Wstęp
Okablowanie elektrowni wiatrowych jest jednym z kluczowych elementów zapewniających wydajność, bezpieczeństwo i rentowność siłowni. Projektowane jest już na wstępnym etapie uwzględniając wymagania środowiskowe, odległość od głównego punktu przyłączeniowego, czy sposób prowadzenia i związane z tym wymagania techniczne. W siłowniach wiatrowych występują kable SN (średniego napięcia), nn – niskiego napięcia, komunikacyjne światłowodowe, uziemiające, odgromowe, czy kable do systemów sterowania i transmisji danych. Poniżej skupię się tylko na kablach prądowych przybliżając ich wymagania i zasady ich montażu w wieży.
Przeznaczenie i wymagania dla kabli
Kable SN służą do bezpośredniego przesyłu energii wytworzonej przez generator do krajowego systemu elektroenergetycznego. Ich typowe napięcia pracy to 10-36 kV. W przypadku farm wiatrowych kable te łączą poszczególne turbiny ze sobą, a także z podstacją EE. Mogą biec w ziemi, przechodzić przez fundament turbiny jak też wznosić się wewnątrz wieży wiatrowej, aż do gondoli włącznie. Ten ostatni docinek narażony jest na wyjątkowe warunki pracy, bowiem gondola nie jest nieruchomą częścią systemu i może zmieniać swoje położenie względem kierunku wiatru. Ten skrętny ruch musi być przenoszony w sposób bezpieczny przez wiązkę kabli. Kable SN narażone są ponadto na wysoką obciążalność prądową, duże wahania temperatury, naprężenia mechaniczne, a w przypadku kabli układanych w wykopie na korozję i wilgoć. Wymagania dla kabli SN określają normy jak: DIN EN 60228, czy IEC 60502-2
Kable nn zamocowane są głównie wewnątrz gondoli i pełnią funkcję zasilania dla poszczególnych komponentów systemu, jak oświetlenie, ogrzewanie, systemy hydrauliczne czy różnego typu czujniki. Kable nn muszą być odporne na drgania i siły zginające, zmiany temperatur, a także spełniać wymagania norm ppoż. w przestrzeniach zamkniętych.
Rys. Schemat okablowania w wiezy wiatrowej. Każdy kolor oznacza nieco inny rodzaj kabli. (źr. Helukabel).
W kraju kable dla energetyki wiatrowej oferuje min. niemiecka firma Helukabel. Kable firmy są badane w specjalnym ośrodku w Windsbach, gdzie poddawane są obciążeniom skrętnym znacznie przekraczającym realne warunki pracy w siłowni wiatrowej. Testowa wieża ma 8m wysokości i kratownicową budowę. W czasie badań wiązka kabli skręcana jest o +/- 1200°, dodatkowo w odsłoniętych, narażonych na czynniki atmosferyczne warunkach. Ilość cykli skrętnych dochodzi do 16.000 co również wykracza poza standardowe warunki pracy. Z obliczeń firmy wynika, że pracująca 25 lat turbina poddawana jest 5000-10000 skrętów wywołanych zmiennością wiatru.
Fot. (po prawej) Wieża badawcza w Winsbach
Generalnie kable instalowane wewnątrz wieży turbiny wiatrowej powinny być odporne na zakres temperatur od -40°C do +90°C, a także na działanie oleju i ozonu. W części skrętnej (LOOP – pętla kablowa), na rys. powyżej kolor zielony – kable muszą charakteryzować się dodatkowo dużą wytrzymałością na skręcanie w niskich temperaturach. Przykładowo kable firmy Helukabel o nazwie handlowej Heluwind WK Torsion posiadają dopuszczalny promień skrętu +/- 150°/m.
Odporność na ogień kabli musi z kolei ograniczać możliwość rozprzestrzeniania się ognia pomiędzy sekcjami wieży. W USA kable muszą tutaj przejść wymagający test płomienia FT4, który gwarantuje, że płomienie będą rozprzestrzeniać się pionowo tylko do określonego punktu, a następnie samoczynnie zgasną. W Europie większość kabli oferowanych do turbin wiatrowych spełnia wyłącznie normy UL VW-1, CSA FT1 lub IEC 60332-1.
