Budowa i właściwości przewodów wysokotemperaturowych w liniach elektroenergetycznych

Transkrypt

1 ZAJKOWSKI Konrad 1 ZIELIŃSKI Piotr 2 Budowa i właściwości przewodów wysokotemperaturowych w liniach elektroenergetycznych WSTĘP Rosnące znaczenie energii elektrycznej w gospodarce i stałe zwiększanie jej konsumpcji w krajach wysokorozwiniętych, przyczynia się do przeciążenia obecnie istniejących linii elektroenergetycznych i w konsekwencji do tzw. blackoutów. Konieczne są działania poprawiające obecny stan infrastruktury, aby zapewnić bezpieczne i nie przerywane dostawy prądu do odbiorców. Przedstawiony na rysunku 1 trend wzrostu popytu na energię elektryczną zmusza do rozbudowy i modernizacji obecnie istniejących sieci elektroenergetycznych w kraju. Rys.1. Prognoza zapotrzebowania na energię elektryczną w Polsce do 2050 r. [7] Rys.2. Szacowany rozkład kosztów budowy linii napowietrznych [2] Zgodnie z rysunkiem 2 można stwierdzić, że najbardziej opłacalna jest wymiana obecnego przewodu na przewód, który umożliwiłby zwiększenie zdolności przesyłowych linii elektroenergetycznych, przy zachowaniu obecnej infrastruktury wspomagającej. Skutkiem podwyższenia natężenia prądu w linii poprzez zwiększenie dopuszczalnej gęstości prądu w przewodach jest wzrost temperatury i rozciągnięcie się przewodu. Niestety najczęściej spotykanymi przewodami w Polsce stosowanymi w liniach wysokiego napięcia są przewody typu AFL przewody gołe stalowo-aluminiowe (inaczej ACSR). Zwiększenie temperatury jego pracy skutkuje koniecznością podwyższania lub/i wzmacniania słupów. Zgodnie z trendem w krajach wysoko uprzemysłowionych w Polsce zaczynają się pojawiać przewody typu HTLS (High Temperature Low Sag). Charakteryzują się one tym, że przy wyższej temperaturze w porównaniu do wspomnianych wcześniej posiadają mniejszy zwis. Przewód wysokotemperaturowy HTLS jest zdolny do ciągłej pracy w temperaturze powyżej 150 C. Niemniej należy zaznaczyć, że przy temperaturze 200 C rezystancja przewodów jest prawie dwa razy większa niż przy temperaturze 20 C. Z tego powodu celowe jest wykorzystywanie takich przewodów, których rezystancja jest najmniejsza. Chociaż procentowy udział strat przesyłowych w stosunku do całości transmitowanej energii nie jest wielki (nie przekraczają 8%) to wiąże się ze znacznymi stratami finansowymi w skali globalnej. 1 Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny; Koszalin; ul. Racławicka Tel: , konrad.zajkowski@tu.koszalin.pl 2 Politechnika Koszalińska, Student kierunku Energetyka, koło naukowe ElektroENERGA; Koszalin; ul. Racławicka 15-17, piotrzielinski93@wp.pl 11508

2 Straty przesyłu stanowią jeden z ważniejszych czynników eksploatacyjnych linii napowietrznych o charakterze ekonomicznym. Straty oblicza się na ogół dla konkretnych linii w oparciu o ich rzeczywisty profil termiczny. Globalne straty przesyłu szacuje się z zależności: 2 ii RT LLF PL gr (1) 1000 gdzie: PL straty energii przy przesyle [kw/km], i ilość faz w linii, I obciążalność prądowa przewodu [A], R Tgr rezystancja liniowa przewodu w temperaturze granicznej roboczej [ /km], LLF czynnik strat. Czynnik strat LLF to stosunek całkowitych strat linii w ciągu roku i maksymalnych możliwych strat w tym samym okresie, przy założeniu pełnego obciążenia prądowego linii przez cały czas pracy. W praktyce, czynnik strat zawsze będzie mniejszy od jedności i opisywany jest zależnością: gdzie: k 1 = 0,2; k 2 = 0,8 stałe, LF czynnik obciążenia. LLF 2 k1 LF k2 LF (2) Czynnik obciążenia LF rozumiany jest jako stosunek całkowitej energii przesyłanej linią odniesionej do maksymalnej energii, jaką przesłać może linia, przy założeniu pełnego obciążenia prądowego. W praktyce jest on również mniejszy od jedności - a w typowych liniach napowietrznych jest bliski 0,5. 