Nie tylko linie. Wpływ nowych technologii na SAIDI i SAIFI

Transkrypt

1 Nie tylko linie. Wpływ nowych technologii na SAIDI i SAIFI Autor: Andrzej Grzybowski - Instytut Elektroenergetyki Politechniki Poznańskiej ("Energia Elektryczna" - marzec 2015) W bieżącym wydaniu Energii Elektrycznej" przedstawiamy Czytelnikom drugą część artykułu dr. inż. Andrzeja Grzybowskiego z Instytutu Elektroenergetyki Politechniki Poznańskiej o wpływie nowych technologii na ciągłość zasilania w sieciach dystrybucyjnych. Pierwsza część, którą opublikowaliśmy w numerze lutowym EE" dotyczyła linii napowietrznych izolowanych. Ponad 20 lat doświadczeń z budowy i eksploatacji linii napowietrznych z przewodami izolowanymi pozwala ocenić przyjęte rozwiązania i wskazać ich słabe punkty, które mogą mieć wpływ na awaryjność tych linii. Doświadczenia te można nawet poszerzyć o wyniki ekspertyz [17], których przedmiotem byty napowietrzne linie nn z przewodami izolowanymi wybudowane w Wielkopolsce i na Mazowszu w latach 1976 i Analizy jednoznacznie oceniają pozytywnie fakt zastosowania w liniach nn przewodów izolowanych w formie wiązki cztero-przewodowej samonośnej. Początkowe awarie wywołane były głównie błędami przy montażu zacisków przebijających izolację [15,18]. Najlepszym dowodem na fakt ich przydatności w warunkach krajowych są prototypowe linie nn pracujące od 40 lat, które mimo rozrastających się drzew nie zostały uszkodzone, a badania termowizyjne wykazały tylko jeden przypadek zacisku przebijającego izolację o podwyższonej temperaturze. Nieco mniej obiecujące były początkowo doświadczenia z eksploatacji linii SN z przewodami wg normy SEP [15], nazywanymi niepełnoizolowanymi" (PAS). Przewody te, zwane teraz - zgodnie z definicją zawartą w normie [3] - przewodami w osłonie", były wyposażone w jednowarstwową izolację z polietylenu. Dostępne dane dotyczące przyczyn awarii takich linii w Polsce oceniają, że pewna liczba awarii spowodowana była wrastaniem drzew w linie i degradacją izolacji przewodu na skutek wyładowań ślizgowych i pełznych [19]. W konsekwencji zapłonu łuku, który na przewodzie w osłonie nie ma możliwości przemieszczania się, zwykle prowadził do upalenia i zerwania przewodu. Zjawiska degradacji izolacji i upalenia przewodów zaobserwowano nie tylko w Polsce. CENELEC opracował więc nową normę dotyczącą wymagań i badań przewodów w osłonie i osprzętu do budowy linii z użyciem tych przewodów: PN-EN :2007(U) [20]. Obecnie przewody produkowane zgodnie z tą normą są wyposażone w izolację trójwarstwową, na którą - oprócz izolacji podstawowej - składa się wzdłużna bariera przeciwwilgociowa, ekran pół-przewodzący oraz zewnętrzna warstwa izolacji uodporniona na promieniowanie UV Analiza pracy linii z takimi przewodami wykazała wyraźnie obniżenie wskaźników SAIDI i SAIFI [28]. Innym problemem, który sygnalizowano kilkakrotne, były przypadki zerwania przewodów, nawet w nowych liniach, powstałe w wyniku drgań eolskich przewodów. Skutkiem tych drgań jest zmęczenie materiałowe żyły przewodu i w konsekwencji jego zerwanie, zwykle w

2 miejscu mocowania przewodu do izolatora lub uchwytu [21]. W raporcie CIGRE [22] przedstawiono warunki, w jakich można się spodziewać wystąpienia drgań eolskich i określić zakres naprężeń podstawowych oraz rozpiętości przęseł linii, przy których zalecane jest stosowanie tłumików drgań dla przewodów z izolacją jednowarstwową. Przewody z izolacją wielowarstwową wykazują się większą odpornością na drgania eolskie w porównaniu z przewodem z izolacją jednowarstwową. Trzy jednofazowe kable SN oplecione wokół stalowej linki nośnej noszą, zgodnie z normą [3], nazwę zespół przewodów izolowanych" (SAXKA). To, najdroższe inwestycyjnie rozwiązanie znajduje zastosowanie w Polsce tylko w nielicznych przypadkach, gdy brak możliwości wprowadzenia innych metod