Mocowanie kabli
Z uwagi na bardzo dużą wysokość wież wiatrowych prowadzone wewnątrz nich kable muszą być w sposób specjalistyczny mocowane, aby uniknąć naprężeń i nie prowadzić do uszkodzeń izolacji. Montaż przewodów w korpusach konstrukcji masztów elektrowni wiatrowych wymaga stosowania złącz i dławików o dużej powierzchni docisku i wysokim stopniu IP. Mocowania zapewniają np. dławiki HSK-MZ-E dla przewodów ekranowanych. Poza uszczelnieniem powierzchni izolacji przewodów, zapewniają pewny uchwyt i odciążenie w przypadku działania sił wzdłuż osi przewodów.
Wieża wiatrowa jest bardzo trudnym podłożem do inwazyjnych metod montażu (wiercenie). Bardzo często do mocowania uchwytów pod kable stosuje się więc silne magnesy neodymowe (fot.).
Fot. Magnesy neodymowe wykorzystywane do montażu uchwytów pod okablowanie. (źr. wzmagnetics.com)
Eliminuje to potrzebę spawania, znacznie przyspiesza prace i jest bezpieczne z punktu widzenia pracowników (praca na zimno, brak szkodliwych oparów, integralność wieży). Poniżej przykładowy magnes o prostopadłościennej budowie z gwintem męskim M10 oraz tabela z kilkoma produktami. W skrajnej prawej kolumnie podano wytrzymałość na obciążenie w kg jednego magnesu.
Siła przyciągania badana jest poprzez obciążenie w kierunku pionowym. Dla kabli o małym przekroju innym sposobem nieinwazyjnego okablowania są uchwyty klejone, np. PMB firmy HellermannTyton. Uchwyty tego typu mocowane są do stalowych powierzchni za pomocą past adhezyjnych o bardzo dużej przyczepności do podłoża. Zbudowane są z metalowej płytki z zaczepem do opaski kablowej. Montaż jest bardzo szybki. Firma do napinania opasek i ucinania nadmiarowych pasków stosuje własnej produkcji narzędzie o nazwie EVO7.
Fot. Napinacz do opasek kablowych EVO7
Uchwyty do kabli dużych średnic montowane w wieży muszą mieć odpowiednią wytrzymałość na siły osiowe. Masa kabla pionowego na odcinku długości 100m potrafi przekraczać 150kg. Uchwyt musi ponadto mieć zwartą budowę, zajmować mało miejsca i pozwalać na montaż w wąskiej przestrzeni. Poniżej kilka rozwiązań.
Fot. Uchwyty kablowe dla kabli średniego napięcia (mkelektronik.pl)
Fot. Uchwyty pojedyncze i mnogie firmy Ellis. Poniżej sposób montażu.
Układanie kabli w ziemi
Montaż okablowania bezpośrednio w wykopie wykonuje się zgodnie z przepisami N-SEP-E-004 „Elektroenergetyczne i sygnalizacyjne linie kablowe – projektowanie i budowa”.
Wymagania ogólne
Kable należy układać na dnie wykopu, jeżeli grunt jest piaszczysty, w pozostałych przypadkach kable należy układać na warstwie piasku o grubości co najmniej 10 cm. Ułożone kable należy zasypać warstwą piasku o grubości co najmniej 10 cm, następnie warstwą piasku lub rodzimego gruntu, jak również oznaczyć. Dopuszcza się zamiast piasku stosowanie mieszaniny piasku i cementu o proporcji nie mniejszej niż 13:1. Folia lub siatka powinna znajdować się nad ułożonym kablem na wysokości nie mniejszej niż 25 cm i nie większej niż 35 cm. W przypadku skrzyżowań oznaczenia linii krzyżujących się powinny znajdować się na tej samej wysokości. Przy układaniu bednarki uziemiającej w tym samym wykopie, w którym ułożono kabel, bednarkę należy zakopać w dnie rowu kablowego na głębokości co najmniej 10 cm.
