Metody i możliwości zwiększenia zdolności przesyłowych

Metody i możliwości zwiększenia zdolności przesyłowych KSE z wykorzystaniem monitoringu linii napowietrznych Dr inż. Edward Siwy Politechnika Śląska Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia 1. Wprowadzenie Obciążalność prądowa danej linii napowietrznej jest to wartość dopuszczalna płynącego prądu w ściśle określonych warunkach atmosferycznych, przy założeniu określonej temperatury granicznej przewodów roboczych. Temperatura ta nie może być długotrwale przekroczona, gdyż prowadzi to do zmniejszenia odległości przewodów roboczych od ziemi i od obiektów krzyżowanych poniżej dopuszczalnych, bezpiecznych wartości. Ze względu na zmienność warunków atmosferycznych obciążalność linii jest więc wielkością dynamiczną i zmienia się w szerokich granicach. W wielu przypadkach największym problemem w polskich sieciach wysokiego i najwyższego napięcia jest niska ze względu na zwisy letnia obciążalność prądowa linii projektowanych dla temperatury przewodów +40 C. Jest to problem specyficzny dla linii 110 400 kv, posiadających przęsła o stosunkowo dużej rozpiętości (z reguły powyżej 200 m), a więc o dużym zwisie przewodów. W liniach tych pojawiają się często wąskie gardła, stwarzające ograniczenia w przesyle mocy. Stosowanie w praktyce dynamicznej obciążalności termicznej linii napowietrznych staje się standardem w świecie, częściowo także w krajowej sieci przesyłowej. Wykorzystuje się przede wszystkim quasi-dynamiczną obciążalność uzależnioną od temperatury otoczenia. Jej wdrożenie nie wymaga praktycznie żadnych nakładów. Temperatura otoczenia jest bowiem wielkością stosunkowo stabilną w czasie i przestrzeni, jest też łatwo prognozowalna i prognozy te są ogólnodostępne. Obciążalność quasidynamiczna została wdrożona przez operatora sieci przesyłowej i przez niektórych operatorów sieci dystrybucyjnych (sieci 110 kv). Niestety, wielu z nich korzysta jeszcze w dalszym ciągu ze statycznej obciążalności sezonowej. Nie pozwala to często na racjonalne wykorzystanie istniejącej infrastruktury sieciowej (w tym m.in. na likwidację pozornych ograniczeń przesyłowych) i rzetelne planowanie modernizacji i rozbudowy sieci. Ma to szczególne znaczenie w kontekście możliwości wyprowadzenia mocy z farm wiatrowych planowanych w systemie. Pełne wykorzystanie zdolności przesyłowych zależnych od wszystkich parametrów pogodowych daje zastosowanie monitoringu linii napowietrznych umożliwiającego określanie dynamicznej obciążalności termicznej linii. 58

2. Metody monitorowania linii napowietrznych W przypadku prowadzenia stałego monitoringu warunków atmosferycznych wzdłuż linii można określać obciążalność dynamiczną na bieżąco, co pozwala na pełne wykorzystanie zdolności przesyłowej monitorowanej linii, przy jednoczesnym wyeliminowaniu niebezpieczeństwa przekroczenia dopuszczalnej temperatury, a więc także dopuszczalnego zwisu przewodu. Stosuje się wiele metod monitoringu. Są one oparte na pomiarach warunków pogodowych panujących na linii, istnieją też metody pomiaru temperatury przewodu lub bezpośrednio naciągu ewentualnie zwisu przewodu. Poniżej przedstawiono ich krótką charakterystykę. Monitoring warunków pogodowych Mierzone są podstawowe czynniki atmosferyczne, tj. temperatura otoczenia, nasłonecznienie, prędkość i kierunek wiatru oraz prąd obciążenia linii. Na podstawie bilansu cieplnego wyliczana jest następnie temperatura przewodu. Wadą tej metody pomiaru jest, że ma