technicznych, np. na terenach leśnych, gdzie praktycznie nie wolno dokonać żadnej wycinki, a linie na słupach drewnianych można prowadzić istniejącymi duktami leśnymi. Dodatkową zaletą takiej linii, jaką często zaobserwowano, jest fakt, że wywracające się na nią drzewo opiera się o stalowy przewód nośny, nie niszcząc przewodów fazowych. Często uwarunkowania terenowe lub formalnoprawne powodują, że jedynym możliwym rozwiązaniem technicznym jest zastąpienie istniejącej linii niskiego napięcia linią średniego napięcia z przewodami izolowanymi. Takie rozwiązanie umożliwiają kable uniwersalne EXCEL i AXCES, zastosowane w Skandynawii po raz pierwszy w 1994 r. W Polsce pierwszą linię wybudowano w 2001 r. Są to kable trójfazowe, o stosunkowo małym przekroju żył roboczych, ze wspólną żyłą powrotną i powłoką zewnętrzną. Naciąg linii realizowany jest na słupach mocnych poprzez specjalną spiralę założoną na powłoce kabla i przymocowaną do konstrukcji wsporczej. Siły osiowe naciągu są przenoszone ze spirali odciągowych na żyły robocze poprzez powłokę zewnętrzną kabla, żyłę powrotną i izolację z ekranami. Opisane warstwy kabla nie mogą się przesuwać względem siebie. Najbardziej narażony na ścieranie jest ekran półprzewodzący na izolacji, na który jest nałożona żyła powrotna [23]. Ze względu na swoją budowę montaż kabla uniwersalnego w linii napowietrznej musi być przeprowadzony ściśle z zaleceniami producenta. Każde odstępstwo może bowiem spowodować uszkodzenie warstwy ekranującej i przebicie izolacji głównej, gdyż kabel uniwersalny nie jest w pełni symetryczny (obrys przekroju to trójkąt z zaokrąglonymi kątami). Nie istnieje więc praktycznie możliwość równomiernego rozłożenia sił docisku uchwytów oplotowych na konstrukcję kabla. Siła ta jest skupiona na wierzchołkach trójkątnego obrysu przekroju kabla [24]. Linie napowietrzne SN z przewodami izolowanymi wymagają ochrony przed skutkami bezpośrednich i bliskich wyładowań atmosferycznych, która może być zrealizowana przy pomocy układów łukochronnych, organiczników przepięć lub iskiemików. Praktyka i wnioski wypływające z awarii, które wystąpiły w liniach SN z przewodami w osłonie z ochroną w postaci układów łukochronnych (tzw. rożków) wykazały, że przepięcia mogły powodować zniszczenie izolacji, a w konsekwencji upalenie i zerwanie przewodu [25]. W kolejnych latach układy ochrony przeciwłukowej były modyfikowane przez producentów i niektóre z nich spełniają obecnie także rolę iskiernikowej ochrony przeciwprzepięciowej [26]. Wśród problemów ze stosowaniem elementów ochronnych, jako najpoważniejsze można wymienić

3 dwa: zbyt duże przerwy iskiernikowe ustawiane z obawy zwierania przez ptaki, co skutkuje zbyt wysokim poziomem ochrony przeciwprzepięciowej, oraz wszelkiego rodzaju błędy montażowe. Stosowanie układów łukochronnych, nawet uziemionych, skutkuje zbyt dużym poziomem przepięć niebezpiecznym dla izolacji przewodów i trwałości materiału żył roboczych. Obecnie uważa się, że tylko zastosowanie ograniczników przepięć powoduje obniżenie amplitudy fali przepięciowej do poziomu zdecydowanie niższego, dzięki odpowiednio dobranym charakterystykom. Spółki dystrybucyjne, dążąc do zmniejszania wartości wskaźników ciągłości zasilania, wprowadzają do eksploatacji coraz więcej łączników zdalnie sterowanych, pozwalających m.in. na szybką lokalizację punktów zwarcia w sieci SN. Coraz szerzej, w miejsce sterowanych radiowo odłączników i rozłączników, wprowadzane są wyłączniki napowietrzne, zwane reklozerami". Na polskim rynku dostępne są aparaty różnych producentów zagranicznych. Od niedawna oferowane są także rozwiązania rodzime. Wyłączniki takie, instalowane w sieci SN, są wykorzystywane do dokonywania przy ich pomocy próbnych załączeń kolejnych odcinków linii, która w wyniku zwarcia, poprzez automatykę zainstalowaną w