Załącznik Nr 5 - Rola czynnika pogodowego w awarii systemu Bezpośrednią przyczyną awarii systemu elektroenergetycznego w nocy z 7 na kwietnia 200 r. były nietypowe dla województwa zachodniopomorskiego warunki atmosferyczne. Analizy panujących warunków atmosferycznych dokonano na podstawie: Opracowania warunków meteorologicznych w dniach 7- kwietnia 200 r. dla obszaru Pomorza Zachodniego przygotowanego przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej, Oddział Morski w Gdyni; pogodowych serwisów internetowych: www.pogodynka.pl i http//polish.wunderground.com/global/stations/12205.html; relacji pracowników biorących udział w przeglądzie linii bezpośrednio po wystąpieniu uszkodzeń oraz wykonanej dokumentacji fotograficznej; informacji Regionalnej Dyrekcji Lasów Państwowych w Szczecinie o powstałych w lasach szkodach spowodowanych anomaliami pogodowymi w nocy z 7/ kwietnia 200 r. W dniu 7 kwietnia Polska pozostawała pod wpływem niżu, którego ośrodek znajdował się początkowo na południe od Łodzi, a potem przemieszczał się w kierunku północnym a następnie północno-wschodnim. Ok. godz. 1 UTC (uniwersalny czas koordynowany), jego ośrodek znalazł się nad wschodnią Wielkopolską. Nad Pomorze Zachodnie a szczególnie Zalew Szczeciński i rozlewiska dorzecza Dolnej Odry napływało bardzo wilgotne powietrze polarno-morskie, które dodatkowo wzbogacało się w parę wodną pobieraną znad parującej powierzchni południowego Bałtyku. Towarzyszył temu cały system rozbudowanych pionowo chmur opadowych o dużej zawartości wilgoci w postaci stałej i płynnej. Warunki te sprzyjały występowaniu intensywnych opadów początkowo w postaci deszczu, później deszczu ze śniegiem i śniegu o dużej wodności. Temperatura nad gruntem na poziomie 0 do 1,5 o C spadała do ok. 1,0 o C już od kilkunastu metrów nad gruntem, co powodowało, że padający o dużym ciężarze śnieg nawarstwiał się na znajdujących się wyżej przedmiotach i urządzeniach. Przeważał wiatr z sektora północnego wiejący ze średnia prędkością 1 m/s do 7 m/s w okolicach Szczecina i Goleniowa, wzrastającą w godzinach wieczornych do 10 m/s 11 m/s, lokalnie w okolicach Świnoujścia do 13 m/s. Jednostajne opady śniegu i śniegu z deszczem występowały do godzin rannych dnia kwietnia. Pomierzona grubość pokrywy śnieżnej na gruncie o godz. 6 UTC dnia kwietnia była zróżnicowana. Największą grubość odnotowano w okolicach Goleniowa 23 cm, ale już w granicach miasta Szczecina (Dąbie, Podjuchy) grubość ta wynosiła 4 6 cm. Ekstremalne wartości porywy śnieżnej podane przez IMiGW to grubość 27 cm i ciężar 2,1 kn/m 2, co daje ciężar objętościowy:
21, γ = = 7, kn/m 3 0, 27 Jest to wartość przewyższająca podany w normie PN-0/B-02010/Az1:2006 ciężar objętościowy śniegu zlodowaciałego (7,0 kn/m 3 ) wynikająca z dodatkowego nasycenia śniegu wodą. Odnotowane w dniu kwietnia 200 r. wartości równoważnika wodnego i pokrywy śnieżnej dla kwietnia były najwyższe w ostatnich 30 latach. Tak intensywny opad śniegu spowodował nie tylko uszkodzenia linii elektroenergetycznych, ale także znaczne straty w drzewostanie. Przywoływane w niniejszym opracowaniu obciążenia normowe nie są stałe w czasie. Konstrukcje, w tym konstrukcje wsporcze napowietrznych linii elektroenergetycznych projektuje się metodą stanów granicznych, w której nośność konstrukcji sprawdza się dla obciążeń obliczeniowych. Zmieniająca się w latach sytuacja ekonomiczna kraju narzucała mniej lub bardziej oszczędne projektowanie, w tym także ze względu na obciążenia śniegiem. Poniżej zestawiono obliczeniowe wartości obciążenia gruntu śniegiem dla trzech