ona charakter punktowy. Szczególnie wiatr jest czynnikiem zmiennym w czasie i w przestrzeni. Końcowy zwis przewodu zależy natomiast od przeciętnej temperatury przewodu w całej sekcji odciągowej, której długość osiąga niejednokrotnie kilka kilometrów. Poza tym trudny jest dokładny pomiar parametrów wiatrowych przy jego małej prędkości, a takie warunki są najbardziej interesujące z punktu widzenia dopuszczalnej obciążalności linii. Pomiar temperatury przewodu Temperaturę przewodu mierzy się zwykle za pomocą czujników przypinanych do przewodu lub zdalnie wykorzystując promieniowanie podczerwone. Należy zwrócić uwagę, że nie jest to pomiar dokładny. Temperatura powierzchni przewodu różni się od temperatury rdzenia odpowiedzialnego głównie za zwis przewodu. Również w tym przypadku jest to pomiar punktowy. Inny system pomiaru temperatury bazuje na wykorzystaniu włókien światłowodowych wprowadzanych do środka przewodu. Temperaturę określa się m.in. na podstawie efektu Ramana. Metoda w znacznym stopniu eliminuje wady przedstawionego wyżej pomiaru punktowego. Pomiar naciągu przewodu Naciąg przewodu odzwierciedla jego przeciętną temperaturę. Istnieje też ścisły bezpośredni związek pomiędzy naciągiem a zwisem przewodu. Jest to więc bardzo dobra metoda monitorowania linii. Jest również stosunkowo prosta w zastosowaniu. Czujniki tensometryczne instaluje się pomiędzy konstrukcją wsporczą a izolatorami odciągowymi. Nie mają one bezpośredniej styczności z elementami będącymi pod napięciem. Pomiar zwisu Jest to metoda pozwalająca na bezpośrednią kontrolę odstępów przewodu do ziemi i krzyżowanych obiektów. Nie wymaga więc żadnych przeliczeń i stosowania założeń upraszczających. Wykorzystuje się tutaj radar, metody laserowe i z wykorzystaniem ultradźwięków. W ostatnim czasie stosuje się w tym celu technologię GPS. Pomiar zwisu może być także dokonany na bazie pomiaru kąta nachylenia przewodu w danym punkcie. Na tej podstawie estymuje się aktualne parametry krzywej zwisania przewodu (krzywej katenoidy). W metodach pomiarowych wykorzystuje się także efekt tłumienia sygnałów wysokiej częstotliwości (50-500 khz) transmitowanych przewodami roboczymi. Tłumienie to zależy m.in. od aktualnej średniej wysokości zawieszenia przewodów nad ziemią. Obecnie najbardziej rozpowszechnione są metody z wykorzystaniem stacji pogodowych do pomiaru warunków atmosferycznych oraz metody oparte na pomiarze naciągu przewodów lub bezpośrednim pomiarze temperatury przewodów. W przyszłości możliwy jest również monitoring temperatury przewodów w liniach napowietrznych z wykorzystaniem synchronicznych pomiarów fazorów napięć i prądów na końcach monitorowanej linii. Na ich podstawie można dokładnie wyznaczyć m.in. rezystancję linii, która jest zależna od temperatury przewodów. 3. Doświadczenia z systemów monitoringu wdrożonych w kraju i zagranicą W literaturze przedmiotu opisanych jest wiele ciekawych rozwiązań zastosowanych do monitorowania linii napowietrznych. Aplikacja opisana w pracy przedstawionej na sesji CIGRE [9] wykorzystuje bezpośredni pomiar temperatury za pomocą platynowych czujników zamontowanych na przewodach wybranych linii w północnych Włoszech. Konstrukcja urządzeń pozwala na ich montaż pod napięciem. Testowane były również systemy nr 4 (6) 2010 59

