Linie SN w systemie PAS są budowane i eksploatowane w Polsce od 14 lat. Ogółem powstało ich w tym czasie ponad 3500 km. Na podstawie wprowadzonej w roku 2003 normy SEP: N SEP-E-003 (dotyczącej budowy linii izolowanych SN i nN) PTPiREE opracowało nowe albumy rozwiązań typowych linii PAS – uwzględniające wymagania tej normy oraz wprowadzające do stosowania nowy osprzęt firmy Ensto. Rozwiązania te biorą także pod uwagę najczęstsze problemy występujące podczas eksploatacji linii PAS.

Coraz szerszy zakres stosowania linii PAS wynika z faktu, że po kilkunastu latach eksploatacji potwierdziły one swoją wysoką eksploatacyjną niezawodność w stosunku do linii gołych. Dzięki temu, z nowinki technicznej, stały się standardowym rozwiązaniem w trudnych warunkach terenowych. Nie bez znaczenia jest również fakt, że zostały one dobrze przyjęte przez służby eksploatacyjne energetyki.

Rys. 1. Dzięki swojej wytrzymałości eksploatacyjnej linie PAS stały się standardowym rozwiązaniem w trudnych warunkach terenowych (fot. F. Janioł)

Awaryjność

Podstawowym kryterium, które zadecydowało o rozpowszechnieniu linii SN w systemie PAS, jest ich zdecydowanie mniejsza awaryjność w porównaniu do linii gołych. Dane statystyczne krajów skandynawskich mówią o blisko pięciokrotnie mniejszej ilości awarii linii PAS (na km linii na rok). Polskie statystyki podają jeszcze lepsze współczynniki – 6,5-krotnie mniejszą awaryjność linii PAS [1].
W wyniku analizy przyczyn [2] zdarzających się awarii linii PAS w Polsce ocenia się, że 63% awarii spowodowanych zostało przez czynniki atmosferyczne (uderzenia piorunów, szadź) i zewnętrzne (głównie upadki drzew na linie), a 32% awarii wynikało z błędów montażowych. Wady fabryczne (przewodu, osprzętu) stanowiły przyczynę około 5% awarii. W statystyce tej nie uwzględniono niewielkiej liczby awarii spowodowanych zaniedbaniami eksploatacyjnymi (np. brak wycinki) i nieprawidłowymi rozwiązaniami projektowymi.

Błędy montażowe i projektowe

W początkowym okresie budowy linii SN w systemie PAS w Polsce powstało szereg błędnych projektów, w których próbowano przenieść zasady budowy i osprzęt linii gołych do systemu PAS. W jednej z wybudowanych linii, na wykonanie w oparciu o nieprawidłowy projekt nałożyły się błędy wykonawcze, co spowodowało pięć awarii w ciągu trzech lat – polegających na zerwaniu przewodów.

Błędy projektowe
Projekt oparto o stare rozwiązanie typowe, polegające na zastosowaniu do przewodów w osłonie izolacyjnej osprzętu do linii gołych (w związku z tym wielokrotnie rozizolowywano przewód). Przebudowa linii polegała na wymianie przewodów gołych istniejącej linii na przewody w osłonie izolacyjnej. Aby nie dopuścić do nadmiernych zwisów, przewody zostały bardzo mocno naprężone, a projekt nie przewidywał zastosowania, koniecznych w takiej sytuacji, tłumików drgań.

Rys. 2. Błędy wykonawcze polegające na naruszeniu struktury żył przewodu

Błędy wykonawcze
Monterzy przy zdejmowaniu nożem izolacji pod osprzęt (w tym pod zaciski) nacinali na przewodzie poprzeczny karb, który w przypadku drgań eolskich przewodu powodował istotne zmniejszenie jego wytrzymałości na zerwanie. Po awarii linii poddano analizie zerwany fragment przewodu AALXs 70 mm² (rys. 2). Zmierzona głębokość nacięcia poszczególnych żył przewodu wynosiła od 0,2 do 0,67 mm, co stanowi 20% średnicy pojedynczego drutu żyły.