1 ROZWIĄZANIA ALTERNATYWNE DO TECHNOLOGII AFL Obecnie na świecie funkcjonuje ponad 100 tysięcy kilometrów przewodów wysokotemperaturowych. Technologia HTLS jest dobrym rozwiązaniem w przypadku modernizacji jak i podczas konieczności budowy nowych linii. Lepiej jest zastosować trochę droższą technologię przewodów o małym zwisie. Daje ona później możliwość wielokrotnego, bezpiecznego przeciążania sieci. Nowa generacja wysokotemperaturowych i niskozwisowych przewodów napowietrznych typu HTLS jest wynikiem opracowania nowych stopów aluminium odpornych na bardzo wysokie temperatury. Pozwalają one na pracę przewodu w podwyższonych temperaturach bez ryzyka utraty właściwości wytrzymałościowych. Jednakże jednorodny przewód z odpornego cieplnie stopu aluminium generuje duży przyrost zwisu. Jest to wynikiem wysokiego współczynnika rozszerzalności cieplnej aluminium. Wynika z tego, że wykorzystanie nowych stopów nie wystarcza do budowy przewodów HTLS. Potrzeba jest wprowadzenia do nich dodatkowego materiału tzw. rdzenia nośnego, który zapewniłby razem z drutami ze stopu aluminium obniżenie współczynnika rozszerzalności cieplnej przewodu jako całości. W powstałym w ten sposób przewodzie bimateriałowym, po przekroczeniu pewnej charakterystycznej temperatury, niskorozszerzalny rdzeń nośny przenosi cały naciąg przewodu. Poprzez zastosowanie obu materiałów możliwe jest uzyskanie dwuzakresowego charakteru pracy. Z pierwszym zakresem mamy do czynienia przed przekroczeniem charakterystycznej temperatury, wtedy to obciążenie mechaniczne przenoszone jest przez obydwa materiały. Natomiast po przekroczeniu tej temperatury aluminium przejmuje charakter elektrycznie czynnej sadzi, a cały naciąg przenoszony jest przez rdzeń nośny

3 Rys.3. Porównanie przewodów typu HTLS z ACSR [6] Rys.4. Porównanie przewodów typu HTLS (ACCC) z AFL [8] 1.1 Budowa wewnętrzna Przewody HTLS mogą być wykonane z drutów okrągłych albo z drutów profilowanych. Ponadto rdzeń przewodu może być wykonany z metalu lub materiałów kompozytowych, albo nie zawierać go w ogóle (TAAAC). Obecnie można wymienić kilkanaście różnych przewodów o niskich zwisach. Przedstawione zostały one w tabeli 1. Tab.1. Rodzaje przewodów o niskim zwisie [11] Oznaczenie Pełna nazwa Krótki opis ACCC Przewód z aluminiowymi drutami segmentowymi i z Aluminium Conductor Composite Core rdzeniem z kompozytu z włókien węglowych i szklanych ACSS Aluminium Conductor Steel Supported Przewód aluminiowy podtrzymywany stalą ACSS/TW Aluminium Conductor Steel Przewód aluminiowy podtrzymywany stalą, z Supported/Trapezoidal Wires aluminiowymi drutami segmentowymi GZTACSR Gap Type Ultra Thermal Resistant wysokie temperatury wzmocniony stalą ze szczeliną Aluminium Conductor Steel Reinforced pomiędzy rdzeniem stalowym i oplotem KTACSR High Strenght Thermal Resistant Przewód z wysokowytrzymałego stopu aluminium TAL/HACIN (TACIR) TACSNR TAL (TACSR) TAL/ACS (TACSR/ACS) XTAL/HACIN (XTACIR) ZTAL/HACIN (ZTACIR) ZTAL (ZTACSR) ZTAL/ACS (ZTACSR/ACS) TAAAC Aluminium Conductor Steel Reinforced Thermal Resistant Aluminium Conductor Aluminium Clad Invar Reinforced Thermal Resistant Aluminium Conductor Steel Nickel Reinforced Thermal Resistant Aluminium Conductor Steel Reinforced Thermal Resistant Aluminium Conductor