Introducere Linii Electrice cu Izolatie In Gaz

Introducere Linii electrice cu izolatie in gaz

[1]Alstom grid

Liniile electrice cu izolație în gaz au fost folosite atât în centralele electrice cât și în stații de mai bine de patru decenii, asta datorită capacității ridicate de transmisie și siguranței pe care o oferă. Aceasta ar putea reprezenta o alternativă eficientă pentru liniile electrice aeriene și în cablu, soluție ce nu are aplicabilitate deocamndată în țara noastră.

Tehnologia GIL – Gas insulated lines- esta una folosită încă din anul 1960 în centralele hidroelectrice în mod frecvent. De exemplu, în stațiile electrice, solutia GIL este folosită ca și conexiune între comutatorul GIS și transformatoarele de putere sau liniile electrice aeriene, pe distanțe de până la 1000 m.

Principalul avantaj pe care aceasta tehnologie de transmisie îl are este acela că deține o capacitatie de transmisie ridicată, de până la 3000 MVA pe un singur circuit de GIL . De asemenea, configurațiile ușor de realizat prezintă un alt avantaj mai ales dacă ne referim la transmisia energiei electrice în masă în locuri greu accesibile. Soluția utilizării liniilor electrice cu izolație în gaz se poate preta deci oricărui tip de cerințe. Folosite la suprafața pământului sau în subsol, instalațiile Gil devin instalații de sine stătătoare ce se întind pe kilometri, menite să rezolve diverse probleme în ceea ce privește mediul înconjurător, aspectul vizual, calea de acces. Oferă răspunsuri tehnlogice eficace referitor la creșterea necsarului de energie în mediul urban, la extinderea și întărirea rețelelor electrice de transmisie și distribuție actuale.

Utilizarea liniilor electrice cu izolație în gaz reprezintă o soluție a viitorului, fiind însă cheia rezolvării constantelor probleme egate de transimisia în masă a energiei electrice cu cât mai puține pierderi, pe distanțe lungi și într-un mod care să nu dăuneze mediului înconjurător.

-Conducte electrice-

Liniile electrice cu izolație în gaz pot fi comparate cu conductele electrice. Încapsulate într-un recipient metalic cu un diametru de 400-600mm, au o sectiune similară conductelor. Aceste conducte electrice, așa cum am numit liniile electrice despre care discutăm, sunt alcătuite în mare din conductori tubulari din aluminiu coaxiali, pentru care se pune sub tensiune conductorul aflat la interior iar la pământ cel exterior. Pentru a se asigura izolarea, spațiul dintre carcasa metalică și contuctor este umplut cu hexaflorură de sufl -SF6- sau amestec sub presiune de hexaflorură de sulf și azot.

Figura 1.1 – Secțiune conductor electric

“ Având o secțiune transversală a conductorului mare, GIL sunt proiectate pentru capacități de transmisie ridicate și curenți nominali de pana la 63kV ”, explică Matheiu Bernard, GIL Project Manager.”Mulțumită spațiului redus pe care îl necesită, sunt menite să rezolve probleme complexe de instalare cum ar fi cazul unei hidrocentrale electrice în regimuri subterane noi sau deja existente”, adaugă acesta.

Pe lângă avantajele prezentate mai sus, se mai pot adăugate altele, cu scopul de a sublinia faptul că utilizarea acestei noi tehnologii este una ce oferă foarte multe beneficii.

În cazul liniilor electrice cu izolație în gaz capacitățile vor fi unele reduse, ceea ce înseamnă că vor exista pierderi pe linie foarte mici;

Siguranța este una ridicată, operațiile de verificare vor fi făcute fără incidente asta și datorită carcasei robuste;

Nu există un pericol de inflamare;

Prezintă o lungă durată de viață, de până la 50 de ani, fără ca materialele să-și piardă din proprietăți.