ostatnich norm obciążenia śniegiem dla obszaru byłego województwa szczecińskiego: PN-70/B-02010: S = Qk γ f = 0, 5* 1, 4 = 0, 70 kn/m 2, (odniesienie do gruntu: 0,70/0,=0,75 kn/m 2 ) PN-0/B-02010: S = Qk γ f = 0, 7* 1, 4 = 0, 9 kn/m 2, PN-0/B-02010/Az1:2006: S = Qk γ f = 0, 9* 15, = 135, kn/m 2. Największe zniszczenia słupów wsporczych wystąpiły na linii 220 kv Morzyczyn- Police i linii 110 kv Morzyczyn-Łobez. Obie linie projektowane były w latach 70-tych, kiedy podstawowe obciążenie obliczeniowe śniegiem wynosiło 0,70 kn/m 2. Obecnie obowiązująca norma obciążenia śniegiem biorąc pod uwagę posiadaną wiedzę na temat obciążeń klimatycznych oraz sytuację ekonomiczną kraju i związaną z tym gotowość do ponoszenia kosztów w imię bezpiecznego i niezawodnego funkcjonowania zwiększyła powyższą wartość o 54%, co oznacza, że w latach 70-tych projektowano konstrukcje na 65% obecnie obowiązujących obciążeń. Zasadniczym składnikiem obciążeń, na które projektuje się przewody napowietrznych linii elektroenergetycznych, a w konsekwencji także słupy wsporcze jest sadź. Normowa (PN-75/E-05100) definicja sadzi mówi, iż jest to osad śniegu, szronu lub lodu występujący na
przewodach. Tak więc w szczególności śnieg lub zlodowaciały śnieg znajdujący się na przewodach jest sadzią. Projektowanie linii napowietrznych w latach 70-tych wymagało uwzględnienia dwóch przypadków obciążenia sadzią: normalną i katastrofalną. Jako sadź katastrofalną dla naszego klimatu przyjęto sadź o ciężarze podwójnym w stosunku do sadzi normalnej zdarzającej się często. Ponieważ sadź katastrofalna występuje rzadko i na ogół krótkotrwale dopuszczono możliwość wymiarowania przewodów na naprężenia wyższe niż dopuszczalne (wg PN-75/E-05100) naprężenia normalne. Seryjne zniszczenia, które wystąpiły na linii 220 kv Morzyczyn-Police na odcinku między słupami od 119 do 136 oraz na linii 110 kv Morzyczyn-Łobez między słupami od 72 do 7 miały miejsce na terenie niewymagającym stosowania obostrzeń 3 stopnia, co pozwalało na wymiarowanie przewodów na naprężenia normalne. W przypadku przewodów AFL (3 AFL- 525 mm 2 na dwutorowej linii Morzyczyn-Police oraz 3 AFL-6 240 mm 2 na dwutorowej linii Morzyczyn-Łobez) dopuszczalne naprężenia normalne (stosowane w czasie projektowania tych linii) wynosiły w części aluminiowej MPa, a w części stalowej 471 MPa, natomiast dopuszczalne naprężenia katastrofalne wynosiły odpowiednio 11 MPa i 941 MPa. Obszar zaistniałych zniszczeń należy do terenu o sadzi normalnej, dla którego sadź katastrofalna przyjmowana była w obliczeniach o wartościach: dla AFL- 525 mm 2 : G sk = 5, 5 + 0, 55 315, = 22, N/m dla AFL-6 240 mm 2 : G sk = 5, 5 + 0, 55 217, = 17, 4 N/m Brak jest jednoznacznych danych dotyczących grubości warstwy śniegu osiadającego w nocy 7/ kwietnia na przewodach i gałęziach. Z dostarczonych przez ENEA Operator materiałów można przyjąć, jako wiarygodną grubość warstwy śniegu t = 3 cm. Dla ustalonego ciężaru objętościowego γ = 7, kn/m 3 daje to: AFL- 525 mm 2 3 G r = π 3 (3 + 3,15) 100 7, 10 = 45, 2 N/m > 22, N/m co oznacza przekroczenie normowej wartości katastrofalnej o 9%; AFL- 6 240 mm 2 3 G r = π 3 (3 + 217), 100 7, 10 = 3, 0 N/m > 17, 4 N/m