Aluminium Clad Steel Reinforced Extra Thermal Resistant Aluminium Conductor Aluminium Clad Invar Reinforced Ultra Thermal Resistant Aluminium Conductor Aluminium Clad Invar Reinforced Ultra Thermal Resistant Aluminium Conductor Steel Reinforced Ultra Thermal Resistant Aluminium Conductor Aluminium Clad Steel Reinforced Thermo-resistant Aluminium-Alloy Conductor odpornego na wysokie temperatury wzmocniony stalą Przewód ze stopu aluminium odpornego na wysokie temperatury wzmocniony Invarem pokrytym aluminium Przewód ze stopu aluminium odpornego na wysokie temperatury wzmocniony stopem niklowo-stalowym Przewód ze stopu aluminium odpornego na wysokie temperatury wzmocniony stalą ocynkowaną Przewód ze stopu aluminium odpornego na wysokie temperatury wzmocniony stalą pokrytą aluminium Przewód ze stopu aluminium superodpornego na bardzo wysokie temperatury wzmocniony Invarem pokrytym aluminium wysokie temperatury wzmocniony Invarem pokrytym aluminium wysokie temperatury wzmocniony stalą ocynkowaną wysokie temperatury wzmocniony stalą pokrytą aluminium wysokie temperatury 11510

4 Rys.5. Przekrój przewodu typu ACSS Rys.6. Przekrój przewodu typu ACSS/TW Przewód ACSS jest przewodem o konstrukcji aluminiowo-stalowej, z wyglądu przypomina tradycyjny przewód AFL. Różnica pomiędzy nimi leży w twardości drutów aluminiowych. W przypadku przewodu AFL druty aluminowe, które wykorzystuje się do jego budowy są twarde w czasie trwania całego okresu pracy. Natomiast druty aluminiowe używane w przewodach ACSS sa miękkie - w pełni wyżarzone, dlatego też nie są przystosowane do przenoszenia obciążeń mechanicznych. Tą funkcję prawie całkowicie przejmuje rdzeń nośny. Przewód ACSS występuje ponadto w wersji z drutami segmentowymi (ACSS/TW). Zastosowanie ich umożliwia zwiększenie przekroju aluminium o 20%. Z zastosowania nowej technologii w przewodach wynika wiele korzyści: umożliwiają znaczne zwiększenie zdolności przesyłowych lini, są przystosowane do pracy w temperaturze do 250 C, posiadają wysoki stopień na zmęczenie spowodowane wibracjami, mają wysoką zdolność do tłumienia oscylacji mechanicznych, zwis przewodu nie jest zależny od długotrwałego pełzania aluminium. Największą zaletą przewodów ZCSS i ZCSS/TW jest ich cena. Ze względu na szeroki dostęp i tanie materiały, są one znacznie tańsze od innych przewodów HTLS wykorzystujących specjalne stopy stali lub/i aluminium oraz nowych technologii rdzeni kompozytowych. Rys.7. Opis budowy przewodu typu ACSS i ACSS/TW Obecnie najlepszym przewodem na rynku jest przewód ACCC, który w porównaniu do ACSS/TW, jako rdzenia nośnego nie wykorzystuje stali, lecz rdzeń kompozytowy wytworzony z włókien węglowych i szklanych, zatopionych w uodpornionej na wysokie temperatury żywicy polimerowej. Przewód ten podczas wzrostu temperatury zachowuje się podobnie jak ACSS/TW i przenosi obciążenie mechaniczne na rdzeń, posiadający dużo niższy współczynnik rozszerzalności cieplnej

5 Rys.8. Przekrój przewodu typu ACCC Przewód ACCC posiada następujące zalety: przy pracy w podwyższonych temperaturach generuje najmniej strat ze wszystkich typów przewodów HTLS, po przejściu tzw. punktu kolanowego wyróżnia się najmniejszą charakterystyką zwisu ze wszystkich przewodów napowietrznych - praktycznie płaską, posiada najmniejszą rezystancję, co przyczynia się do ograniczenia strat w liniach przy takich samych obciążeniach jak w innych przewodach, wysoka wytrzymałość na rozciąganie pozwala zmniejszyć liczbę konstrukcji wsporczych w nowo budowanych liniach o 15 