Este de la sine înțeles faptul că soluția liniilor electrice cu izolație în gaz are și dezavantaje. Cel mai mare dezavantaj, care limitează aplicabilitatea acestei soluții, mai ales în cadrul sistemului energetic din țara noastră, îl reprezită costul. Comparativ cu cel al liniilor electrice areriene, acesta este mult mai ridicat –de până la 5..7 ori mai mare. Dacă ne referim la acest lucru, putem adăuga faptul că, deși sunt considerate ca fiind o alternativă pentru înlocuirea liniilor electrice aeriene, GIL au fost proiectate ca o soluție tehnologică menită să fie utilizată în momentul în care LEA nu pot fi folosite din diferite motive pentru transmisia energiei electrice.

-Scurt istoric/ date tehnice-

Conform ALSOTOM GRID, prima utilizare a liniilor electrice cu izolație în gaz a avut loc în urmă cu 40 de ani. De atunci și până în prezent, în lume au fost instalați peste 250 km de linii elecrice trifazate cu izolație în gaz – 750km de conductate monofazate. Acestea funcționează la diferite niveluri de tensiune – între 72.5kV și 800kV- însă cererile au crescut în ultima perioadă. Doar în ultimii ani au fost instalați peste 50 de km de circuite trifazate, dintre care 30 de km în ultimii 12 ani ceea ce arată că avem parte de o ascensiune în ceea ce privește utilizarea acestei soluții.

De la prima sa utilizare, soluția a trecut prin diverse procese de optimizare. În prezent dispune de senzori iar transmisia se face prin fibră optică, toate acestea permițând monitorizarea în timp real a mai multor parametri ca de exemplu densitatea amestecului de gaze, analiza tendinței amestecului de hexaflorură de sulf, temperaturile în compartimente, descărcările parțiale, localizarea arcului intern. Astfel că vor fi detectate în mod rapid condițiile anormale ce pot duce la potențiale defectări. Optimizările aduse au ca efect, pe lângă rapiditatea detectării eventualelor defecte și imediata rezolvare a acestora, și îmbunătățirea siguranței personalului ca și calitatea în alimentare, protecția mediului, profitabilitatea operațională. Utilajele computerizate de care putem dispune în ziua de azi oferă posibilitatea de adaptare a liniilor electrice unor condiții severe de funcționare. Pentru fiecare instalație în parte pot fi făcute calcule în urma cărora se pot selecta soluția potrivită. Se vor asigura mai departe conditiile optime de lucru, resprectând cu strictețe standardele reglementate.

Procesele de optimizare aduse acestei soluții au avut legătură și perspectiva dezvoltării durabile. Se analizează întreaga durată a produsului, de la fabricare până în momentul în care nicio component nu mai poate fi folosită.

[2]Conform Siemens, liniile electrice cu izolație în gaz au fost dezvoltate pentru a raspudne cerințelor variate de instalare și operare. Un factor decisive în atingerea acestui scop a fost un process de instalaare care permite asamblarea modulelor prefabricate la locul de instalare dar și adaptarea optimă la rutarea selectată.Conceptul are și avantaje logistice.Așadar, toate elementele sunt ușoare și îndeajuns de mici încât să poată fi ușor transportate. Pentru a îmbina modulele astfel încât să nu existe scurgeri de gaze, Siemens folosește un process de sudare controlat prin calculator – un robot care asigură suduri perfecte. Calitatea sudurilor este verificată cu ultrasunete. Astfel este garantat pentru o perioadă de peste 50 de ani.

Liniile electrice cu izolație în gaz au devenit cunoscute ca fiind pe scară largă “ o tehnologie cu un record de servicii de lungă durată și un nivel ridicat de siguranță”, fiind atât de utilizate mai ales pentru că nu necesită lucrări de mentenanță iar costurile legate de operare sunt unele scăzute. “Noile sisteme digitale de monitorizate ajută, în plus, la îmbunătățirea siguranței și continuității funcționării lor”, spune Francois Biquez, Senior Expert R&D Manager GIS-GIL. “Dimensiunile GIL depind în mod clar de rezistența dielectricului și de capacitatea sa termică de a transporta curentul nominal”, spune acesta. “Deoarece limitele termice ale produsului sunt afectate de modul în care liniile electrice sunt instalate, simulările realizate pe calculator sunt necesare pentru a decide proiectarea adecvată ”, explică BIquez. Utilizând aceste programe, proiectanții ALSTOM GRID au efectuat diferite simulări tehnice ce le-au permis acestora să evalueze comportamentul termic al carcasei GIL funcție de înălțimea tunelului și să compare distribuția de temperatură a conductorului și carcasei în funcție de modul în care GIL este plasat în tunel.

