PROBLEM DUśYCH AWARII SYSTEMU ELEKTROENERGETYCZNEGO

Transkrypt

1 PROBLEM DUśYCH AWARII SYSTEMU ELEKTROENERGETYCZNEGO Autorzy: Prof. Gerhard Bartodziej, dr inŝ. Michał Tomaszewski - Instytut Elektrowni i Systemów Pomiarowych, Politechnika Opolska ( Nowa Energia nr 6/2008) Zwykle stany awaryjne systemu elektroenergetycznego powstają przy wyłączeniu z ruchu co najmniej dwóch elementów systemu. Zakładamy, Ŝe w sieciach przesyłowych i w sieciach dystrybucyjnych występują celowe redundancje (rezerwowanie elementów). Wyłączenie jednego elementu (planowane) nie moŝe w dobrze zaprojektowanej sieci WN i Sn powodować długotrwałej przerwy w zasilaniu odbiorców. Prawdopodobieństwo jednoczesnego wystąpienia kilku zwykłych awarii w róŝnych sieciach na tym samym obszarze, w tym samym miejscu, jest pomijalnie małe. A zatem zwykle awarie powodują ograniczone i przewidywalne skutki. Usuwanie skutków zwykłych awarii, zmniejszenie prawdopodobieństwa ich wystąpienia, stanowi istotę kaŝdego systemu eksploatacji i jest częścią zwykłego zarządzania. Zjawiska atmosferyczne a awarie systemu elektroenergetycznego KaŜdy system elektroenergetyczny zawiera zbiór linii napowietrznych z natury rzeczy wraŝliwych na oddziaływanie zjawisk atmosferycznych. Zmiany dynamiki zjawisk atmosferycznych rejestrowane równieŝ na obszarze Polski zwiększają zagroŝenie linii napowietrznych, głównie poprzez zwiększenie obciąŝeń mechanicznych przewodów i izolatorów, osprzętu i konstrukcji wsporczych, a w konsekwencji równieŝ zwisów przewodów. Zjawiska atmosferyczne przewidywalne, występujące dość często, są przyjmowane przez ludzi jako zdarzenia zwykłe. MoŜna załoŝyć, Ŝe są to zdarzenia o częstości rocznej występowania większej od 0,1 (powtarzające się przeciętnie w przedziałach czasu co 10 lat). Takie zdarzenia występują kilkakrotnie w okresie przeciętnego Ŝycia człowieka. Nikt nie kwestionuje faktu występowania szybkich zmian klimatu w ostatnich dziesięcioleciach. Skutki bezpośrednie w postaci przyrostu średnich i maksymalnych wartości temperatur są obserwowane w skali globalnej. Obszerne informacje zawiera IV raport IPCC [Ipc07]. Skutki pośrednie ocieplenia obserwowane w skali globalnej obserwuje się w zmianach dynamiki procesów termodynamicznych zachodzących w atmosferze: następuje lokalny wzrost intensywności opadów; wzrasta ryzyko powodzi, wydłuŝają się okresy suszy, co powoduje wzrost deficytu wody dla potrzeb ludzi i środowiska, 1

2 wzrastają ekstremalne prędkości wiatrów; huragany i trąby powietrzne pojawiają się w regionach, w których dotąd nie występowały, wzrastają maksymalne temperatury w okresie lata, wzrasta prawdopodobieństwo występowania opadów mokrego śniegu, marznącego deszczu i szadzi. Zjawiska atmosferyczne mogą być opisywane za pomocą statystyki matematycznej i podlegają regułom tej statystyki. Zmienność tych zjawisk moŝe być opisywana za pomocą rozkładu gęstości wystąpienia określonej wartości opisującej zjawisko np. prędkości wiatru, ilości opadów odniesionych do czasu i powierzchni. Potocznie mówi się o zdarzeniach ekstremalnych: zdarzeniach stuletnich występujących przeciętnie raz na 100 lat (gęstość prawdopodobieństwa odniesiona do 1 roku wynosi 0,01), zdarzeniach dziesięcioletnich (o gęstości 0,1), zdarzeniach nigdy dotąd (zwykle od kilkuset lat) nienotowanych w danym miejscu (gęstość mniejsza od 0,01). Rys. 1. Zmiany rozkładu gęstości prawdopodobieństwa temperatur Na Rys. 1 przedstawiono rozkład gęstości prawdopodobieństwa wystąpienia temperatur w skali roku. Zmiana wartości średniej temperatury o T powoduje znaczne zwiększenie prawdopodobieństwa wystąpienia temperatur ekstremalnych. Wartości temperatur osiąganych w lecie notowanych dotychczas jako stuletnie, mogą powtarzać się znacznie częściej np. w skali dziesięciolecia. W określonym miejscu występują nowe wyŝsze wartości ekstremalnych temperatur. Poprzez powiązanie wszystkich procesów termodynamicznych zachodzących w atmosferze z temperaturą powietrza i powierzchni ziemi, moŝna oczekiwać podobnej zmiany rozkładów prawdopodobieństwa występowania prędkości wiatru (Rys. 2). 2