GPZ-cie, została wyłączona. Prowadzi to do wielokrotnego załączania linii na parametry zwarciowe. Zainstalowane łączniki sterowane radiowo pozwalają na bardzo szybką diagnozę i wyłączenie uszkodzonego odcinka linii. Następuje szybkie przywrócenie zasilania odbiorcom przyłączonym do pozostałych, nieuszkodzonych odcinków linii. Wskaźniki ciągłości zasilania będą lepsze niż w sieci, gdzie takich aparatów nie ma. Jeśli opisane czynności dyspozytorskie będą dokonywane w nowej linii napowietrznej w dobrym stanie technicznym, to takie działanie nie powinno mieć negatywnego wpływu na elementy linii. Zupełnie inaczej będzie to wyglądało, gdy w sieci dystrybucyjnej, oprócz starszych linii napowietrznych, będą odcinki linii kablowych. Wielokrotne załączanie linii na zwarcie, w krótkich odstępach czasowych, może spowodować degradację izolacji kabli, ponieważ kabel jest dobierany na zwarcie jednokrotne. Wielokrotny przepływ prądu zwarciowego będzie skutkować przekroczeniem dopuszczalnej krótkotrwałej temperatury, która gwarantuje poprawną eksploatację kabla ze względu na oczekiwany czas życia kabla [27]. Podstawowym zadaniem jest więc wybór optymalnych środków zaradczych pozwalających na ograniczenie czasu przerw nieplanowanych i planowanych w zasilaniu odbiorców wraz z oceną ich wpływu na wskaźniki SAIDI i SAIFI [1]. W ocenie należy brać pod uwagę przewidywany poziom nakładów inwestycyjnych służących do poprawy sytuacji w konkretnej sieci dystrybucyjnej. Przedstawione w artykule fakty mówią ogólnie o nienajlepszej kondycji polskiej sieci elektroenergetycznej. Przygotowanie planu działania dla ograniczenia wartości wskaźników nieciągłości zasilania musi być poprzedzone analizą stanu sieci i zakłóceń, których można się w niej spodziewać. Przeprowadzone liczne analizy i ekspertyzy przebiegu oraz skutków kolejnych awarii, które wystąpiły w ostatnich latach w Polsce wykazały, że nie zawinił tu czynnik ludzki. Główną przyczyną wszystkich awarii były ekstremalne warunki atmosferyczne. Potwierdzili to jednoznacznie liczni, niezależni eksperci. Ograniczenia skutków awarii linii napowietrznych w takich warunkach można jedynie dokonać poprzez właściwy wybór konstrukcji wsporczych,

4 osprzętu i przewodów do budowy lub modernizacji linii napowietrznych. Pomóc w tym może, będący na etapie tłumaczenia na język angielski, projekt zbioru krajowych warunków normatywnych NNA do normy [3], który m.in. znacznie podnosi wartości oddziaływań na linie oraz zawiera propozycję poszerzenia stref o podwyższonych obciążeniach oblodzeniem. Innym problemem, który jest sygnalizowany przy okazji dyskusji nad końcowymi zapisami NNA, są linie przebiegające przez lasy lub w pobliżu drzew, które przewracając się powodują zerwania przewodów i zniszczenia konstrukcji wsporczych. Norma europejska PN EN [3] dopuszcza (choć nie wymaga) taki zakres wyrębu drzew, aby nawet w przypadku ich przewrócenia nie opadały na przewody. Rzecz jasna, przyjęcie takiego rozwiązania w NNA wiązałoby się ze znacznym wzrostem kosztów i protestami ekologów, ale w znaczący sposób doprowadziłoby do poprawy bezpieczeństwa zasilania odbiorców i obniżenia wartości wskaźników. Poważna dyskusja mogłaby zaowocować zmianami legislacyjnymi na styku energetyki i właścicieli gruntów, przez które przebiegają linie napowietrzne. Piszę to jednak bez większego przekonania, gdyż obserwując ciągnącą się przez 5 lat dyskusję nad projektem ustawy o OZE i następnie ekspresowe uchwalenie jej przez Sejm nocą 16 stycznia 2015 oraz prace nad innymi ustawami okołoenergetycznymi", np. ustawami korytarzową i krajobrazową, odnosi się wrażenie, że prowadzącym prace legislacyjne wcale nie zależy na ich uchwaleniu. Końcowy wniosek jest ten, że należy się zgodzić z tym, iż rozwiązaniem radykalnie polepszającym wskaźniki ciągłości zasilania byłoby odejście