O parte din aceste rezultate sunt prezentate în figura 1.2 pentru cazul în care GIL sunt dispuse în tunel vertical. Putem sesiza faptul că temperature crește odată cu creșterea înălțimii, observație valabilă atât în cazul conductorului cât și în cel al capsulei.

Figura 1.3 Dependența dintre temperatură și înălțimea tunelului

-Eficiență ecologică ridicată-

Pentru că trăim într-o lume în care acțiunile noastre au un impact foarte important asupra mediului, este bine de știut faptul că alegerea liniilor electrice cu izolație în gaz nu numai că nu afectează mediul în conjurător, ci îi și aduce numeroase beneficii. Acestea au capacități reduse așadar rezistența electrică și pierderile de putere sunt extreme de reduse, de până la 70% mai mici decât celel ale liniilor electrice aeriene, lucru ce va duce la reducerea pierderilor de energie. De asemenea, nu va fii necesară compensarea reactive, ca în cazul liniilor lungi în cablu. Un alt astpect îl reprezintă impactul vizual, care subliniază încă o data ideea ca GIL pot fi utilizate chiar și în cele mai dificile condiții, din punct de vedere geographic, unde soluțiile existente nu pot fi aplicate.

Sarcina capacitivă

Așa cum am precizat, costul acestor linii electrice este unul foarte ridicat, fiind în mod evident un impediment pentru majoritatea cumpărătorilor. Un director al unei companii americane de transmisie a energie electrice a arătat însă că nu costul reprezintă principaul motiv în alegerea sau nu a soluțiilor GIL. El considera că deși foarte scumpă, soluția iși găsește mulți susținători în rândul locuitorilor diferitelor zone și asta pentru că aceștia nu iși mai doresc să se utilizeze linii eletrice aeriene care, cu un cost considerabil mai mic, au un impact vizual neplăcut.

Figura 1.4 Stația electrică Shuqaiq, Arabia Saudit

Faptul că utilizarea GIL nu afectează mediul înconjurător a rezultat în urma mai multor evaluări ce s-au făcut de-a lungul timpului. Conform Alstom GRID, se evaluează ciclul de viață, identifică și contorizează tot impactul asupra mediului înconjurător întâlnit în producția și utilizarea GIL, de la extragerea și transportul materialelor brute până la debarasarea prodselor la sfârșitul ciclului de viață. Sunt folosiți pănâ la 16 indici ce identifică impactul diverșilor pași în ciclul de viață al produsului ce se referă la încălzirea globală epuizarea ozonului, toxicitate, risipă, zgură etc. Astfel că fiecare componentă poate fi apoi conpceută optim pentru a atinge eficiența maximă din punct de vedere al mediului înconjurător, contribuind astfel la o utilizare moderată și responsabilă a resurselor necesare, și asigurând un procent ridicat de reciclabilitate. “Ultimeze dezvoltări au dus la un mediu de izolație favorabil din punct de vedere al mediului înconjurător: cantitatea de gaz de kexaflorură de sulf produs de efectul de seră a fost scăzută drastic prin utilizarea unui amestec de gaz bazat 80-90% pe hidrogen și restul de concentrație de ”, a declarant Biquez. De asemenea, noile tehnologii ale acestora permit liniilor electrice în gaz să genereze pierderi mic de căldură comparativ cu liniile electrice aeriene.