co dało przekroczenie normowej wartości katastrofalnej o 11%. Przyjmując, iż wymiarowanie wykonywane było z warunku pełnego wykorzystania naprężeń sadzi katastrofalnej oraz pomijając nieliniowy efekt zmiany zwisu przewodów, procentowy udział obciążenia od ciężaru własnego i sadzi katastrofalnej wynosił odpowiednio: AFL- 525 mm 2 1 7 -ciężar własny 100% = 46% 1 7 + 22, 22, -sadź katastrofalna 100% = 54% 1 7 + 22, AFL-6 240 mm 2 71 -ciężar własny 100% = 36% 71 + 17, 4 71 -sadź katastrofalna 100% = 64% 71+ 17, 4 Wykazane wyżej przekroczenia normowych wartości katastrofalnych od sadzi odniesione do całkowitego obciążenia przewodów z sadzią katastrofalną daje następujące wartości przekroczeń obciążeń normowych: AFL- 525 mm 2 : 9 0, 54 = 53% AFL-6 240 mm 2 : 11 0, 64 = 76% Kilkudziesięcioprocentowe lokalne przekroczenia maksymalnych obciążeń normowych doprowadziły do zniszczenia całych odcinków linii. Z punktu widzenia teorii niezawodności systemów sekcje linii między słupami mocnymi tworzą układ elementów połączonych szeregowo, czyli układ, o którego nośności decyduje najsłabszy element. W przypadku linii 220 kv Morzyczyn-Police przyjmuje się, iż katastrofa została zainicjowana na słupie odporowo-narożnym 123 serii M52ON100. Brak możliwości wykonania szczegółowych analiz, w szczególności uwzględniających warunki posadowienia słupa uniemożliwia wydanie na tym etapie prac jednoznacznej opinii, co do przyczyn jego zawalenia się. Nie ulega jednak wątpliwości, że istotną rolę odegrała tutaj obniżona nośność fundamentów. Przyczyn obniżonej nośności fundamentów można upatrywać w znacznym pogorszeniu się warunków gruntowo-wodnych, do jakiego doszło od czasu wybudowania tej linii. Obszar, przez który przechodzi uszkodzony odcinek linii leży na prawym brzegi Iny w jej końcowym odcinku przed ujściem do Odry o średnim wyniesieniu 0,0 m.n.p.m. Zaniedbania w systemie melioracyjnym doprowadziły do znacznego nasycenia
terenu wodą. Fakt ten winien być odnotowany przez służby odpowiedzialne za stan melioracji na tym terenie, ale także przez służby prowadzące okresowe oceny stanu technicznego linii przesyłowej. Seryjne uszkodzenia odcinka linii 110 kv Morzyczyn-Łobez zostały najprawdopodobniej zainicjowane na skutek przewrócenia się słupa 7s. Zespół badający przyczyny awarii pomimo licznych starań nie zdołał zgromadzić wystarczających materiałów do wydania jednoznacznej opinii w tej sprawie. Niskie pobory mocy rejestrowane na liniach, które uległy uszkodzeniu w nocy 7/ kwietnia pozwalają na pominięcie w rozważaniach czynnika nierównomiernego nagrzania linii dwutorowych, jako potencjalnego dodatkowego źródła uszkodzeń. Także względnie niskie prędkości wiatru pozwalają na wyeliminowanie go przy analizie przyczyn awarii sytemu. Należy natomiast odnotować stosunkowo liczne uszkodzenia poprzeczników, na których zamocowane były przewody światłowodowe. Niewielki ciężar własny światłowodu (1, N/m) oraz niewielki moduł sprężystości podłużnej powodowały, że względny przyrost masy sadzi w postaci oklejającego światłowód śniegu był bardzo wysoki, a odkształcenia tak znaczne, że na niektórych odcinkach światłowód sięgał ziemi. Stosowane systemowe rozwiązanie polega na podwieszeniu światłowodu na jednym pręcie dolnej części poprzecznika w środku odległości między węzłami. Dolne pręty poprzeczników są elementami ściskanymi od obciążenia przewodem roboczym na końcu poprzecznika. Ponadnormatywny, znaczny wzrost zginania spowodowany obciążeniem światłowodu śniegiem prowadził do złamania pręta w miejscu podwieszenia światłowodu a w konsekwencji zmiany poprzecznika w mechanizm lokalny ograniczający się do samego poprzecznika. Złamanie się poprzecznika prowadziło do styku przewodu roboczego z konstrukcją słupa, co skutkowało wyłączeniem się linii. Ze względu na to, że słupy wsporcze linii elektroenergetycznych są ustrojami o konstrukcji kratowej, wszelkie obciążenia w tym także od światłowodów winny być przykładane do konstrukcji w jej węzłach.