Obciążalność termiczna napowietrznych linii elektroenergetycznych 400, 220 i 110 kv

Transkrypt

1 Obciążalność termiczna napowietrznych linii elektroenergetycznych 400, 220 i 110 kv Autor: Dr hab. inż. Waldemar Dołęga - Katedra Energoelektryki, Wydział Elektryczny, Politechnika Wrocławska, Wrocław, ul. Wybrzeże Wyspiańskiego 27, waldemar.dolega@pwr.edu.pl ("Energetyka" - 1/2016) Streszczenie W artykule przedstawiono wybrane aspekty dotyczące obciążalności termicznej napowietrznych linii elektroenergetycznych 400, 220 i 110 kv. Omówiono zagadnienie dopuszczalnej obciążalności prądowej, zwracając szczególną uwagę na obciążalność statyczną i dynamiczną. Przeanalizowano różnorodne aspekty dotyczące modernizacji napowietrznych linii elektroenergetycznych 400, 220 i 110 kv umożliwiającej zwiększanie ich obciążalności termicznej, które polegają na realizacji następujących działań: zastosowanie przewodów wysokotemperaturowych o małych zwisach, budowa nowej linii lub dodatkowego toru w istniejącym korytarzu w terenie, zastosowanie systemów monitoringu obciążalności prądowej linii oraz wykonanie określonych zabiegów modernizacyjnych. Słowa kluczowe obciążalność termiczna, napowietrzna linia elektroenergetyczna, rozwój, planowanie 1. Wprowadzenie Infrastruktura sieciowa 400, 220 i 110 kv składa się głównie z elektroenergetycznych linii napowietrznych. Linia taka jest urządzeniem napowietrznym składającym się z przewodów, izolacji, konstrukcji wsporczych, osprzętu oraz innych, wynikających ze sposobu pracy linii, elementów. W krajowych liniach 400, 220 i 110 kv typowo, jako przewody robocze, stosuje się linkę stalowo- aluminiową (AFL) o stosunku przekroju aluminium do przekroju rdzenia stalowego wynoszącym 6:1 lub 8:1. Przekrój znamionowy aluminium zawiera się w granicach od 120 do 525 mm 2, przy czym typowy przekrój w liniach 110 kv wynosi 240 mm 2 natomiast w liniach 220 i 400 kv jest równy 525 mm 2. Konstrukcja tego typu posiada swoje uzasadnienie w prostej technologii wytwarzania przewodu oraz w możliwości kształtowania jego własności mechanicznych i elektrycznych poprzez odpowiednie skonfigurowanie udziału aluminium i stali w przekroju poprzecznym przewodu [3]. Ujemną stroną takiego rozwiązania jest szereg problemów eksploatacyjnych wynikających z różnicy własności fizycznych materiałów składowych, wysokiej masy przewodu, obecności materiału ferromagnetycznego, ryzyka korozji, itp. W liniach 400 kv stosowane są przewody wiązkowe, składające się z dwóch lub więcej linek utrzymywanych w stałej odległości od siebie.