-Oferă siguranță ridicată oamenilor-

În alegerea unei soluții de durată nu se iau în calcul doar impactul acesteia asupra mediului, cantitatea de energie electrică transmisă, pierderile ce apar în timpul transmisiei sau prețul ci și siguranța pe care o oferă oamenilor din mediul respectiv. Deoarece liniile electrice cu izolație în gaz pot fi instalate în orice tip de configurație geografică, în zone rurale, zone urbane aglomerate, este foarte important ca acestea să nu provoace daune, mai ales pentru că ele vor transmite puteri mult mari decât în cazul liniilor electrice aeriene, de exemplu. GIL oferă siguranța necesară datorită carcasei sale din aluminium care exclude efectiv riscul apariției unei explozii. Lipsa materialelor inflamabile reduce astfel posibilitatea apariției focului, prin urmare nu este emis fum, nu apar noxe, nici chiar în cazul apariției unui scurtcircuit în interiorul carcasei. În cazul în care GIL se află într-o stație electrică, acestea pot avea un rol de protecție în cazul unui transformator care se află în flăcări și un GIS, prevenind astfel împrăștierea focului în stație și păstrarea acesteia în stare funcțională. Datorită acestor caracteristici non-inflamabile, inginerii ALSTOM GRID au ajuns la concluzia că pot utiliza liniile electrice pe marginea șoselelor sau în tunelurile feroviare, zone publice.

Figura 1.5 Stația electrică Hams Hall, West Midlans, Anglia

Instalarea liniilor electrice aeriene în spațiile publice prezintă mai multe avantaje, printre care se numără acela că emisiile cămpului magnetic sunt reduse, comparativ cu soluția liniilor electrice aeriene sau în cabluri. Calculele inginerilor de la ALSTOM GRID arată că valorile câmpului magnetic la carcasa unei linii electrice cu izolație în gaz trifazată (sub o tensiune de 500kV și 4 000A) sunt sub 250µT, jumătate din limita de expunere a muncitorilor reglementată de Uniunea Europeană. La o distanță de un metru în apropierea carcasei, valoarea scade la 10µT ceea ce înseamnă mai decât o zecime din emisia unor cabluri de tipul XPLE aflate la un metru sub pământ și mai mult decât o pătrime din cea a cablurilor electrice aeriene. Putem așadar trage concluzia că putem atinge fără sp existe riscuri carcasa soluției GIL.

-Studiu de caz substația Hams Hall –

Vom analiza rezultatele utilizării GIL pentru stația Hams Hall, comparativ unei alte soluții în cablu. Stația Hams Hall este situată în comitatul West Midlans din centrul Angliei și funcționează încă din anul 1920. De mai bine de 20 de ani, aceasta furnizează elergiei electrică orașului Brimingham. După o serie de retehnologizări, s-a dorit adoptarea soluției optime pentru crearea unei noi conexiuni cu scopul realizării unei rețele tot mai sigure. Se dorea ca transmisia energiei electrice să se facă cu cât mai puține pierderi și fără a avea un impact negativ asupra mediului înconjurător. Din cauza rețelei deja existente în interiorul stației -linii electrice aeriene, cabluri îngropate în sol, țevi – soluția aleasă trebuia să fie una cu o structură destul de complicată, legătura trebuia făcută astfel: la un capăt, era necesară introducerea cablurilor în subsol iar la celălalt trebuiau fii puse deasupra acestuia. Deși se putea alege mai multe soluții, a fost preferată aceasta a liniilor electrice aeriene cu izolație în gaz. Analiza a ținut cont atât de beneficiile tehnice cât și de cele economice. De asemenea, "Un curent continuu evaluat la 3.190A ar avea nevoie de două cabluri cu două terminale de exterior pe fazăcomparativ cu unul singur, cum este cazul GIL ", explică Alain Girodet, Senior Expert, Alstom Grid High Voltage Technology and Materials Manager. Pe lângă aceste avantaje, s-a realizat o carcasă perfect ermetică în care a fost introdus un amestec compus din 20% și 80% . Ceea ce este de reținut este faptul că cele două componente ale amestecului sub presiune pot fi foarte ușor separate și reutilizate mai departe.

Fig 1.6 Imagini ale stației Hams Hall în urmă adoptării soluției GIL

[2] Siemens

Generația liniilor electrice cu izolație în gazpoate fi considerată așadar o soluție a viitorului, care reprezintă însăcea mai eficientă alegere în ceea ce privește transmisia energiei electrice. Se poate aplica în mediile greu accesibile, atât în subsol cât și în aer, are o capacitate de transmisie foarte mare, o siguranță ridicată pentru mediu dar și pentru personal, se poate instala relativ ușor, pierderile pe parcursul transmisiei sunt unele reduse, compatibilitate electromagnetică ridicată etc.