Rys. 3. Czas życia linii PAS (do awarii) w zależności od głębokości nacięcia pojedynczego drutu żyły przewodu w obecności drgań eolskich. Lifetime – czas użytkowania linii do czasu wystąpienia awarii, ao – głębokość nacięcia, dw – średnica pojedynczego drutu linki

W firmie Ensto przeprowadzono symulację komputerową spodziewanego czasu życia linii PAS (do awarii) w zależności od głębokości nacięcia pojedynczego drutu żyły przewodu w obecności drgań eolskich (rys. 3). Już nacięcie o głębokości około 0,3 mm (10% średnicy drutu żyły) zmniejsza spodziewany czas życia linii (do awarii) do 2%, czyli awaria nastąpi po mniej niż jednym roku zamiast po 40 latach. Nacięcie wielkości 20% średnicy zmniejsza ten czas do 0,4%. Kolejne przypadki zerwania tej linii potwierdziły tę diagnozę.
Innym przykładem błędów montażowych skutkujących zerwaniem linii w trakcie eksploatacji jest niedokręcenie zacisków przebijających izolację w układach ochrony przeciwłukowej (zacisk nie przebił całkowicie izolacji lub nie ma wystarczającego kontaktu z żyłą przewodu). W takiej sytuacji linia funkcjonować będzie poprawnie do pierwszych burz i wyładowań atmosferycznych, podczas których może dojść do zadziałania układów ochrony przeciwłukowej. Przepływ prądu zwarciowego przez niedokręcony zacisk powoduje upalenie przewodu w zacisku i w konsekwencji jego zerwanie (rys. 4).
Osobnym zagadnieniem są błędy projektowe i wykonawcze dotyczące doboru i instalowania układów ochrony przeciwłukowej. Ze względu na szerokość tematu zostanie to omówione w odrębnej publikacji.

Rys. 4. Upalony przewód PAS w niedokręconym zacisku uchwytu odciągowego (połączenie z układem ochrony przeciwłukowej SDI 27.1)

Albumy PTPiREE

W roku 2003 wprowadzona została nowa norma SEP: N SEP-E-003 dotycząca budowy linii izolowanych SN i nN. Na tej bazie opracowane zostały przez PTPiREE nowe albumy rozwiązań typowych linii PAS (opracowania Energolinii i Elprojektu), uwzględniające wymagania tej normy oraz zastosowanie najnowszego osprzętu firmy Ensto zwiększającego niezawodność eksploatacyjną linii PAS. Albumy te zastępują poprzednie wydania i rozwiązań stosowanych w starszych wydaniach nie należy stosować.
Najważniejsze zmiany ujęte w nowych albumach to:
• wprowadzenie uchwytów odciągowych (SO 235 i 236) chwytających przewód przez izolację – można dzięki temu wybudować całą linię PAS bez zdejmowania izolacji z przewodu (unikając opisanych powyżej zagrożeń),
• wprowadzenie układów ochrony przeciwłukowej typu iskiernikowego (zamiast ochrony rożkowej), obowiązkowych dla izolacji wiszącej (odciągowej) i zalecanych dla izolacji stojącej,
• nowe podejście do zagadnienia ochrony przeciwdrganiowej,
• wycofanie ze stosowania w budowie linii PAS przewodu typu AFL w osłonie izolacyjnej z uwagi na brak osprzętu do niego,
• odejście od stosowania do budowy linii przewodu PAS 35 mm² ze względu na jego zbyt małą wytrzymałość mechaniczną (na podstawie doświadczeń eksploatacyjnych),
• nowy sposób wykonania obostrzeń 2 i 3 stopnia na izolacji stojącej (omówiony poniżej).