40%. Przewód typu GAP (rys.9) jest bardzo charakterystyczny ze względu na swoją budowę. Posiada on szczelinę wypełniona smarem, pomiędzy okrągłymi drutami stalowymi, a warstwą drutów aluminiowych. Wewnętrzna warstwa przewodów aluminiowych jest z drutów profilowych, w kształcie trapezu, ściśle do siebie przylegających. Tworzą one rurę która uniemożliwia wypłynięcie smaru. Zewnętrzna warstwa przewodów wykonana jest z drutów okrągłych lub trapezowych. Ponadto smar jest odporny na działanie wysokich temperatur. Zastosowana technologia przyczynia się do zmniejszenia tarcia pomiędzy rdzeniem, a aluminiowym oplotem. Dzięki temu rozszerzalność cieplna rdzenia została prawie dwukrotnie zmniejszona w porównaniu z rdzeniem konwencjonalnego przewodu AFL. Dopuszczalna temperatura pracy tego przewodu w zależności od rodzaju drutów zawiera się w przedziale C. Rys.9. Opis budowy przewodu typu GAP - G(Z)TACSR [1] Budowa przewodów wysokotemperaturowych typu TACSR jest bardzo zbliżona do konwencjonalnych przewodów stalowo-aluminiowych. Różnią się one tym, że wprowadzono do nich druty ze specjalnego stopu aluminium o wysokiej odporności termicznej w miejsce zwykłych drutów aluminiowych. Udział części stalowej i części ze stopu aluminium w przewodach TACSR ustala się w taki sposób, aby obniżyć temperaturę, przy której następuje załamanie charakterystyki zwis temperatura

6 Rys.10. Przekrój przewodu typu TACSR Ulepszeniem tego rozwiązania są przewody TACIR, które posiadają budowę podobną jak przewody TACSR, z tą jednak różnicą, że rdzeń nie jest wykonany ze stali lecz z inwaru, który posiada zdecydowanie niższy niż stal współczynnik rozszerzalności cieplnej. Dzięki temu załamanie charakterystyki zwis-temperatura przewodu występuje przy niższych temperaturach. Zarówno inwar jak i stal posiadają wysokie gęstości. Tendencja do obniżenia masy liniowej przewodu zaowocowała opracowaniem przewodów typu ACCR, w których miejsce ciężkich rdzeni zajęły lekkie i wysokowytrzymałe kompozyty z włókien Al2O3 w osnowie aluminium, zaś warstwy przewodzące wykonano z odpornego termicznie stopu aluminium. Tab.2. Zestawienie zbiorcze omówionych technologii według [11] typ zalety wady ACCR Mały przyrost zwisu przy wysokich temperaturach. Zwiększone pole przekroju aluminium. Lżejszy od przewodu AFL. Możliwa praca w temperaturze +210 C. Bardzo kruchy rdzeń ceramiczny z tlenków aluminiowych, który może być podatny na zmęczenie obciążeniem cyklicznym. Musi być zachowany bardzo duży promień gięcia. Wykonane z aluminiowych stopów cyrkonowych podatnych na złe domieszkowanie. Możliwość wyżarzenia i utraty parametrów mechanicznych. Krótkie odcinki produkcyjne. TACSR ZTACSR ACCC Możliwość pracy w temperaturze C TACSR, +210 C ZTACSR, +230 C XTACSR. Sposoby instalacji jak zwykłych przewodów AFL. Mało przydatny w polskich liniach ze względu na swoją charakterystykę zwis/temperatura. Czyste aluminium, o najmniejszej rezystywności. ok % więcej aluminium najmniejsza rezystancja spośród przewodów w tej samej klasie (średnica, masa, wytrzymałość). Straty mniejsze o 20-30% w stosunku do przewodu AFL o identycznej średnicy. Bardzo małe zwisy dzięki kompozytowemu rdzeniowi, najmniej zależne od temperatury. Możliwość ciągłej pracy w +180 C, w której osiąga większą obciążalność niż inne przewody HTLS w wyższych temperaturach. Szybki montaż uchwytów odciągowych % bardziej wytrzymały od przewodu AFL = dłuższe przęsła przy budowie nowych Długi czas produkcji rdzenia. Wykonane z aluminiowych stopów cyrkonowych podatnych