3 2. Zmiany rozkładu gęstości prawdopodobieństwa prędkości wiatru Rys. Odnosząc wpływ przyrostu temperatury T do zmiany rozkładu prawdopodobieństwa prędkości wiatru, moŝemy oczekiwać: wzrostu wartości ekstremalnych prędkości występujących np. raz na 100 lat (gęstości prawdopodobieństwa 0,01 na rok), wzrostu częstości występowania określonych ekstremalnych prędkości (np. wiatr o prędkości stuletniej moŝe pojawić się w odstępach dziesięcioletnich). Obserwuje się zatem zwiększenie częstości występowania huraganów, intensywnych opadów powodujących powodzie, a takŝe wydłuŝenie okresów ekstremalnej suszy, klasyfikowanych jako katastrofy. Skutki ekonomiczne wynikające ze zwiększonej częstości i natęŝenia tych zjawisk osiągają w skali globalnej wartość rzędu setek miliardów dolarów. Problem duŝych awarii systemu elektroenergetycznego Przyrost wartości temperatur powietrza, a szczególnie zmiany maksymalnych temperatur, znacznie większe od przyrostu temperatur średnich, mają istotne znacznie dla elektroenergetyki: w okresie letnich upałów moŝe znacznie wzrosnąć obciąŝenie systemu elektroenergetycznego wskutek masowego uŝywania róŝnego rodzaju urządzeń wentylacyjnych, chłodniczych i klimatyzacyjnych, wzrost temperatur otoczenia obniŝa obciąŝalność prądową linii napowietrznych, wystąpienie silnych wiatrów o charakterze huraganów lub trąb powietrznych zagraŝa przede wszystkim elektroenergetycznym liniom napowietrznym, podwyŝszenie średnich temperatur powietrza powoduje, Ŝe w okresie od jesieni do wiosny występują wielokrotnie zmiany temperatur w przedziale obejmującym 0 C. Towarzyszy 3

4 temu zwiększenie częstości występowania opadów mokrego śniegu, szadzi lub marznącego deszczu. Oddziaływanie tych zjawiska na linie napowietrzne moŝe prowadzić do nagłego występowania duŝych awarii np.: o uszkodzenia kilku-kilkunastu przęseł w liniach 110 kv, o zniszczenie kilkuset przęseł w sieciach SN, o pozbawienie zasilania kilkuset stacji SN/nn, o zniszczenie sieci nn na znacznym obszarze, Na Rys. 3 przedstawiono próbę porównania zwykłej awarii z ekstremalnymi awariami pochodzenia atmosferycznego. Polityka przeciwdziałania skutkom awarii systemu elektroenergetycznego winna określać zdarzenia uznawane za niedopuszczalne powodujące stan kryzysu których naleŝy unikać nawet za wysoką cenę [BaT08a, BaT08b]. NaleŜą do nich: a) rozpad systemu elektroenergetycznego wskutek utraty stabilności statycznej lub dynamicznej z róŝnych powodów. Odbudowa funkcjonowania systemu moŝe wymagać okresu czasu kilkunastu lub więcej godzin, nawet wtedy gdy nie zachodzi potrzeba odbudowy zniszczonych elementów, b) pozbawienie zasilania w energię znacznego obszaru lub ograniczanie zasilania wskutek długotrwałej awarii duŝego źródła, c) pozbawienie zasilania w energię elektryczną duŝych aglomeracji na okres czasu liczony w dziesiątkach godzin, wskutek zniszczenia sieci na znacznym obszarze. Zdarzenia typu a) i b) są dobrze poznane. MoŜna je symulować, przewidywać skutki i sposoby działania. W przypadku tych awarii zniszczenia dotyczą określonych, zwykle pojedynczych elementów. Sposób usuwania skutków jest znany i moŝe być opisany w scenariuszach postępowania. W ostatnich kilkunastu latach nabierają wagi zdarzenia typu c) wywołane ekstremalnymi zjawiskami atmosferycznymi: silnymi wiatrami na znacznym obszarze (HIW) lub występującymi lokalnie (tornada LHIW), występowanie szadzi, marznącego deszczu lub zjawiska osadzania śniegu na przewodach linii napowietrznych. Charakterystyczne duŝe awarie typu c) to: awaria systemu przesyłowego w Kanadzie w spółce Ontario-Hydro (1999 r.) wskutek oblodzenia, awaria systemu EdF w 1999 r. wskutek działania wiatru, awaria sieci RWE w 2005 r. w rejonie Münster wskutek współdziałania wiatru i osadzonego mokrego śniegu, 4