telekomunikacyjne i akwizycji danych. Uzyskane doświadczenia pozwalają na stwierdzenie, że celowe jest rozszerzenie sytemu na inne linie przesyłowe i wykorzystanie go do prowadzenia sieci w systemach dyspozytorskich. Do pomiaru zwisów wykorzystuje się również istniejące systemy akwizycji danych topograficznych. Taki system monitoringu zastosowano na wybranej linii przesyłowej w Brazylii [10]. Wykorzystano system LIDAR pozwalający na gromadzenie danych topograficznych o dużej gęstości i dokładności, który zastosowano do wyznaczania dokładnych profilów linii napowietrznej. W publikacji [11] opisano system monitoringu zastosowany na dwóch liniach 70 kv i 220 kv w Belgii, oparty na pomiarze częstotliwości drgań własnych zależnych od długości przewodu w przęśle, a więc także od zwisu. Na uniwersytecie technicznym w Darmstadt (Niemcy) opracowano technologię wykorzystującą fale akustyczne (czujniki SAW) [12, 13]. Została ona zaimplementowana w szeregu linii napowietrznych w Niemczech i w Szwajcarii. System wykorzystujący tłumienie sygnałów wysokiej częstotliwości (system PLC) zastosowano do monitoringu linii 400 kv w Republice Południowej Afryki do wyprowadzenia mocy z elektrowni atomowej [7]. Na podkreślenie zasługuje fakt, że wykorzystuje się również dane meteorologiczne z istniejących stacji pogodowych, zlokalizowanych w pobliżu linii. Nie wymaga to specjalnych rozwiązań technologicznych i dużych nakładów inwestycyjnych. System taki testowano m.in. dla wybranej linii w sieci E.ON w północnych Niemczech [8]. W całym okresie pomiarowym uzyskano co najmniej 25-procentowy wzrost obciążalności. Linia ta jest silnie obciążona ze względu na generację wiatrową. Uzyskano bardzo dobrą korelację pomiędzy obciążeniem linii a jej aktualną obciążalnością (efekt chłodzenia przewodów przy dużych prędkościach wiatru związanych z wysokim poziomem generacji). Pozytywne wyniki testów skłoniły operatora do rozszerzenia monitoringu na inne linie 110 i 380 kv. Proste stacje pogodowe instalowane pobliżu linii zastosowano również do intensyfikacji wykorzystania zdolności przesyłowych systemu w Nowej Zelandii [14]. W kraju do monitorowania bieżącej obciążalności linii wykorzystano m.in. urządzenia typu CAT-1 pozwalające na rejestrację Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia panujących na linii warunków atmosferycznych (prędkości i kierunku wiatru, temperatury i nasłonecznienia) oraz naciągów przewodów. Nasłonecznienie określa się na podstawie temperatury nasłonecznionego, ale nie obciążonego prądem modelowego odcinka przewodu. Na podstawie naciągu można dokładnie określić rzeczywistą przeciętną temperaturę przewodu w całej sekcji odciągowej. System CAT-1 obejmuje następujące elementy: główna jednostka w obudowie aluminiowej, w której mieści się płyta główna, zasilacz, akumulator i telefon komórkowy lub modem, bateria słoneczna, dwa dynamometry z zaczepami umożliwiającymi ich wpięcie pomiędzy konstrukcję i izolator odciągowy, kable ekranowane, czujnik temperatury otoczenia, czujnik nasłonecznienia (NRS), do mierzenia wpływu promieniowania słonecznego na przewód, czujnik prędkości i kierunku wiatru (anemometr), program do zbierania i zarządzania danymi. Elementy funkcjonalne systemu CAT-1 pokazano na rys. 1, a ich widok po instalacji na konstrukcji wsporczej na rys. 2. Główna jednostka CAT-1 jest zamontowana na konstrukcji słupa mocnego w linii, w miejscu wybranym w terenie. Zawiera elementy do komunikacji i przetwarzania danych. Czujnik nasłonecznienia (NRS), replika przewodu, jest zamontowany na głównej jednostce lub w pobliżu głównej jednostki i ustawiony w tym samym kierunku, co przewód monitorowanego