2 Linie napowietrzne 400, 220 i 110 kv wyposażone są na całej długości w przewody odgromowe, których podstawowym zadaniem jest ochrona przewodów roboczych przed bezpośrednimi wyładowaniami atmosferycznymi. Przewody te są przeważnie wykonane z wykorzystaniem linki stalowo-aluminiowej, często z wbudowanym światłowodem, umożliwiającym ich wykorzystanie do celów teletransmisyjnych. Przewody linii napowietrznych są zawieszane na odpowiednio zaprojektowanych konstrukcjach wsporczych. W liniach 400, 220 i 110 kv stosowane są typowe serie słupów kratowych, wykonanych z odpowiednich kształtowników stalowych. W ostatnich latach rozpoczęto stosowanie słupów pełnościennych, tzw. rurowych, o przekroju koła lub wieloboku. Przewody są mocowane do konstrukcjach wsporczych za pomocą izolatorów, wykonywanych z porcelany lub szkła, przy czym obecnie obserwuje się dynamiczny rozwój izolatorów kompozytowych, składających się z rdzenia nośnego, najczęściej szklanoepoksydowego, i zewnętrznej osłony izolacyjnej, wykonanej zwykle z hydrofobowego elastomeru syntetycznego [5]. 2. Dopuszczalna obciążalność prądowa Jednym z najważniejszych parametrów charakteryzujących linie napowietrzne jest ich dopuszczalna obciążalność prądowa. Określona jest wartością prądu, przy której przewody robocze nagrzewają się do temperatury granicznej roboczej. Jest ona definiowana dla ściśle określonych warunków atmosferycznych i założonej temperatury granicznej przewodów roboczych. Wybór wartości temperatury granicznej roboczej przewodów dla linii o napięciu 400, 220 i 110 kv należy do jej właściciela. Norma [8] zalecała temperaturę 60 C jako wartość optymalną, która pozwala w większym stopniu wykorzystać zdolności przesyłowe przewodów niż w przypadku stosowanej do 1989 roku wartości 40 C. W danych warunkach atmosferycznych temperatura graniczna robocza przewodów linii napowietrznych nie może być długotrwale przekroczona, gdyż prowadzi to do zwiększenia zwisów, a w konsekwencji do zmniejszenia odległości pionowej przewodów roboczych od ziemi i od obiektów krzyżowanych poniżej dopuszczalnych, ze względów bezpieczeństwa publicznego wartości określonych w normie [9]. Szczególnie istotny, ze względu na możliwość przekroczenia dopuszczalnych odległości, jest przyrost zwisów w zakresie temperatur od 40 C do 80 C. W tym przedziale temperatur w liniach 110 kv, w przęsłach o rozpiętości nominalnej (wynoszącej ok. 300 m) z typowymi przewodami AFL, przyrosty zwisów wynoszą ok. 3 cm/ K. W sekcjach odciągowych wieloprzęsłowych, maksymalne przyrosty zwisów mogą być o ok. 35% większe [5]. W przypadku linii 220 kv i 400 kv (rozpiętość nominalna przęsła wynosząca ok. 450 m), przyrost zwisów wynosi około 4 cm/ K i może się zwiększać w sekcjach wieloprzęsłowych o ok. 50% [5].

3 Na temperaturę przewodu, a więc na jego zwis, oprócz prądu obciążenia, istotny wpływ mają zmienne czynniki zewnętrzne takie jak: prędkość i kierunek wiatru, temperatura powietrza oraz nasłonecznienie. W połowie lat osiemdziesiątych XX wieku, na podstawie analizy statystycznej rozkładów prawdopodobieństwa tych czynników na terenie kraju, wyznaczono dopuszczalne obciążalności linii napowietrznych w zależności od ich temperatury granicznej roboczej. Są to tzw. obciążalności statyczne, wyznaczone przy przyjętym ryzyku przekroczenia dopuszczalnych zwisów na poziomie 20 godzin w ciągu roku. W tabeli 1 dla typowych przewodów roboczych stosowanych w liniach 400, 220 i 110 kv, podano obciążalności samych przewodów oraz obciążalności statyczne linii z tymi przewodami dla temperatur granicznych 40 i 60 C. Wyróżniono obciążalność letnią (kwiecień październik) i zimową (listopad marzec). Z tabeli 1 wynika, że w okresie letnim obciążalność linii AFL mm 2, przy przyjęciu temperatury projektowej równej 40 C, stanowi jedynie 50% obciążalności przewodów, przy przyjęciu temperatury 60 C - 85%. Badania statystyczne wykazały, że jeśli linia zaprojektowana na temperaturę 40 C byłaby obciążona prądem długotrwale dopuszczalnym dla przewodów, to przekroczenie dopuszczalnych zwisów występowałoby w czasie ok. 5% okresu pracy linii, tj. ok. 250 godzin w ciągu roku [1]. Obciążalność statyczna linii napowietrznych określana jest zwykle dla bardzo rzadko występujących najbardziej niekorzystnych warunków pracy linii, tzn. przy przyjęciu minimalnej prędkości wiatru oraz maksymalnego nasłonecznienia i temperatury otoczenia [6]. W podobny sposób wyznaczono obciążalności zestawione w tabeli 1. W efekcie dopuszczalna obciążalność linii, szczególnie w okresie letnim, jest znacząco niższa od dopuszczalnej obciążalności samych przewodów roboczych. Tabela 1 Statyczna obciążalność prądowa linii i samych przewodów AFL mm 2 i AFL mm 2 w okresach letnim i zimowym [6] Typ i przekrój przewodów roboczych Okres Obciążalność samych przewodów [A] Obciążalność linii w temperaturze [A] 40 C 60 C AFL mm 2 letni zimowy AFL mm 2 letni zimowy Ze względu na zmienność warunków atmosferycznych obciążalność linii jest wielkością dynamiczną i zmienia się w szerokich granicach.