5 awaria polskiego systemu w rejonie Szczecina w 2008 r. Rys. 3. Porównanie zwykłych awarii i duŝych awarii wywołanych zjawiskami atmosferycznymi 5

6 Zasięg skutków Instytucje stałe i doraźne Rys. 4. Ilustracja zasięgu zniszczeń i awarii wywołanych oddziaływaniem ekstremalnych zjawisk atmosferycznych na sieci elektroenergetyczne Zdarzenia w rejonie Szczecina w dniach 7/8 kwietnia 2008 r., o charakterze blackoutu [BaT08c], były podobne do awarii sieci RWE w 2005 roku. Działanie mechaniczne śniegu osadzonego na przewodach i konstrukcjach, a takŝe w otoczeniu linii, zwłaszcza 110 kv i SN były przyczyną znacznych zniszczeń sieci rozdzielczych i długotrwałego braku zasilania w energię elektryczną wielu tysięcy osób. Osadzanie mokrego śniegu na przewodach, a takŝe oddziaływanie wiatru o charakterze huraganu, tornada moŝe powodować obciąŝenia mechaniczne przekraczające wytrzymałość mechaniczną nawet nowych, dobrze zaprojektowanych linii. ZróŜnicowanie współczynników bezpieczeństwa dla wytrzymałości mechanicznej linii 400 kv, 110 kv, Sn i nn sprawia, Ŝe zasięg zniszczeń spowodowanych na określonym obszarze przez wystąpienie ekstremalnego obciąŝenia pochodzenia atmosferycznego jest zróŝnicowany, najmniejszy dla napięcia 400 kv, największy w sieciach nn (Rys. 4). Jednoczesne uszkodzenie setek elementów sprawia, Ŝe czas do przywrócenia zasilania (stan N-2) osiąga wartości do 5 dni, nawet u dobrze zorganizowanych i wyposaŝonych operatorów. Taka przerwa w zasilaniu powoduje skutki społeczne (stan kryzysu) i wymaga uruchomienia systemu zarządzania kryzysowego. 6

7 W opracowaniach CIGRE [Cig08] zajmujących się problemami występującymi wskutek ekstremalnych obciąŝeń linii napowietrznych, przyjęto określenie takich zdarzeń jako Big Storm Events (BSE Wielkie Burze ), jeśli ich przyczyną są zjawiska atmosferyczne. Nie podejmujemy dyskusji, czy znacznie zwiększone prawdopodobieństwo występowania ekstremalnych zjawisk atmosferycznych, stwierdzane takŝe w Polsce, jest wynikiem procesu globalnego ocieplania spowodowanego przez człowieka, czy teŝ wynika z naturalnych fluktuacji klimatu w skali wieków. Przyjmujemy jako fakt, Ŝe operatorzy sieci przesyłowych i dystrybucyjnych są równieŝ w Polsce zagroŝeni: występowaniem silnych wiatrów o charakterze tornada, powodujących strefę zniszczeń, szerokości setek metrów o znacznej długości (kilkunastu- kilkudziesięciu km). Takie zdarzenia występują corocznie latem, ostatnio w sierpniu 2008 w województwach: opolskim, śląskim i łódzkim i innych, występowaniem opadów mokrego śniegu, marznącego deszczu, moŝliwym na przełomie zimy wiosny oraz jesieni i zimy powodujących zniszczenie w sieciach o znacznym zasięgu. Zdarzenia typu Wielka Burza wywołują reakcję opinii publicznej, mediów, a w konsekwencji równieŝ administracji i sił politycznych. Powstają pytania co robić, aby uniknąć lub zredukować skutki takich zdarzeń przede wszystkim dla odbiorców, a takŝe operatorów sieci przesyłowych i dystrybucyjnych. Działania przy duŝych awariach KaŜdy operator sieci definiuje zbiór stanów awaryjnych, które są nieuniknione i wynikają z procesów starzeniowych, wpływu zjawisk atmosferycznych często występujących, błędów ludzi i innych przyczyn losowych. Takie awarie są przedmiotem działań słuŝb eksploatacyjnych, które zajmują się: usuwaniem skutków (odbudowa), zmianami rozwiązań technicznych i organizacyjnych (np. sposobu obsługi), działaniami prewencyjnymi zmniejszającymi prawdopodobieństwo wystąpienia awarii lub/i zakres skutków awarii. Zbiór zwykłych awarii powoduje straty w postaci niedostarczonej energii i kosztów usuwania ich skutków. Występowanie takich awarii i ich skutków ekonomicznych ujmowane jest w statystykach i podlega przewidywaniu według reguł rachunku prawdopodobieństwa. Działania prewencyjne odniesione do zwykłych awarii, winny podlegać ocenie ekonomicznej. Prewencja winna kosztować mniej niŝ koszt szkód unikniętych wskutek działań prewencyjnych. To wymaganie z pozoru proste moŝe być realizowane tylko w oparciu o dobre bazy danych i analizy przeprowadzane dla dłuŝszych okresów czasu. 7