odcinka. Czujnik temperatury otoczenia jest umieszczony za baterią słoneczną. Anemometr jest zainstalowany na zewnętrznej konstrukcji słupa w pobliżu głównej jednostki. Dynamometry są zamontowane pomiędzy łańcuchami izolatorowymi odciągowymi a słupem. Główna jednostka komunikuje się z najbliższą stacją bazową telefonii komórkowej. System telefonii komórkowej przekazuje komunikaty do telefonu komórkowego połączonego z komputerem. Antena telefonii komórkowej jest zamontowana na głównej jednostce. Komunikacja odbywa się przez modem telefonii komórkowej, umieszczony wewnątrz głównej jednostki. Pilotażowy krajowy system monitoringu przedstawiono również w publikacji [15]. 60

Rys. 1. Elementy funkcjonalne systemu CAT-1 Rys. 2 Elementy systemu CAT-1 umieszczone na konstrukcji słupa

Rys. 3. Wpływ wiatru, temperatury otoczenia i nasłonecznienia na obciążalność linii napowietrznej 0,30 0,25 0,20 Częstość 0,15 0,10 0,05 0,00 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 >2,4 Obciążalność względna Rys. 4 Histogram obciążalności sieci w badanym sezonie letnim

Przykładowe wyniki monitorowania warunków atmosferycznych na wybranym obszarze Analizę zdolności przesyłowych sieci napowietrznej na wybranym obszarze przeprowadzono na podstawie wyników pomiarów parametrów pogodowych na trzech masztach pomiarowych usytuowanych w odległości kilkudziesięciu kilometrów. Daje to możliwość oszacowania zdolności przesyłowych lokalnej sieci 110 kv lub wybranych odcinków linii przesyłowych. Przepustowość linii napowietrznych zmienia się w bardzo szerokich granicach w zależności od panujących warunków atmosferycznych. Może być ona nawet kilkukrotnie wyższa od przyjmowanej statycznej (sezonowej) obciążalności. Na rys. 3 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. Obliczenia wykonano na podstawie modelu cieplnego przewodu wg CIGRE przedstawionego m.in. w pracach [1, 2]. Należy zwrócić uwagę, że występują bardzo duże różnice obciążalności dla wiatru wiejącego prostopadle i równolegle do linii. Jak widać (rys. 3), obciążalność linii spada w pewnym momencie nawet do zera. Oznacza to, że wskutek wysokiej temperatury otoczenia i intensywnego promieniowania słonecznego przewód bez obciążenia prądowego osiąga założoną temperaturę graniczną +40ºC. W przypadku analizowanego obszaru dokonano symulacji praktycznych zdolności przesyłowych przy występujących w tym obszarze warunkach atmosferycznych. Uwzględniono przy tym zmierzone prędkości wiatru, panującą w tym czasie temperaturę otoczenia oraz nasłonecznienie. Symulacji dokonano w sezonie letnim w okresie od czerwca do sierpnia, a więc w czasie, kiedy najczęściej ujawniają się ograniczenia w zdolnościach przesyłowych sieci napowietrznych. Dla bezpieczeństwa przy wyznaczaniu obciążalności przyjęto szereg niekorzystnych założeń prędkość wiatru określona na podstawie minimalnej wartości zmierzonej w punktach pomiarowych, kierunek wiatru równoległy do linii, temperatura otoczenia określona na podstawie maksymalnej wartości zmierzonej, nasłonecznienie występujące przy bezchmurnej pogodzie. Rozkład częstości praktycznej obciążalności sieci przedstawiono na rys. 4. Obciążalność została wyrażona w wartościach względnych odniesionych do statycznej obciążalności letniej. Jak pokazują wyniki obliczeń, przy przyjętych założeniach istnieje pewne prawdopodobieństwo, że obciążalność sieci spada poniżej znamionowej obciążalności letniej. Ponieważ w praktyce sytuacje takie występują bardzo