od linii napowietrznych i zastąpienie ich liniami kablowymi oraz wprowadzenie we wszystkich wymagających tego punktach sieci łączników zdalnie sterowanych. To jednak, ze względu na koszty i problemy lokalizacyjne linii w terenie, nie nastąpi w dającej się przewidzieć przyszłości, stąd apel, aby wprowadzając najnowsze technologie do budowy nowych, a zwłaszcza modernizacji starszych linii napowietrznych pamiętać o ogólnym stanie technicznym sieci dystrybucyjnej lub modernizowanego fragmentu. Proponowane często najnowsze rozwiązania techniczne, zwłaszcza w obszarze sterowania i nadzoru, mogą prowadzić tylko do pozornego polepszenia wskaźników ciągłości zasilania. Najlepszym przykładem może tu być omówiony problem wprowadzenia do sieci łączników sterowanych radiowo, które, zmniejszając czas przerw, w określonych warunkach mogą być przyczyną skrócenia czasu eksploatacji linii kablowych. Literatura 1. Andruszkiewicz J., Wskaźniki ciągłości zasilania z sieci dystrybucyjnych, monitorowanie ich wartości oraz sposoby poprawy, konferencja naukowo-techniczna Współczesna problematyka sieci średnich napięć 2014", Instytut Elektroenergetyki PP i Relpol SA, 1-3 października 2014, Opalenica. 2. Raport Zespołu ds. Zbadania Przyczyn i Skutków Katastrofy Energetycznej, powołanego zarządzeniem Wojewody Zachodniopomorskiego nr 154/2008 z dnia 22 kwietnia 2008, część 1, Szczecin, 30 czerwca 2008.

5 3. PN-EN : Elektroenergetyczne linie napowietrzne prądu przemiennego powyżej 1 kv. Wymagania ogólne - Specyfikacje wspólne. 4. Raport dotyczący bezpieczeństwa sieci przesyłowych energii elektrycznej w Polsce, Biuro Bezpieczeństwa Narodowego, Zespół Doraźny ds. Opracowania Raportu Dotyczącego Bezpieczeństwa Sieci Przesyłowych Energii Elektrycznej, Warszawa, 9 maja Informacja o wynikach kontroli restrukturyzacji energetyki oraz bezpieczeństwa sieci energetycznych, NIK, Departament Gospodarki, Skarbu Państwa i Prywatyzacji, Warszawa, sierpień Jakubas A., Problematyka eksploatacyjna elementów linii niskiego i średniego napięcia w zakresie izolatorów liniowych LR przewodów izolowanych oraz słupów drewnianych, PTPiREE, I Konferencja Naukowo-Techniczna Elektroenergetyczne linie napowietrzne niskiego i średniego napięcia", Kołobrzeg Warunki techniczne, jakim powinny odpowiadać żerdzie drewniane do budowy napowietrznych linii elektroenergetycznych, wyd. PTPiREE, Poznań Szpindler J., Stalowe słupy rurowe SSE dla napowietrznych linii elektroenergetycznych SN, IV Sympozjum Nowoczesne rozwiązania w budownictwie sieciowym" Ostrów Nowicki R., Projektowanie linii napowietrznych średniego napięcia z zastosowaniem słupów rurowych, IV Sympozjum Nowoczesne rozwiązania w budownictwie sieciowym", Ostrów Grzybowski A., Kiwitt W., Andrzejewski D., Badanie wytrzymałości mechanicznej konstrukcji wsporczych, VI Sympozjum Nowoczesne rozwiązania w budownictwie sieciowym", Ostrów Piotrowski K., Zabezpieczenie słupów wirowanych przed uszkodzeniami spowodowanymi wnikaniem wody do wewnątrz poprzez górny otwór - doświadczenia Energa-Operator SA Oddział w Elblągu, PTPiREE IV Konferencja Elektroenergetyczne linie napowietrzne", Wisła Misztal G., Doświadczenia z realizacji linii SN 15 kv Jarocin - Chrzan na słupach rurowych, VI Sympozjum Nowoczesne rozwiązania w budownictwie sieciowym", Ostrów Gacek Z., Pieńkowski A., Rusiński Z., Skomudek W., Elektroenergetyczne linie napowietrzne z przewodami izolowanymi, wyd. PTPiREE, Poznań Koschel K., Grzybowski A., Król W., Nowacki T, Rakowska A., Wytyczne budowy i eksploatacji elektroenergetycznych linii napowietrznych z przewodami izolowanymi o napięciu do 30 kv, wyd. PTPiREE, Poznań, styczeń N SEP - E Elektroenergetyczne linie napowietrzne. Projektowanie i budowa. Linie prądu przemiennego z przewodami pełnoizolwanymi oraz z przewodami niepełnoizlowanymi, COSiW 2003.