8 Rys. 5 przedstawia schemat działań w przypadku zwykłej awarii (uszkodzenie jednego lub kilku elementów) pozbawiającej zasilanie znacznej liczby ludności na krótki okres oraz działań koniecznych dla opanowania skutków duŝej awarii. Zasięg uszkodzeń, zakres prac jakie naleŝy wykonać dla przywrócenia zasilania po rozległej awarii znacznie przekraczają zdolności słuŝb eksploatacyjnych kaŝdego operatora. Operatorzy sieci elektroenergetycznych mogą podejmować działania bezpośrednie dla ograniczania czasu trwania przerwy w dopływie energii i zmniejszania obszaru pozbawionego zasilania. Skutki społeczne braku zasilania w okresach dłuŝszych od 1 doby wymagają podjęcia działań administracyjnych w zakresie zarządzania kryzysowego. Rys. 5. Główne działania przy zwykłych i duŝych awariach w systemie elektroenergetycznym Z doświadczeń zachodnich operatorów wynika celowość powołania dobrze zorganizowanych i odpowiednio wyposaŝonych struktur dla szybkiego opanowania duŝych awarii: sztabu kryzysowego w przedsiębiorstwie, operacyjnego zespołu odbudowy (OZO) złoŝonego z pracowników operatora i pracowników przedsiębiorstw współpracujących z operatorem, magazynów sprzętu i części niezbędnych dla opanowania duŝych awarii. Szczególne znaczenie przypisuje się posiadaniu przeróŝnych, nadających się do szybkiego montaŝu odcinków linii napowietrznych, które mogą zastąpić uszkodzone przęsła. Długość linii i ich wykonanie są zróŝnicowane w zaleŝności od poziomu napięcia. Przy kaŝdej duŝej awarii waŝne jest moŝliwe dokładne zidentyfikowanie i opisanie stanu sieci oraz podejmowanych działań. Operatorzy francuskich sieci elektroenergetycznych np. RTE ściśle współpracują ze słuŝbami meteorologicznymi, które są zobowiązane do ostrzeŝenia operatora o moŝliwości wystąpienia zagroŝenia dla sieci przesyłowych [Rte04]. UmoŜliwia to skrócenie czasu dla zorganizowania działań na rzecz: 8