Głębokość ułożenia kabli w ziemi
Mierzona prostopadle od powierzchni ziemi do górnej powierzchni kabla, powinna wynosić co najmniej:
- 100 cm – kabli o napięciu znamionowym wyższym niż 30 kV;
- 90 cm – kabli o napięciu znamionowym do 30 kV, ułożonych na użytkach rolnych;
- 80 cm – kabli o napięciu znamionowym wyższym niż 1 kV lecz nie wyższym niż 30 kV, ułożonych poza użytkami rolnymi;
- 70 cm – kabli o napięciu znamionowym do 1 kV, ułożonych poza użytkami rolnymi
- 50 cm – kabli o napięciu znamionowym do 1 kV, ułożonych pod chodnikami, drogą rowerową, przeznaczonych do oświetlenia ulicznego, do oświetlenia znaków drogowych i sygnalizacji ruchu ulicznego oraz reklam itp
Dopuszcza się układanie kabli o napięciu znamionowym do 30 kV bezpośrednio w ziemi, w dwóch lub więcej warstwach. Głębokość ułożenia górnej warstwy kabli wg powyższych przepisów . Pionowa odległość między warstwami kabli powinna wynosić co najmniej 15 cm. Nie dopuszcza się warstwowego układania kabli o napięciu znamionowym wyższym niż 30 kV
Rys Wykop kablowy.
Znakowanie trasy kabli
Zgodnie z normą N-SEP-E-004:
Kable ułożone w ziemi powinny być zaopatrzone na całej długości w trwałe oznaczniki rozmieszczone w odstępach nie większych niż 10 m oraz przy mufach i w miejscach charakterystycznych, np. przy skrzyżowaniu, wejściach do kanałów i osłon otaczających. Kable ułożone w powietrzu powinny być zaopatrzone w trwałe oznaczniki przy głowicach i odbiornikach oraz w takich miejscach i odstępach, aby identyfikacja kabla było jednoznaczna. Oznaczniki kabli ułożonych w kanałach i tunelach należy umieszczać w odstępach nie większych niż 20 m. Na oznacznikach należy umieścić trwałe napisy zawierające co najmniej:
- a) numer ewidencyjny linii,
- b) typ kabla,
- c) znak użytkownika kabla,
- d) rok ułożenia kabla.
Trasa linii kablowych ułożonych w ziemi powinna być na całej długości i szerokości oznaczona siatką, folią lub folią perforowaną o trwałym kolorze: niebieskim – kabli elektroenergetycznych o napięciu znamionowym do 1 kV, tzn. UH < 1 kV; czerwonym – kabli elektroenergetycznych o napięciu znamionowym wyższym niż 1 kV, tzn. t/N > 1 kV. Grubość folii lub folii perforowanej powinna wynosić co najmniej 0,3 mm, a siatki co najmniej 1,5 mm. Powierzchnia wyperforowanych otworów powinna być nie większa niż 15% powierzchni całkowitej. Wymiar któregokolwiek z boków lub średnicy otworu siatki lub folii perforowanej powinien być nie większy niż 10 mm, a odległość między otworami powinna być w dowolnym miejscu nie mniejsza niż 1,5 mm. Folie i siatki powinny być wykonane z tworzywa sztucznego, które w temperaturze 20°C ma wydłużenie przy zerwaniu co najmniej 200%. Krawędzie folii lub siatki powinny wystawać co najmniej 50 mm poza zewnętrzną krawędź ułożonych kabli. Trasa kabli ułożonych w ziemi na terenach niezabudowanych powinna być oznaczona trwałymi i widocznymi oznacznikami. Na prostej trasie kabla oznaczniki powinny być rozmieszczone w odstępach nie większych niż 100 m. Ponadto należy je umieszczać w miejscach zmiany kierunku ułożenia kabla oraz w miejscach skrzyżowań i zbliżeń. Przy skrzyżowaniach z rzekami spławnymi i żeglownymi położenie linii kablowych należy oznaczyć na obu brzegach trwałymi tablicami ostrzegawczymi, dobrze widocznymi ze środka rzeki.
Fot. Folia znacznikowa kabli średniego i wysokiego napięcia
Do oznakowania trasy kablowej na gruncie służą zwykle słupki betonowe z wytłoczoną literą K. W miejscach montażu połączeń kablowych (muf) stosowane są z kolei słupki z literą M.
Rys. Słupki betonowe do znakowania tras kablowych (źr. styrobudbetoniarnie.pl)