na złe domieszkowanie. Możliwość wyżarzenia i utraty parametrów mechanicznych. Duży przyrost zwisów. Wymaga podwyższania znacznej liczby słupów dla uzyskania maks. obciążalności prądowej. Dopiero zastosowanie rdzenia inwarowego pozwala ograniczyć przyrost zwisów ale nieznacznie, przy znacznym wzroście ceny. Generują znacznie większe straty niż inne przewody HTLS. Elastyczny rdzeń wydłużający się sprężyście przy ekstremalnie dużych obciążeniach, ale przy obciążeniu lodem jest to zaletą, bo kompozytowy rdzeń ACCC nie pęka tak szybko jak stalowy. Aluminium będące w stanie miękkim wyżarzonym wymaga odpowiedniej kultury pracy. Konieczność stosowania większych niż zwykle rolek instalacyjnych ale znacznie mniejszych niż do ACCR. Nieodpowiednie techniki montażu mogą spowodować kosmetyczne puchnięcie aluminium - które z czasem znika. Aluminium będące w stanie miękkim wyżarzonym wydłuża się plastycznie po 11513

7 ACSS ACSS/TW GAP (GZTACSR, GTACSR) linii. Ograniczone koszty budowy nowych linii 10-40% mniej konstrukcji wsporczych. Samotłumiący przewód odporny na drgania. Nie podlega długotrwałemu pełzaniu. Gładka powierzchnia przewodu zmniejszony poziom wyładowań ulotowych. Możliwość dostarczenia w odcinkach po 6 km. Najlżejszy spośród przewodów HTLS. Przewód nie smarowany. Najnowocześniejsza technologia dostępna obecnie na rynku i dająca największy wzrost przepustowości linii bez konieczności podwyższania słupów. Możliwość pracy w +250 C. Montaż podobny do AFL. Przewód nie smarowany. Małe zwisy. Zmniejszone w stos. do AFL straty. Czyste aluminium, o małej rezystywności. W wersji TW możliwość zmniejszenia obciążeń słupów o 10%. Największa zainstalowana ilość. Największe doświadczenie eksploatacyjne spośród przewodów HTLS. Najtańszy ze wszystkich przewodów HTLS. Możliwość pracy w +150 C GTACSR lub +210 C GZTACSR. Przyrost zwisów jak dla linki stalowej poczynając od temperatury montażu. Konstrukcja posiadająca najdłuższe referencje pierwszym obciążeniu lodem, ale nie jest to groźne, ponieważ zwis końcowy po obciążeniu lodem tego przewodu jest i tak mniejszy niż zwis innych przewodów HTLS. Trudny do określenia stan w jakim znajduje się zwis przewodu przed pierwszym obciążeniem lodem, ale nie jest to groźne, ponieważ zwis końcowy po obciążeniu lodem tego przewodu jest i tak mniejszy niż zwis innych przewodów HTLS. Stosunkowo małe zwisy dopiero od temperatury +80 C. Konieczność odprężania z bardzo dużym naciągiem ok % RTS w celu uzyskania małych zwisów, co może być niebezpieczne dla konstrukcji wsporczych. Bez odprężania, trzeba pdwyższać znaczną liczbę słupów. Aluminium będące w stanie miękkim wyżarzonym wydłuża się plastycznie po pierwszym obciążeniu lodem. Przewód ACSS/TW ma zbyt dużą masę i trzeba redukować jego średnicę. Skomplikowany montaż polegający na wyregulowaniu zwisu tylko na rdzeniu. Konieczność stosowania uchwytów półnaciągowych. Konieczność zamocowania ich dokładnie w pionie. Możliwość uciekania rdzenia w głąb przewodu. Konieczność wymiany całej sekcji w przypadku zerwania przewodu. Ryzyko puszczenia rdzenia podczas jego naprężania groźne dla instalatorów i konstrukcji wsporczych. Krótkie odcinki produkcyjne 2,5 km. Trudna do osiągnięcia wytrzymałość termiczna. Wykonane z aluminiowych stopów cyrkonowych podatnych na złe domieszkowanie. W przypadku złej jakości wykonania stopu możliwość wyżarzenia i utraty parametrów mechanicznych nawet bez przekroczenia dop. temp. pracy. Wnętrze przewodu wypełnione smarem, który pod wpływem ruchów przewodu migruje na