Monitorowanie i prognozowanie dopuszczalnego obciążenia linii napowietrznych 110 kV

W artykule zestawiono podstawowe wymagania związane z monitorowaniem dopuszczalnego obciążenia linii sieci dystrybucyjnej, zanalizowano strukturę systemu oraz jego podstawowe elementy. Autorzy przygotowali również prognozę dopuszczalnego obciążenia linii w krótkim horyzoncie czasowym. Prognozowanie może być wykorzystywanie do planowania prowadzenia ruchu sieci. Bazując na doświadczeniach z ponad rocznej eksploatacji systemu opisano sposób projektowania, problemy przy uruchomieniu oraz wnioski z eksploatacji systemu DOL.

Linie napowietrzne są elementem systemu elektroenergetycznego, w przypadku którego nie określa się mocy lub prądu znamionowego, podając wyłącznie napięcie nominalne. Dopuszczalna (znamionowa) wartość prądu wynika bowiem z konieczności równoczesnego spełnienia dwóch warunków:

• zachowania dopuszczalnego zwisu (odległości od ziemi) tak, aby zostały spełnione wymogi bezpieczeństwa (zapobieganie przeskokom i porażeniom),
• niedopuszczenie do przekroczenia maksymalnej temperatury dla danego typu przewodu (np. 80°C dla przewodów aluminiowych).

Zwis przewodu jest funkcją jego temperatury, dlatego przy projektowaniu linii określa się temperaturę, dla której wykonano obliczenia zwisu, nazywając ją temperaturą obliczeniową linii.

W ogólnym przypadku stan techniczny linii, a zatem i wielkość zwisu, jest opisany poprzez następujące parametry: warunki pogodowe (prędkość i kierunek wiatru, temperatura otoczenia przewodu, nasłonecznienie), temperaturę przewodu i wielkość płynącego prądu.

Dopuszczalny prąd jest zatem funkcją warunków pogodowych i przyjętej dla celów projektowych temperatury przewodu, która zapewnia zachowanie dopuszczalnego zwisu. Przyjęcie określonych warunków pogodowych i takiej temperatury przewodu, aby zachować dopuszczalny zwis, determinuje zatem dopuszczalny prąd w danych warunkach pogodowych dla konkretnej linii. Ze względów praktycznych, aby umożliwić ocenę wykorzystania mocy przesyłowej linii wyznacza się dopuszczalny prąd dla zdefiniowanych tzw. ostrożnych warunków pogodowych i dla przyjętej temperatury przewodu.

Dążąc do lepszego dopasowania tak wyznaczonej wartości prądu do rzeczywistych warunków, wyznacza się prąd dla warunków letnich (mniejsza wartość dopuszczalnego prądu) oraz dla warunków zimowych (większa wartość prądu), często również uzależniając tę wartość od strefy klimatycznej, tzn. uzależniając niejako od prawdopodobieństwa wystąpienia danych warunków pogodowych na określonym obszarze.

W różnych krajach przyjęto różne wartości pogodowe, dla których wyznacza się obciążalność statyczną linii. W Polsce przyjmuje się temperaturę otoczenia 30°C (lato), prędkość wiatru 0,5 m/s wiejącego prostopadle do linii oraz nasłonecznienie 900 W/m2.

Znaczna liczba linii napowietrznych 110 kV w Polsce została zaprojektowana na temperaturę projektową przewodu wynoszącą 40°C, co przy temperaturze otoczenia 30°C oraz prędkości wiatru 0,5 m/s gwarantuje zachowanie dopuszczalnych odległości do obiektów znajdujących się pod linią. W niektórych firmach projektowano linie przyjmując temperaturę projektową przewodu wynoszącą 60°C, a nawet 80°C. Przyjęcie temperatury projektowej 80°C dla przewodu typu AFL6-240 pozwala w warunkach letnich na obciążenie go prądem 645 A.

W Niemczech przyjmuje się temperaturę otoczenia 35°C i prędkość wiatru 0,6 m/s [2], podczas gdy w Irlandii [3] przyjmuje się temperaturę otoczenia 9°C, 20°C, 9°C, 2°C, odpowiednio dla wiosny, lata, jesieni i zimy. Tak wyznaczony prąd ze względu na swoją niezmienność w czasie określany jest mianem prądu statycznego, podczas gdy prąd maksymalny wyznaczany na podstawie aktualnych warunków pogodowych określa się mianem prądu dynamicznego. Posługiwanie się w prowadzeniu ruchu sieci dystrybucyjnej dynamiczną obciążalnością linii prowadzi do lepszego, bardziej efektywnego wykorzystania zdolności przesyłowych linii. Przykładowo, dla wiatru o prędkości 6 m/s wiejącego prostopadle do linii obciążalność linii zwiększa się o 50%.

Bezpieczne wykorzystanie pełnych możliwości przesyłu energii liniami napowietrznymi wymaga ich ciągłego monitorowania. Prowadzenie ruchu systemu związane z pełnym wykorzystaniem zdolności przesyłowych wymaga prognozowania ich obciążenia w określonym horyzoncie czasowym. Bieżąca znajomość temperatury przewodów, która jest funkcją jej aktualnego obciążenia oraz warunków pogodowych panujących w miejscu zainstalowania linii, zwłaszcza prędkości i kierunku wiatru, pozwala na bezpieczne przeciążanie linii, tzn. takie, które nie powoduje zmniejszenia normatywnych odległości przewodów od obiektów pod linią.

Poza oczywistym sposobem zwiększenia zdolności przesyłowych sieci, jakim jest budowa nowej linii lub jej gruntowna modernizacja, obciążalność linii można bezpiecznie zwiększyć poprzez wyznaczanie jej obciążalności dynamicznej, tzn. dopuszczalnej obciążalności linii w aktualnych warunkach pogodowych panujących na trasie linii.