Configurația liniilor electrice cu izolație în gaz se bazează pe tehnologia conductoarelor tubulare cu conțin amestec de hexaflorură de sulf, conductoare ce au o secțiune transversal tipic electrică de aproximativ 5.300, și sunt amplasate în interiorul unei carcase de aluminium. Conductorul se află într-o izolație de rășină, care îl centrează ăn exteriorul carcasei. Carcasa .formată dintr-un tub de aluminiu tare, oferă p izolare mecanică și electrotehnicp foarte buna întregului sistem. Sunt folosite diverse tehnologii, tehnici de verificare cu ultrasunete, pentru a asigura perfecta etanșare a tuburilor.

Liniile electrice cu izolație în gaz reușesc să fie protejate împotriva influențelor negative ale mediului înconjurător în timpul funcționării. Spre deosebire de liniile electrice aeriene sau în cablu, acestea nu necesită operațiuni regulate de mentenanță ci doar inspecții externe. La sfârșitul duratei de viață, problema dezinstalării este și ea rezolvată deoarece sistemul tubular GIL, împreună cu toate componentele sale respective amestecul de sunt 100% reciclabile, factori ce ajută la minimizarea costurilor duratei de funcționare.Sistemul de izolație nu este supus îmbătranirii, ceea ce reduce scurgeri de gaze, sunt sigilate pe întregul ciclu de viață, își păstrează aceleași proprietăți pe întreaga perioadă de funcționare.

-Studiu de caz Centrala Wehr, Germania-

Au fost instalate linii electrice cu izolație în gaz înntr-un tunel al aceastei centrale din Munții Pădurea Neagră, Germania, în anul 1975. Soluția este una dintre cele mai importante, mai ales pentru că a fost vorba de instalarea unei singure faze, cu o lungime de 4 km. La 30 de ani de la instalare, în urma inspecțiilor realizate, s-a constatat că toate materialele componente se aflau în cea mai bună stare, nu necesitau lucrări de mentenanță și puteau funcționa în continuare pentru o lungă perioadă de timp, în siguranță.

Figura 1.7 Centrala electrică Wehr, Germania

-Conectarea la rețea-

Conectarea la rețea a GIL se face într-un mod simplu, indiferent de zonă sau gradul de accesibilitatea. Acest sistem este potrivit pentru aproape toate modurile de rutare, de exemplu pentru zone deja contruite sau șosele, terenuri mlăștinoase, etc. De menționat este și faptul că timpul de realizare al întregului sistem este unul redus (comparative cu alte soluții existente).

Datorită acestor caracteristici, liniile electrice cu izolație în gaz pot fi utilizate în cât mai multe scopuri. Se mai adaugă și plusul adus de âposibilitatea conectării directe la o linie electrică în cablu deja existent, de exemplu. Ca și rezultat al capacitatei lor scăzute, nu este necesară compensarea, nici chiar în cazul liniilor cu lungimi de peste 70 de km.

-Compatibilitate electromagnetică-

Compatibilitate electromagnetică ridicată: În figura alăturată sunt prezentate câmpurile electrice în µT ale liniilor electrice cu izolație în gaz, liniilor electrice aeriene de transmisie și liniilor electrice în cablu, pentru un dublu sistem de 400kV cu 2X1.000 MVA. Atât GIL cât și cablurile sunt așezate la adâncime de 1m.

Se poate observa că densitatea de flux magnetic pentru GIL se află în intervalul [0,5]µT, fiind de aproximativ 10 ori mai mică decât în cazul liniilor electrice aeriene sau 20 decât în cazul cablurilor. Acest lucru face posibilă construcția GIL în cât mai multe zone, ca de exemplu în apropierea unor spitale, zone rezidențiale, foarte populate sau în spațiile unde există și alte echipamente, cum ar fi echipamentele de telecomunicații, în tuneluri. Sistemul GIL poate fi deci utilizat acolo unde sunt impuse limite stricte în ceea ce privește câmpul magnetic, unde există medii sensibile din punctul de vedere al compatibilității electromagnetice.

