Głowica kablowa konektorowa kątowa SN ze stożkiem wewnętrznym wraz z ogranicznikiem przepięć i izolatorem przepustowym (źródło: Euromold)

Stosowanie izolatorów przepustowych przy wyprowadzeniu końców uzwojeń dolnego napięcia transformatora niesie za sobą konieczność stosowania mostów pomiarowych SN podczas wykonywania pomiarów eksploatacyjnych transformatora. Widok przykładowego mostu pomiarowego przedstawiono na fot. 7.

Fot. 7 / Most pomiarowy SN do wykonywania pomiarów eksploatacyjnych transformatora (źródło: Euromold)

Stosowanie rozwiązania połączenia izolatora ze stożkiem zewnętrznym w porównaniu do izolatorów ze stożkiem wewnętrznym ma wiele zalet, m.in.:
– do montażu stosowane są standardowe narzędzia do obróbki i montażu jak powszechnie stosowane do obróbki kabli i montażu osprzętu kablowego,
– powszechna znajomość przez monterów konstrukcji izolatorów przepustowych ze stożkiem zewnętrznym i głowic konektorowych ze względu ich licznego występowania w sieciach rozdzielczych SN, dzięki czemu uniknąć można błędów montażowych,
– prostota rozbudowy połączenia i mostów kablowych na izolatorze przepustowym, nie są wymagane dodatkowe elementy połączenia.

Niektórzy producenci głowic konektorowych ze stożkiem wewnętrznym posiadają dodatkowe zalety, np.: odporność na kwasy, zasady i promieniowanie UV, dzięki czemu nie jest konieczne stosowanie dodatkowych metalowych osłon, do demontażu i ponownego montażu głowicy nie jest wymagany żaden dodatkowy element wymienny.

Niekiedy spotkać można jeszcze inne rozwiązania, np. przejście z izolatorów porcelanowych na izolatory ze stożkiem umożliwiające przyłączenie mostu kablowego SN zakończonego głowicami konektorowymi kątowymi (fot. 8).

Fot. 8 / Przejście z izolatorów porcelanowych na izolatory ze stożkiem umożliwiające przyłączenie mostu kablowego SN zakończonego głowicami konektorowymi (źródło: Euromold)

Odpowiedź na ww. pytanie pozwoli z dużym wyprzedzeniem zamówić transformator WN/SN z odpowiednimi izolatorami przepustowymi uzwojeń dolnego napięcia. Każde z dwóch podstawowych rozwiązań technicznych umożliwia przyłączenie ogranicznika przepięć SN do izolatora przepustowego.

W niektórych spółkach dystrybucyjnych, np. w ENERGA-OPERATOR S.A. od 2011 r. jako standard występuje transformator WN/SN z izolatorami przepustowymi dolnego napięcia umożliwiającymi przyłączenie mostu kablowego, który wówczas stał się również technicznym rozwiązaniem standardowym [11].

Wymiana mostu szynowego na kablowy bezsprzecznie przyczyni się do poprawy niezawodności sieci SN, ale niesie za sobą pewną niedogodność. W żyłach powrotnych kabli uziemionych obustronnie płynie prąd: wynikający z niesymetrii pojemności doziemnej poszczególnych faz mostu (znikomy udział), ale przede wszystkim z indukowania się siły elektromotorycznej na skutek przepływającego prądu w żyle roboczej (roboczego, ale również i zwarciowego).

Wartość zmierzonego prądu przy obciążeniu znamionowym może wynosić nawet ponad 300 A (suma prądów w żyłach powrotnych mostu kablowego stacji 110/15 kV dla transformatora o mocy znamionowej 25 MVA wykonanego jako 2xXnRUHKXS o przekroju znamionowym 300/50 mm2). Pomiary zostały potwierdzone obliczeniami. Aby temu zapobiec najkorzystniej odłączyć żyłę powrotną z jednej ze stron, np. od strony rozdzielnicy SN, a jej odizolowany koniec zaizolować. Można go uziemi poprzez ogranicznik przepięć, ale nie jest to konieczne, ponieważ nie wystąpi ryzyko uszkodzenia powłoki kabla.

5. Podsumowanie
Największą awaryjnością charakteryzują się napowietrzne mosty szynowe. Dużo mniejszą awaryjnością charakteryzują się mosty szynowo-kablowe, a najmniejszą awaryjnością charakteryzują się mosty kablowe izolowane w całości.

Skuteczną metodą poprawy niezawodności sieci SN jest wymiana napowietrznych mostów szynowych na mosty kablowe w pełni izolowane.
Najlepszym momentem pod względem organizacyjnym i ekonomicznym na wymianę napowietrznych mostów szynowych na mosty kablowe jest moment wymiany transformatora WN/SN. Należy pamiętać aby żyły powrotne kabli mostu kablowego były tylko jednostronnie uziemione.