Rys. 5. Obostrzenie z podwójnym stojącym izolatorem porcelanowym i mostkiem łączonym za pomocą uchwytów śrubowo-kabłąkowych – wykonanie błędne, nieaktualne

Obostrzenie 2 i 3 stopnia

Wykonanie obostrzenia 2 i 3 stopnia z podwójnym stojącym izolatorem porcelanowym i mostkiem łączonym za pomocą uchwytów śrubowo-kabłąkowych (rys. 5) powodowało powstawanie na trasie linii miejsc szczególnie narażonych na upalenie się przewodu PAS, ze względu na obecność wielu miejsc rozizolowanych i możliwość zapalenia się w nich łuku podczas burz. Ponadto występowało, opisywane wyżej, dodatkowe zagrożenie zerwania przewodu na skutek nacięć żyły powstałych przy zdejmowaniu izolacji. Rozwiązanie takie zamiast więc zwiększać pewność zawieszenia przewodów, praktycznie ją zmniejszało.
Nowe albumy rozwiązań typowych linii PAS wydane po roku 2003 przewidują możliwość realizacji obostrzenia 2 stopnia na pojedynczym izolatorze kompozytowym lub na dwóch izolatorach porcelanowych usytuowanych szeregowo, a w przypadku obostrzenia 3 stopnia rozwiązanie z izolatorami usytuowanymi szeregowo (rys. 6). Eliminuje to całkowicie opisywane wcześniej zagrożenia.

Rys. 6. Obostrzenie 3 stopnia z izolatorami usytuowanymi szeregowo, według nowych albumów PTPiREE

Rys. 7. Linia PAS po awarii w wyniku degradacji izolacji na skutek długotrwałego kontaktu linii z gałęziami drzew

Zaniedbania eksploatacyjne

Odporność przewodów linii PAS na zwarcia związane z upadkiem drzew czy gałęzi, potwierdzona doświadczeniami eksploatacyjnymi, spowodowała brak staranności służb eksploatacyjnych pod względem konieczności dokonywania przeglądów i wycinek wzdłuż linii PAS.
W ostatnich latach doszło w Polsce do kilku przypadków degradacji izolacji przewodu PAS, a w następstwie do poważnych awarii, polegających na upaleniu i upadku przewodów linii (rys. 7). Ich przyczynami były:
• długotrwały kontakt przewodu z gałęziami drzew, szczególnie drzew liściastych (brzoza),
• długotrwały kontakt z leżącymi na przewodach gałęziami.

Izolacja
Przewody PAS są przewodami niepełnoizolowanymi. Izolacja przewodu jest całkowicie wystarczająca w przypadku krótkotrwałych (nawet wielokrotnych) zetknięć przewodów fazowych oraz zetknięć przewodów z gałęziami czy ptakami. Nie jest to jednak izolacja pełna – jak w kablach. Na jej powierzchni występują duże naprężenia elektryczne i, w sprzyjających warunkach, mogą się na niej pojawiać wyładowania niezupełne, a przy obniżonej rezystywności powierzchniowej izolacji – wyładowania pełzne degradujące izolację.
Problem ten został omówiony m.in. podczas sympozjum „Inżynieria Wysokich Napięć” [3], które odbyło się w 2004 roku. Jedna z tez zawarta w prezentowanym tam materiale odnosi się do sytuacji takiej, jak w omawianych powyżej przypadkach awarii:
„Linie eksploatowane na terenach leśnych są narażone na kontakt z gałęziami drzew, które mogą opaść pod ciężarem śniegu lub ulec złamaniu na skutek silnych wiatrów. Istnieje możliwość, że w przypadku wystąpienia niekorzystnych warunków atmosferycznych nastąpi rozwój wyładowań ślizgowych pomiędzy gałęzią dotykającą powierzchni przewodu a żyłą roboczą, co może doprowadzić do zmniejszenia rezystywności powierzchniowej do wartości mniejszej od 1012 [Ωm/m]. W tej sytuacji właśnie rezystywność powierzchniowa będzie decydowała o wielkości sumarycznego prądu wyładowań ślizgowych i tym samym o intensywności oddziaływania czynnika degradującego.”
Zgodnie z prezentowaną tezą, dotyk gałęzi mógł zapoczątkować wyładowania ślizgowe i zmniejszenie rezystywności powierzchniowej, umożliwiając dalszy rozwój wyładowań pełznych (prawdopodobnie obydwa procesy działały równocześnie) oraz powodując degradację izolacji (rys. 8). W konsekwencji nastąpił zapłon łuku do ziemi lub do sąsiedniej fazy poprzez gałęzie drzew.