6 16. Niewiedział E., Niewiedział R., Potrzeby rozwojowe i modernizacyjne, PTPiREE, Energia Elektryczna" nr 4/ Grzybowski A., Różański L., Stroiński M., Pomiary termograficzne linii izolowanej niskiego napięcia w miejscowości Puszczykowo. Ekspertyza wykonana przez ZDG PP dla Energetyki Poznańskiej RD Września, Poznań, październik Nowak Z., Doświadczenia z eksploatacji linii napowietrznych nn z przewodami izolowanymi i SN w osłonie izolacyjnej w Zakładzie Energetycznym Łódź-Teren SA, PTPiREE III Konferencja Naukowo-Techniczna Elektroenergetyczne linie napowietrzne niskiego i średniego napięcia", Jaworze Górne Ozorowski M., Doświadczenia z eksploatacji linii napowietrznych SN w systemie PAS a wymagania nowej normy PN-EN dla przewodów w osłonie izolacyjnej, PTPiREE IV Konferencja Elektroenergetyczne linie napowietrzne", Wisła PN-EN :2007(u) Przewody elektroenergetyczne w osłonie do linii napowietrznych oraz osprzęt do nich na napięcie znamionowe przemienne wyższe od 1 kv i nie przekraczające 36 kv 21. Ozorowski M., Ochrona przeciwdrganiowa przewodów SN w osłonie izolacyjnej, VI Sympozjum Nowoczesne rozwiązania w budownictwie sieciowym", Ostrów Materiały CIGRE: Safe design tension with respect to aeolian vibrations. Part 1 Single unprotected conductors. Electra 186 October Kwidziński L., Unikalna konstrukcja kabli uniwersalnych Excel i Axces -doświadczenia z montażu i eksploatacji, Sympozjum Nowe rozwiązania dla elektroenergetycznych linii przesyłowo-rozdzielczych i stacji transformatorowych", Stelen, Zielona Góra Paszek G., Napowietrzne przewody izolowane SN - zalety i wady wybranych rozwiązań konstrukcyjnych, II Sympozjum SEP, Elprojekt, Nowoczesne rozwiązania w budownictwie sieciowym", Ostrów Rakowska A.,Torbus M., Grzybowski A., Ochrona przed skutkami przepięć w napowietrznych liniach SN z przewodami pełnoizolwanymi i niepełnoizolwanymi, Sympozjum Nowe rozwiązania dla elektroenergetycznych linii przesyłowo-rozdzielczych i stacji transformatorowych", Stelen, Zielona Góra Osprzęt do linii napowietrznych średniego napięcia z przewodami w osłonie izolacyjnej w systemie PAS, materiały firmy Ensto. 27. Zawodniak J., Konsekwencje lokalizacji miejsca zwarcia za pomocą rozłączników sterowanych drogą radiową, konferencja naukowo-techniczna Współczesna problematyka sieci średnich napięć 2014", Instytut Elektroenergetyki PP i Relpol SA, 1-3 października 2014, Opalenica. 28. Lenieć J., Ile kosztuje minuta niezawodności?, PTPiREE, Energia Elektryczna" nr 12/2014.