rzadko, świadczy to o tym, że przyjęte założenia są bardzo restrykcyjne, a wyznaczana obciążalność sieci jest określana z dużym marginesem bezpieczeństwa. Możliwości wyprowadzenia mocy z elektrowni wiatrowych na badanym obszarze Z punktu widzenia możliwości wyprowadzenia mocy z elektrowni wiatrowych pracujących na danym obszarze najbardziej interesujące są okresy, w których prędkość wiatru (na odpowiedniej wysokości) jest wystarczająca do uruchomienia produkcji w poszczególnych elektrowniach wiatrowych. W tym kontekście dokonano analizy praktycznych możliwości przesyłowych sieci przy podanych wcześniej restrykcyjnych założeniach na tle zdolności produkcyjnych w źródłach wiatrowych. Na rys. 5 zestawiono generację względną (względem mocy znamionowej) elektrowni wiatrowych oraz obciążalność względną sieci obrazując występującą korelację pomiędzy tymi wielkościami. Generalnie należy stwierdzić, że znaczące możliwości produkcyjne stosunkowo rzadko występują w okresie letnim. Przedstawiona na rys. 5 generacja na poziomie co najmniej 30% znamionowych mocy produkcyjnych występowała przez nieco ponad 10% sumarycznego okresu analizy. Jak pokazują wyniki symulacji przy dużych prędkościach wiatru, gdy zdolności produkcyjne osiągają ok. 80% mocy znamionowych praktycznie zawsze (nawet na stosunkowo dużym obszarze) wzrastają także istotnie zdolności przesyłowe sieci. Przy przedstawionych restrykcyjnych założeniach we wszystkich przypadkach uzyskano co najmniej dwukrotny wzrost obciążalności sieci przy produkcji mocy w farmach na poziomie bliskim zdolnościom znamionowym. nr 4 (6) 2010 63

Podsumowanie Monitoring linii napowietrznych jest jedną z bardzo atrakcyjnych możliwości intensyfikacji wykorzystania zdolności przesyłowych istniejącej infrastruktury sieciowej w krajowym systemie elektroenergetycznym. Na świecie jest wykorzystywanych wiele różnorodnych technologii monitorowania sieci. Często nie wymagają one znacznych nakładów inwestycyjnych i tworzenia rozbudowanej infrastruktury. Pozwalają natomiast na wdrożenie dynamicznej obciążalności termicznej linii napowietrznych przez operatorów sieciowych. Umożliwia to pełne wykorzystanie zdolności przesyłowej monitorowanych linii, przy jednoczesnym wyeliminowaniu niebezpieczeństwa przekroczenia dopuszczalnej temperatury, a więc także dopuszczalnego zwisu przewodu. Jest to szczególnie istotne w kontekście wyprowadzania mocy z elektrowni wiatrowych. W aktualnie wykonywanych ekspertyzach przyłączeniowych, na podstawie których wydawane są warunki przyłączenia i planowana jest rozbudowa sieci, przyjmuje się do obliczeń obciążalność statyczną linii (dla wiatru 0,5 m/s) przy pełnej generacji w elektrowniach wiatrowych (osiąganej przy prędkości wiatru na poziomie kilkunastu m/s). Jak pokazują przedstawione analizy, prowadzi to do znacznego zaniżenia rzeczywistych zdolności przesyłowych sieci i w konsekwencji do przyszłej nadmiernej, niepotrzebnej rozbudowy sieci. LITERATURA [1] Thermal behaviour of overhead conductors. Technical Brochure No. 207. Working Group 22.12 CIGRE (ELECTRA No.203, August 2002). [2] Praca pod red. Bartodziej G., Tomaszewski M.: Problemy rozległych awarii sieci elektroenergetycznych. Wydawnictwo Nowa Energia. Racibórz 2009 [3] Praca pod red. J. Popczyka: Bezpieczeństwo elektroenergetyczne w społeczeństwie postprzemysłowym na przykładzie Polski. Rozdz. 