Rys. 8. Degradacja izolacji przewodu PAS na skutek wyładowań pełznych

Palenie się łuku na przewodzie PAS, z uwagi na brak możliwości przemieszczania się łuku po przewodzie (izolacja), zwykle prowadzi do upalenia i upadku przewodu.
Należy również zwrócić uwagę, że o szybkości procesu degradacji izolacji decyduje wartość rezystywności powierzchniowej izolacji, czyli jakość użytych w produkcji materiałów, a także technologia wytwarzania przewodu. Interesujący jest fakt, że większość tego typu awarii wydarzyła się na liniach stosunkowo niedawno zbudowanych, gdzie używano przewodów produkowanych po roku 2001. Może to sugerować, że nastąpiły pewne zmiany w technologii produkcji lub używanych materiałach, mające wpływ na odporność izolacji stosowanych przewodów PAS na wyładowania pełzne.

Norma Cenelec
W roku 2007 wprowadzono w Polsce metodą uznaniową (nie jest ona, poza tytułem, tłumaczona na język polski) normę europejską Cenelec EN 50 397-1: 2006 dotyczącą przewodów PAS:
PN-EN 50 397-1: 2007 (U) Przewody elektroenergetyczne w osłonie do linii napowietrznych oraz osprzęt do nich na napięcie znamionowe przemienne wyższe od 1 kV i nie przekraczające 36 kV – Część 1: Przewody w osłonie. Zatwierdzona i opublikowana 29.01.2007.
Norma ta znacznie zaostrzyła wymagania w stosunku do jakości izolacji przewodów SN w osłonie izolacyjnej oraz wprowadziła wymagającą procedurę pomiaru odporności izolacji na wyładowania pełzne. Należy sądzić, że przewody spełniające wymagania tej normy okażą się bardziej odporne na wyładowania ślizgowe i pełzne powodowane dotykiem gałęzi drzew.

Wnioski

Po przeanalizowaniu powyższych aspektów eksploatacyjnych można sformułować następujące wnioski:
• linie PAS w warunkach polskich wykazały dobre właściwości eksploatacyjne, szczególnie w warunkach leśnych, podnosząc niezawodność zasilania, dzięki zmniejszeniu ryzyka zwarć doziemnych i międzyfazowych w przypadku kontaktu drzew lub gałęzi z linią,
• w świetle zaprezentowanego materiału dopuszczalny jest jedynie krótkotrwały kontakt przewodów PAS z gałęziami drzew,
• linie PAS są niepełnoizolowane i w zakresie wycinki gałęzi i drzew wzdłuż linii należy stosować postanowienia normy N SEP-E-003,
• budowa linii PAS według rozwiązań zawartych w nowych albumach typizacyjnych PTPiREE, z użyciem osprzętu Ensto, przy prawidłowym wykonaniu pozwala zapewnić wysoką niezawodność eksploatacyjną linii.

mgr inż. Marek Ozorowski
Autor pracuje
jako product manager
w firmie Ensto Pol

Bibliografia
[1] Beszterda C. „Linie izolowane doświadczenia eksploatacyjne” – materiały seminarium szkoleniowego „Projektowanie, budowa i eksploatacja izolowanych linii napowietrznych”, Okoniówek, 20-21 lutego 2004 r.
[2] Rakowska A. i inni „Doświadczenia z wieloletniej eksploatacji linii napowietrznych z przewodami izolowanymi” – materiały II Konferencji N-T Elektroenergetyczne Linie Napowietrzne Niskiego i Średniego Napięcia, Kołobrzeg 5-6 czerwca 2003 r.
[3] Janiszewski S. „Spadek rezystywności powierzchniowej a zjawisko śladów pełznych na powierzchni osłony przewodów napowietrznych wykonanych w technologii PAS” – materiały VII Sympozjum Inżynieria wysokich napięć – IW 2004, Poznań-Będlewo, 26-28 maja 2004 r.