4 Zwiększenie możliwości przesyłowych linii jest możliwe przy zastosowaniu tzw. obciążalności dynamicznej, określanej na podstawie aktualnego obciążenia linii oraz bieżących warunków atmosferycznych. Nieodłącznym elementem stosowania dopuszczalnej obciążalności linii jest ryzyko przekroczenia jej wartości w prowadzeniu ruchu w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym (w skrócie KSE). Wykorzystanie obciążalności dynamicznych zwiększa to ryzyko jednak badania statystyczne pokazały, że pozostaje ono na akceptowalnym poziomie [1]. Dodatkowo przy ocenie tego ryzyka należy uwzględnić rzeczywiste zagrożenie, jakie stwarzają przekroczenia obciążalności. Akceptowalne ryzyko może być większe dla linii przebiegających w terenach niezamieszkałych, nie krzyżujących się z innymi obiektami. Przykładowo dla linii napowietrznej 110 kv w okresie letnim wykonanej przewodem AFL6 120 mm 2 o temperaturze projektowej 40 C obciążalność prądowa wynosi 205 A. Przepływ prądu o wartości 250 A oznacza przekroczenie obciążalności o 22%. Jest to niedopuszczalne, niemniej jednak praktyczny skutek tego przeciążenia oznacza tylko kilkudziesięciocentymetrowe zmniejszenie odległości przewodu od obiektów znajdujących się pod linią. Zmniejszenie to w praktyce jest jeszcze mniejsze, gdy uwzględni się rzeczywiste warunki atmosferyczne określone przez temperaturę otoczenia, nasłonecznienie, prędkość i kierunek wiatru. Znaczenie zwiększenia zwisu przewodu też może być bardzo zróżnicowane. Jest znaczące dla przebiegającej pod linią drogi i bez znaczenia dla leżących pod linią łąk i innych nieużytkowanych terenów rolnych. Dalsze zwiększenie zdolności przesyłowych, przy zachowaniu ryzyka przekroczeń na racjonalnym poziomie, uzyskuje się w warunkach awaryjnych. Szczególnie istotny jest tutaj długotrwały stan awaryjny (od kilku godzin do kilku dni), związany z kryterium (n 1). Przy wyznaczaniu obciążalności dla długotrwałych stanów awaryjnych przyjęto, że występujące maksymalne przekroczenia dopuszczalnej temperatury przewodów nie powinny być większe niż 10 K w stosunku do maksymalnych przekroczeń, jakie mogą występować w stanach normalnych. Daje to w konsekwencji dodatkowy przyrost zwisu w liniach 110 kv o ok. 30 cm dla przęsła nominalnego i ok. 40 cm dla najdłuższego przęsła w przypadku sekcji wieloprzęsłowych [5]. W liniach 400 i 220 kv wartości te wynoszą odpowiednio 40 i 60 cm [5]. 3. Wymagania wynikające z obciążalności termicznej linii napowietrznych Jednym z podstawowych warunków technicznych dla sieciowej infrastruktury elektroenergetycznej jest wymaganie nie przekroczenia obciążalności termicznej linii elektroenergetycznych. Zagadnienie to jest szczególnie istotne w warunkach rynkowych z racji dużej zmienności obciążeń w gałęziach sieci, uzależnionej od zawieranych transakcji handlowych. W odniesieniu do infrastruktury sieciowej 400, 220 i 110 kv zwiększenie obciążalności termicznej może być zrealizowane przez rozbudowę lub modernizację układu sieciowego.