9 kompensowanie skutków poprzez działanie dyspozytorów, napraw zniszczonych elementów, budowy linii awaryjnych (obejść), uruchomienie lokalnych awaryjnych źródeł energii, zapewnienie bezpieczeństwa publicznego. W zakresie identyfikacji zakresu uszkodzeń i ich przyczyn istotne jest: pilne zebranie informacji z najbliŝszych stacji meteo o parametrach otoczenia (prędkość wiatru, natęŝenie opadów, przebiegi temperatury, itp.), wykonanie zdjęć uszkodzonych elementów, przęseł linii, dla określenia odległości przewodów od powierzchni terenów. Celowe byłoby umieszczenie na zdjęciach łaty geodezyjnej, aby moŝliwe było skalowanie zdjęcia, w przypadku oblodzenia przewodów konieczne jest pobranie próbek (zdjęcie lodu) z odcinka przewodu (1m) i dokonanie pomiaru masy (zwaŝenie), wykonanie pomiaru grubości pokrywy śnieŝnej, zebranie śniegu z określonej powierzchni np. 1 m 2 i określenie jego masy. Od momentu ogłoszenia stanu alarmu konieczne jest rejestrowanie wszelkiej komunikacji dotyczącej zdarzenia zarówno w obrębie struktur operatora, jak i równieŝ z instytucjami zewnętrznymi. PowyŜsze działania umoŝliwią rzetelny opis przyczyn i przebiegu zdarzeń oraz wyznaczenie parametrów zjawisk atmosferycznych (bardzo waŝne dla ewentualnego korygowania mapy obciąŝeń i załoŝeń do projektowania linii). Podsumowanie A. W aspekcie ekstremalnych oddziaływań atmosferycznych na linie przesyłowe naleŝy zwrócić szczególną uwagę na zagroŝenia bezpieczeństwa publicznego powodowane poprzez: brak zasilania infrastruktury publicznej waŝnej dla bezpieczeństwa publicznego, w szczególności: o sieci teleinformatycznych, o instytucji zajmujących się ochroną zdrowia i mienia (słuŝby medyczne, policja, straŝ poŝarna, itp.), bezpośrednie zagroŝenie osób w przypadku: o zniszczenia izolatora i oddzielenia przewodu, o zwiększenie zwisu przewodu pod ekstremalnym obciąŝeniem od oblodzenia, o zerwanie przewodu wskutek procesów skręcania materiału pod wpływem drgań, lub zerwania złącza przewodów, wskutek procesów starzeniowych róŝnego rodzaju. B. Plan działań operatora winien uwzględniać: rezerwowanie źródeł zasilania dla określonych obiektów, w ramach umowy, budowę prowizorycznych linii zasilających (na wszystkich poziomach napięć), w przypadku awarii typu BSE, 9

10 szczególną troskę o przyszłe linie przebiegające nad miejscami publicznymi, w których moŝe przebywać zbiór osób (rozwiązania techniczne, system inspekcji i diagnostyki, obsługa prewencyjna), organizację systemu powiadamiania władz publicznych o zagroŝeniu ze strony linii elektroenergetycznych, wyznaczenie personelu odpowiedzialnego za zapewnienie bezpieczeństwa publicznego w przypadku awarii i współpracę z instytucjami i słuŝbami publicznymi. C. Konieczne jest powołanie odpowiednich, dobrze zorganizowanych i wyposaŝonych struktur przygotowanych do działania dla szybkiego opanowania duŝych awarii. W obrębie tych struktur winna znajdować się grupa (brygada) zajmująca się bezzwłocznie działaniami koniecznymi dla zmniejszenia zagroŝenia bezpieczeństwa publicznego. D. Operatorzy sieci przesyłowych i dystrybucyjnych, w przypadku duŝych awarii typu BSE, nie mogą zapewnić ciągłości zasilania na poziomie lokalnym (gminy, miasta). Bezpieczeństwo energetyczne mogą zapewnić lokalne, rozproszone źródła energii, współpracujące ze źródłami zapasowymi (agregaty prądotwórcze) oraz oddzielną siecią awaryjną. Literatura [BaT08a] Bartodziej G., Tomaszewski M., Polityka energetyczna i bezpieczeństwo energetyczne, Wydawnictwo Federacji Stowarzyszeń Naukowo-Technicznych Energetyka i Środowisko, Warszawa, [BaT08b] Bartodziej G., Tomaszewski M., Dangers to domestic power system safety, XI Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna Forum Energetyków GRE 2008, Zeszyty Naukowe Politechniki Opolskiej, seria Elektryka z. 60, Nr kol. 323/2008. [BaT08c] Bartodziej G., Tomaszewski M., 2008, Blackout w rejonie Szczecina. Uwagi i wnioski, Energetyka nr 10/2008. [Cig08] CIGRE TB No 344 WG B2.06, Big Storm Events What we have learned, [Ipc07] Intergovernmental Panel on Climate Change, 2007, Fourth Assessment Report Climate Change 2007: Synthesis Report. [Rte04] Réseau de Transport d'electricité, 2004, Mémento de la sûreté du système électrique, ParyŜ. 10