3. Intensyfikacja wykorzystania zdolności przesyłowych sieci elektroenergetycznych (E. Siwy, K. Żmuda). Wydawnictwo Politechniki Śląskiej. Gliwice 2009 [4] Przygrodzki M., Siwy E.: Zdolności przesyłowe linii napowietrznych przy generacji mocy w źródłach wiatrowych. Rynek Energii, 80 (2009), nr 1 [5] Siwy E., Żmuda K.: Dynamiczna obciążalność termiczna linii przesyłowych w działalności operatorów sieciowych. Energetyka. Zeszyt tematyczny nr VIII. II Konferencja APE 06-Południe. Wisła, czerwiec 2006 Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia [6] Siwy E., Żmuda K.: Dynamiczna obciążalność termiczna linii przesyłowych z przewodami wysokotemperaturowymi. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej Elektryka, z. 3, Gliwice 2008. [7] Villiers W., Cloete J.H., Wedepohl L.M., Burger A.: Real-Time Monitoring System for High-Voltage Overhead Transmission Lines Based on Power-Line Carrier Signal Behavior. IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 23 no. 1, January 2008 [8] Drager H.-J., Hussels D., Puffer R.: Development and Implementation of a Monitoring-System to Increase the Capacity of Overhead Lines. CIGRE Session, Paris 2008, Paper B2-101 [9] Di Bartolomeo E., Bruno C., Tricoli S., Pirovano G., Chiarello S., Mezzani D.: Increasing Capacity of Two Italian Lines by the Adoption of Devices for Monitoring Environmental Conditions and Conductors Temperature or by Using High-Temperature Conductors. CIGRE Session, Paris 2008, Paper B2-102 [10] Baungarten Kersting A.P., Hoffmann J.N., Muller M.: Transmission Line Up-Rating Design Using Survey Data from Airborne LIDAR. CIGRE Session, Paris 2006, Paper B2/ D2-101 [11] Lilien J.L., Guerard S., Destine J., Cloet E.: Microsystems Array for Live High Voltage Lines Monitoring. CIGRE Session, Paris 2006, Paper B2-302 [12] Teminova R., Hinrichsen V., Freese J., Neumann C., Bebensee R., Hudasch M., Weibel M., Hartkopf T.: New Approach to Overhead Line Conductor Temperature Measurement by Passive Remote Surface Acoustic Wave Sensors. CIGRE Session, Paris 2006, Paper B2-304 [13] Weibel M., Imhof K., Sattinger W., Steinegger U., Zima M., Biedenbach G.: Overhead Line Temperature Monitoring Pilot Project. CIGRE Session, Paris 2006, Paper B2-311 [14] Devine K., Noble R., Mekhanoshin B., Mekhanoshin K., Shkaptsov V.: Uprating of OHTL on the Base of Verification of Component Condition and Indirect Determination of Conductor Temperature. CIGRE Session, Paris 2004, Paper B2-205 [15] Babś A., Samotyjak T.: Zwiększenie zdolności przesyłowych linii 110 kv poprzez monitorowanie ich dopuszczalnego obciążenia. Wiadomości Elektrotechniczne nr 11 2009 Dr inż. Edward Siwy, ur. 1963, jest absolwentem Wydziału Elektrycznego Politechniki Śląskiej. W 1997 r. uzyskał stopień doktora nauk technicznych. Od 1987 r. jest związany z Instytutem Elektroenergetyki i Sterowania Układów Politechniki Śląskiej. Był stypendystą naukowym w Niemczech i USA. Jego głównym obszarem zainteresowań jest optymalizacja struktury sieci przesyłowych i rozdzielczych oraz integracja źródeł generacji rozproszonej z systemem elektroenergetycznym. Jest autorem lub współautorem ponad 60 publikacji naukowych, a także kilkudziesięciu opracowań naukowo-technicznych i badawczo-rozwojowych wykonywanych na rzecz czołowych firm sektora elektroenergetycznego. 64

3,0 2,5 Obciążalność względna sieci 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Generacja względna w źródłach wiatrowych Rys. 5. Korelacja pomiędzy możliwościami produkcyjnymi w elektrowniach wiatrowych a zdolnościami przesyłowymi sieci