5 Rozbudowa infrastruktury sieciowej wymaga poniesienia znacznych nakładów inwestycyjnych i wiąże się z dużymi problemami: formalno-prawnymi, środowiskowymi i społecznymi. Szybka budowa nowych linii napowietrznych 400, 220 czy 110 kv nawet w istniejącym korytarzu w terenie (po zdemontowaniu starej linii) jest praktycznie niemożliwa z uwagi na: kwestie natury formalno-prawnej, olbrzymie trudności z uzyskaniem prawa drogi, powszechny brak zgody właścicieli terenów, protesty organizacji ekologicznych, itp. [4]. Ponadto ograniczony poziom środków finansowych nie pozwala na znaczący zakres takiej rozbudowy. Modernizacja natomiast wymaga poniesienia znacznie mniejszych nakładów inwestycyjnych, a skala wspomnianych problemów jest znacznie mniejsza. Dlatego modernizacja termiczna istniejących linii elektroenergetycznych, szczególnie ta wykonywana bez istotnych zmian w rozwiązaniach konstrukcyjnych starych linii stanowi obecnie i będzie stanowiła w przyszłości podstawowy kierunek rozwoju infrastruktury sieciowej [3]. Modernizacja napowietrznych linii elektroenergetycznych 400, 220 i 110 kv związana ze zwiększaniem ich przepustowości termicznej polega na realizacji następujących działań: zastosowanie przewodów wysokotemperaturowych o małych zwisach (HTLS), budowa nowej linii lub dodatkowego toru w istniejącym korytarzu w terenie, zastosowanie systemów monitoringu obciążalności prądowej linii, wykonanie określonych zabiegów modernizacyjnych. Zastosowanie przewodów wysokotemperaturowych stwarza bardzo duże możliwości zwiększenia obciążalności termicznych linii napowietrznych bez istotnych zmian w rozwiązaniach konstrukcyjnych starych linii [6]. Umożliwia wykonanie modernizacji linii w stosunkowo krótkim czasie bowiem przewody te wymagają zwykle minimalnego zakresu prac dostosowawczych w określonych elementach linii. Ponadto zastosowanie przewodów wysokotemperaturowych umożliwia m.in. uzyskanie dużej elastyczności pracy systemu w warunkach rynku energii elektrycznej, zmniejszenie kosztów ograniczeń przesyłowych, ograniczenie ryzyka wystąpienia dużych awarii systemowych [3]. Budowa nowej linii w istniejącym korytarzu w terenie może nastąpić po zdemontowaniu starej linii. Rozwiązanie takie stanowi najmniejszą ingerencję w środowisko przyrodnicze. Bowiem istniejąca linia jest już wkomponowana w okoliczny krajobraz i stanowi rozwiązanie zdeterminowane istniejącymi czynnikami środowiskowymi. Modernizacja taka może dotyczyć np. przebudowy istniejących linii o napięciu 220 kv na linie o napięciu 400 kv [3]. Systemy monitoringu obciążalności prądowej linii obejmują: urządzenia do pomiaru parametrów podstawowych wraz z odpowiednim dedykowanym oprogramowaniem przeliczającym dane pomiarowe na parametry użyteczne z punktu widzenia operatora systemu przesyłowego lub operatora systemu dystrybucyjnego, wspomagane dodatkowymi urządzeniami: pomiarowymi i telekomunikacyjnymi oraz układami zasilania: podstawowego i awaryjnego [2].

6 Zastosowanie systemów monitoringu obciążalności prądowej linii umożliwia uwzględnienie zmienności ich obciążalności termicznych i stanowi sposób okresowego zwiększenia obciążalności gałęzi sieci [3]. Obciążenia dynamiczne w przypadku linii napowietrznych zależą od lokalnych warunków atmosferycznych, a ich wartości maksymalne mogą przekraczać kilkakrotnie wartości obciążalności statycznych, uwzględniających jedynie zmienność sezonową tych warunków. Na rys. 1 przedstawiono wpływ zmieniających się w ciągu przykładowej doby warunków atmosferycznych na obciążalność linii 110 kv (temperatura graniczna robocza przewodów wynosi 40ºC, a ich obciążalność statyczna letnia 325 A). Rys. 1. Wpływ wiatru, temperatury otoczenia i nasłonecznienia na obciążalność linii napowietrznej [7] Pomiar wybranych parametrów napowietrznych linii 400, 220 i 110 kv w czasie rzeczywistym, wspomagany pomiarami wybranych parametrów meteorologicznych i ich prognozami umożliwia śledzenie dynamicznej obciążalności linii. Pozwala to m.in. na właściwe prowadzenie zarówno ruchu sieciowego jak i czynności eksploatacyjnych. Ponadto umożliwia racjonalne wykorzystanie istniejącej infrastruktury sieciowej (m.in. na likwidację pozornych ograniczeń przesyłowych) i zwiększenie zdolności do szybszego reagowania na dynamiczne zmiany rozpływów mocy (np. nagłe zmiany w wielkości mocy generowanych w farmach wiatrowych, przepływy kołowe występujące na połączeniach transgranicznych z Niemcami, itd.) [3]. Rozwiązania te są znacznie mniej kosztowne od przedstawionych wcześniej działań umożliwiających zwiększenie obciążalności termicznej linii. Ponadto nie wymagają modyfikacji linii a zakres wymaganych zmian jest ograniczony. Montaż samych urządzeń w wielu przypadkach odbywa się przy wykorzystaniu technik prac pod napięciem (praca na potencjale lub z odległości).