zewnątrz i powoduje znaczne zwiększenie ulotu, na skutek przylegania do jego powirzchni znacznej liczby zanieczyszczeń. Trudna naprawa. Wymaga pdwyższania znacznej liczby słupów dla uzyskania maksymalnej obciążalności prądowej. WNIOSKI Podsumowując przedstawione rozważania, należy stwierdzić, że przewody HTLS są przyszłością sieci elektroenergetycznych. Każdy z przedstawionych przewodów w jakimś stopniu jest lepszy od przewodu AFL. Szeroka gama przewodów HTLS, jest dobrym prognostykiem na przyszłość. Można wybrać najlepszą opcję, nie tylko do modernizacji ale również przy budowie nowych linii

8 W rzeczywistym systemie trudno jest zastąpić klasyczny przewód AFL na istniejącej linii przewodem wysokotemperaturowym bez znacznego zwiększenia zwisów. Warunek zachowania dopuszczalnych zwisów przy zwiększeniu obciążalności prądowej linii, bez potrzeby podwyższania konstrukcji wsporczych, możliwy jest przy zastosowaniu przewodów typu ACCC. Zgodnie z unijnymi wymaganiami Polska powinna do 2016 roku zmniejszyć zużycie energii o 9%, a do roku 2020 o 20%. Według ustawy o efektywności energetycznej, za działania mające na celu zmniejszenie zużycia energii, firmy dostaną białe certyfikaty, które można sprzedawać na rynku papierów wartościowych. Działania zmniejszające ilość strat przesyłowych, polegające na zmianie typu przewodu, są możliwymi środkami pozyskania certyfikatów, a tym samym obniżenia kosztów inwestycyjnych. Streszczenie W pracy omówiono przegląd technologii stosowanych w przewodach wysokotemperaturowych o małych zwisach, stosowanych w liniach energetycznych napowietrznych. Przedstawiono analizę zalet i wad najważniejszych typów przewodów. Omówienie przedstawiono w tabelach porównawczych. The structure and properties of high temperature wires on the power lines Abstract This paper presents an overview of the technology used in high-temperature conductors with small slacks, used in overhead power lines. The analysis of the advantages and disadvantages of the major types of cables. Discussion of the comparison are shown in Tables. BIBLIOGRAFIA 1. Będzin-Poland, Fabryka Przewodów Energetycznych S.A., Przewody ACSS, 2. INNOTECH, materiały informacyjne, Nowa generacja wysokotemperaturowych niskozwisowych przewodów HTLS, _Mamala_A_Materialy_informacyjne.pdf 3. Knych T.: Badania nad przewodami i osprzętem do wysokotemperaturowych linii napowietrznych. Urządzenia Dla Energetyki 8/2009, s Knych T. i inni: Nowa generacja nisko stratnych napowietrznych przewodów elektroenergetycznych. XX Konferencja Szkoleniowo Techniczna KABEL Małyszko O., Szkolny S., Zeńczak M.: Zastosowanie przewodów wysokotemperaturowych przy podłączaniu farm wiatrowych. Wiadomości Elektrotechniczne 4/ NPA Skawina, Katalog przewodów, 7. Rychlicki S.: Analiza konkurencyjności gazu względem innych paliw i nośników energii, Energia XXII Ciepło, Elektroenergetyka, Gaz, Rzeczpospolita nr 86 (5556) 11 kwietnia Sokolik W., Jakubczak P.: Poprawa efektywności przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej za pomocą niskostratnych przewodów o małych zwisach typu ACCC/TW. Wiadomości Elektrotechniczne 6/ Szkutnik J., Baum K.: Techniczno-ekonomiczne aspekty rekonstrukcji sieci w oparciu o przewody wysokotemperaturowe. Przegląd Elektrotechniczny 10/2011, s Uliasz P.: Dobór materiału i opracowanie konstrukcji wysokotemperaturowych przewodów elektroenergetycznych ze stopów A1Zr. Praca doktorska, AGH, Kraków Zircon Poland Sp. z o.o.: Przewody o małych zwisach. Materiały informacyjne, Warszawa 2010,