-Studiu de caz-

Proiectul PALEXPO din Geneva, Elveția, este un bun exemplu pentru a susține posibilitatea instalării GIL unde este necesară o compatibilitatea electrogamnetică redusă.Un astfel de sistem a înlocuit 500m de liniei electrică aeriană dublu circuit ce trebuia îndepărtată din cauza lucrărilor de construcții ce aveau loc în apropiere. S-a optat pentru această soluție după ce s-a ajuns la concluzia că valorile obținute pentru EMC sunt mult mai mici. Astfel că au putut fi folosite echipamente electronice foarte sensibile în clădirile din apropiere, fără a exista interferențe între acestea și linia de 300 kV.

-Posibilități de instalare-

La nivelul solului

Alegerea acestui tip de instalare este una dintre cele mai ușoare, care nu pare să genereze niciun tip de problemă, nici chiar în cazul în care se realizează încondiții de mediu mai dificile sau în zone greu accesibile. Cum am mai precizat, Gil nu afectează mediul înconjurător, fiind alcătuite din materiale 100% reciclabile, dar nici nu sunt afectate de acesta. Temperaturile foarte ridicate, poluarea atmosferică, praful, nisipul nu au niciun fel de influență asupra acestora. Nu este necesară protecția împotriva coroziunii. Se poate realiza astfel transmisia energiei electrice cu o putere ridicată utilizând această soluție.

În galerii sau tuneluri

Și în acest caz, instalarea este una ce nu necesită complexitate, dar care însă are nevoie de o perioadă de timp mai mare. Se realizează tuneluri cu ajutorul elementelor structurale prefabricate, puse ulterior în șanțurile create. La terminarea acestor procedee se instalează liniile electrice. Structura finală nu va afecta solul din zona respectivă, către acesta se va disipa doar o cantitate mică de căldură iar acesta va putea fi folosit mai departe în scopuri agricole, de exemplu. Sistemul rămâne accesibil pentru inspectări, transmisia energiei electrice se face mai departe în siguranță.

Pe verticală

Tehnologia liniilor electrice cu izolație în gaz permite instalarea lor la orice înclinație, inclusiv în poziție verticală. Tocmai dn acest motiv, soluția poate fi una potrivită pentru o centrală hidroelectrică, unde o cantitate mare de energie electrică trebuie transportată de la transformatoarele din subteran către echipamentele și liniile aeriene de la suprafață. Datorită numeroaselor avantaje prezentate anterior, soluția GIl cu instalare pe verticală poate fi adoptată în orice tip de mediu, indiferent de condițiile geografice, fiind folosită uneori în tunelurile ce au rol dublu ( este folosit simultan și pentru aerisire, de exemplu).

Direct în sol

Pe lângă posibilitatea instalării liniilor eletrice cu izolație în gaz în tuneluri sau galerii există și aceasta a îngropării directe în pământ. Pentru că intră în contact direct cu pământul, carcasa din aliaj de aluminiu este acoperită cu un strat de polietilenă, rezistent la coroziune. Acest sistem de protecție crește durata de viață a instalației la până la 40 de ani. Se poate folosi suprafața respectivă în continuare, în diferite scopuri.

În figura 1.10 sunt reprezentate zonele unde s-au realizat cele mai importante instalații GIL, însumând o lungime de 90.000m.

Instalații la nivelul solului >62.000m

Instalații în tuneluri, galerii >23.000m

Instalații îngropate direct în pământ >5.000m

Se poate observa că de-a lungul timpului cea mai des utilizată soluție a fost cea în care liniile electrice sunt instalate la nivelul solului, întâlnite în mod special în țările dezvoltate din punct de vedere economic.

-Studiu de caz-

În stația electrică Limberg II din Kaprun, Austria, construită în 2010,un sistem GIL a fost instalat la un unghi de 42°. Aceasta ajută la conectarea unei centrale subterane cu linia aeriană de 380kV, aflată la o altitudine de 1.600m. Pentru că această soluție nu prezintă un risc de incendiu, tunelul în care a fost instalată poate fi folosti și pentru aerisire. Se vor reduce astfel costurile.