7 Wykonanie określonych zabiegów modernizacyjnych umożliwia znaczne zwiększenie obciążalności linii. Są to stosunkowo proste i nie wymagające dużych nakładów inwestycyjnych zabiegi modernizacyjne. Należą do nich m.in.: regulacja naprężeń przewodów, wymiana łańcuchów izolatorów - skrócenie ich długości, zniwelowanie terenu pod linią, skablowanie linii SN i nn na krzyżowanych odcinkach linii 400, 220 i 110 kv, skablowanie linii 110 kv na krzyżowanych odcinkach linii 400 i 220 kv, podwyższenie wybranych słupów [3]. Kluczowym problemem w obszarze infrastruktury sieciowej 400, 220 i 110 kv w aspekcie modernizacji jest niska ze względu na zwisy letnia obciążalność prądowa linii projektowanych dla temperatury przewodów 40 C [6]. Dotyczy to szczególnie linii posiadających przęsła o stosunkowo dużej rozpiętości (z reguły powyżej 200 m) i o dużym zwisie przewodów. W liniach tych pojawiają się często tzw. wąskie gardła, stwarzające ograniczenia w przesyle mocy [3]. Likwidacja tych wąskich gardeł może nastąpić m.in. poprzez wdrożenie i stosowanie w praktyce dynamicznej obciążalności termicznej linii napowietrznych lub modernizację termiczną linii napowietrznych [7]. 4. Wnioski Dopuszczalna obciążalność prądowa jest jednym z najważniejszych parametrów charakteryzujących linie napowietrzne, a wymaganie nie przekroczenia obciążalności termicznej linii elektroenergetycznych jest jednym z podstawowych warunków technicznych dla sieciowej infrastruktury elektroenergetycznej. Linie napowietrzne 400, 220 i 110 kv charakteryzuje obciążalność statyczna i dynamiczna. Ta pierwsza określana jest zwykle dla bardzo rzadko występujących najbardziej niekorzystnych warunków pracy linii, tzn. przy przyjęciu minimalnej prędkości wiatru oraz maksymalnego nasłonecznienia i temperatury otoczenia. Ta druga uwzględnia bieżące warunki atmosferyczne. Zwiększenie obciążalności termicznej infrastruktury sieciowej 400, 220 i 110 kv może być realizowane przez rozbudowę lub modernizację układu sieciowego. Modernizacja napowietrznych linii elektroenergetycznych 400, 220 i 110 kv związana ze zwiększaniem ich obciążalności termicznej polega na realizacji następujących działań: zastosowanie przewodów wysokotemperaturowych o małych zwisach, budowa nowej linii lub dodatkowego toru w istniejącym korytarzu w terenie, zastosowanie systemów monitoringu obciążalności prądowej linii oraz wykonanie określonych zabiegów modernizacyjnych.

8 Literatura [1] Buchta F.: Optymalizacja strategii rozwoju sieci przesyłowej w warunkach rynkowych z uwzględnieniem ryzyka. Monografia. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Elektryka nr 1712, Gliwice [2] Czapaj-Atłas R.: Obciążalność prądowa sieci metody pomiarów i zwiększenie przepustowości, Elektroenergetyka: współczesność i rozwój, nr 3-4/2012, str [3] Dołęga W.: Planowanie rozwoju sieciowej infrastruktury elektroenergetycznej w aspekcie bezpieczeństwa dostaw energii i bezpieczeństwa ekologicznego. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, [4] Dołęga W.: Utrudnienia i bariery formalno-prawne rozbudowy i modernizacji sieciowej infrastruktury elektroenergetycznej. Polityka Energetyczna, Zeszyt 2, 2011, str [5] Korab R.: Optymalizacja operatorstwa przesyłowego w krajowym systemie elektroenergetycznym. Monografia. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice [6] Popczyk J. (red.): Bezpieczeństwo elektroenergetyczne w społeczeństwie postprzemysłowym na przykładzie Polski. Monografia. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice [7] Siwy E.: Metody i możliwości zwiększenia zdolności przesyłowej KSE z wykorzystaniem monitoringu linii napowietrznych, Elektroenergetyka: współczesność i rozwój, nr 4/2010, str [8] PN-E :1998: Elektroenergetyczne linie napowietrzne. Projektowanie i budowa. Linie prądu przemiennego z przewodami gołymi, /utraciła ważność/. [9] PN-EN : 2005: Elektroenergetyczne linie napowietrzne prądu przemiennego powyżej 45 kv Część 1: Wymagania ogólne. Specyfikacje wspólne. Thermal capacity of 400, 220 and 110 kv overhead power lines Key words thermal capacity, overhead power line, development, planning Annotation - In this paper, selected aspects concerned thermal capacity of 400, 220 and 110 kv overhead power lines are shown. Problem of permissible current-carrying capacity is discussed. Special attention to static and dynamic capacity is paid. Various aspects referred to modernization of 400, 220 and 110 kv overhead power lines made increase their thermal capacity, which rely on such undertakings as: utilization of high-temperature conductors with small sags, construction of new line or additional path in existing corridor in the ground, utilization of systems for monitoring of current-carrying capacity of line and execution of specified modernized operations are analyzed.