Linie kablowe wysokich napięć w systemie elektroenergetycznym

W takich przypadkach dobrym narzędziem do przesyłu energii elektrycznej jest linia kablowa. Szacuje się, że w niedalekiej przyszłości znaczną część nowo budowanych linii energetycznych 400 kV – obecnie jeszcze będących rozwiązaniami nowatorskimi – będą stanowić w Europie linie kablowe. Pomimo że zapewnienie wysokiego poziomu bezpieczeństwa dostaw energii można zrealizować zarówno za pomocą linii napowietrznych, jak i znacznie droższymi liniami kablowymi, to zdecydowanie większą aprobatę wśród społeczności lokalnych zamieszkałych w sąsiedztwie planowanej elektroenergetycznej inwestycji liniowej zyskują linie kablowe.

Czy budować linie kablowe?

Obecny rozwój technologii konstrukcji kabli najwyższych napięć (400 i 220 kV) oraz odpowiedniego osprzętu kablowego pozwala na prowadzenie linii kablowych na dystansie kilkudziesięciu, a nawet kilkuset kilometrów. Powoli maleje znaczenie bariery technologicznej na rzecz ekonomicznych i środowiskowych aspektów przedsięwzięcia. Odpowiedź na pytanie, czy na poziomie napięć 220 kV, a szczególnie 400 kV, można realizować połączenia kablowe lub napowietrzne, wymaga przedstawienia istotnych argumentów przemawiających za wyborem jednego z wariantów.

Nie ulega wątpliwości, że dokonując wyboru jednego z rozwiązań, należy kierować się dwoma podstawowymi kryteriami. Z jednej strony, przesył energii elektrycznej powinien odbywać się po jak najmniejszych kosztach, z drugiej – wymaga się, by odbywał się on systemami przesyłowymi najmniej ingerującymi w środowisko. Aspekt ekonomiczny przedsięwzięcia przemawia oczywiście za wyborem linii napowietrznych, które jak dotąd stanowią najbardziej ekonomiczny sposób przesyłu znacznych ilości energii, szczególnie na duże odległości. Różnice w kosztach budowy pomiędzy linią napowietrzną i kablową prądu przemiennego o napięciu 400 kV szacuje się na ok. 5 mln euro na każdy 1 kilometr układu przesyłowego. W konsekwencji ok. 20-krotna różnica w kosztach pomiędzy linią kablową a napowietrzną może być akceptowana jedynie w sytuacjach, gdy wybudowanie linii napowietrznej byłoby niemożliwe ze względów technicznych, a dokładnie z powodu niemożliwości zapewnienia dostatecznie dużych odległości elementów linii znajdujących się pod napięciem od obiektów budowlanych. Tak znaczne różnice w kosztach budowy powodują, że nie ma obecnie ekonomicznych przesłanek do budowy linii kablowych najwyższych napięć w połączeniach systemowych o znacznej długości. Realizację takich układów można natomiast rozważać na obszarach aglomeracji miejskich lub na terenach o szczególnie cennych walorach krajobrazowych.

Należy jeszcze raz podkreślić, że większość argumentów technicznych, ekonomicznych i środowiskowych przemawia za budowaniem linii napowietrznych najwyższych napięć, a nie linii kablowych. Kolejnym z nich jest możliwość prawie nieograniczonego wykorzystania terenów pod linią napowietrzną, które po wybudowaniu linii mogą być zagospodarowane nieomal dowolnie, chociaż najczęściej pozostają w użytkowaniu rolniczym. Budowa linii kablowej wprowadza natomiast nieodwracalne zmiany środowiskowe (fot. 1.), a wykorzystanie gruntów leżących nad linią jest w istotny sposób ograniczone. Konieczne jest bowiem zabezpieczenie ciągłego dostępu do traktu kablowego w celu np. likwidacji możliwych awarii, których czas usuwania jest zazwyczaj znacznie dłuższy niż likwidacja uszkodzeń linii napowietrznych. Także i ta cecha układów kablowych stawia pod znakiem zapytania wykorzystanie ich jako ważnych połączeń systemowych.

Nieprawdziwy jest także pogląd, lansowany powszechnie przez przeciwników budowy układów napowietrznych, że linie kablowe są źródłem pól magnetycznych o poziomach istotnie mniejszych niż linie napowietrzne o identycznym napięciu (400 kV) i porównywalnej zdolności przesyłowej. Obecnie w Polsce wykorzystywane są wyłącznie linie kablowe do napięcia 110 kV, a realizacja układów kablowych prądu przemiennego o napięciu 400 kV nie była nawet przedmiotem bardziej wnikliwych analiz. Na świecie układy kablowe prądu przemiennego najwyższych napięć buduje się bardzo rzadko i prawie wyłącznie jako stosunkowo krótkie odcinki na obszarach dużych aglomeracji miejskich. Te bardzo kosztowne i dość nowatorskie technologie zastosowano jak dotąd w najbardziej rozwiniętych krajach europejskich, w miejscach, w których nie było technicznych możliwości budowy linii napowietrznej. Zatem przekonanie społeczności lokalnych protestujących przeciwko powstawaniu w kraju nowych linii napowietrznych najwyższych napięć o tym, że w Europie rozwiązania kablowe należą do praktyki budowy systemów elektroenergetycznych, jest całkowicie nieuzasadnione.

Uwarunkowania środowiskowe

Nie ulega wątpliwości, że kwestie ekologiczne odgrywają istotną rolę w planowaniu nowych przedsięwzięć w systemie elektroenergetycznym. Zarówno budowa, jak i modernizacja linii i stacji elektroenergetycznych jest wnikliwie analizowana pod kątem potencjalnych implikacji środowiskowych. Konkretne zamierzenie inwestycyjne oceniane jest więc w aspekcie możliwego oddziaływania m.in. na zdrowie ludzi, zasoby przyrodnicze oraz krajobraz. Gruntownej analizie podlega też gospodarka odpadami – kwestia szczególnie istotna w przypadku budowy i późniejszej eksploatacji stacji elektroenergetycznych.

Poza kwestiami ekonomicznymi wspomniane implikacje środowiskowe stają się rozstrzygające przy podejmowaniu decyzji o wyborze linii napowietrznej lub układu kablowego. Chociaż najistotniejsze wydają się względy krajobrazowe, to coraz częściej inwestorzy spotykają się z silnym naciskiem społeczności lokalnych, których przedstawiciele dość zdecydowanie domagają się budowy układów kablowych. Oczywiste jest, że wpływ linii kablowych na krajobraz jest zdecydowanie mniejszy niż linii napowietrznych, jeśli tylko układ kablowy nie wymaga budowy obiektów kubaturowych (stacji) służących do kompensacji mocy biernej. Sygnalizuje się jednak wyjątkowo negatywne oddziaływanie układów kablowych przy prowadzeniu ich przez obszary leśne. O ile w przypadku linii napowietrznej można zastosować tzw. słupy nadleśne, ograniczające niezbędną wycinkę drzew tylko do miejsc posadowienia słupów, o tyle linie kablowe wymagają wykonania dość szerokiej przecinki na całej trasie linii. Jeszcze większe trudności występują w przypadku konieczności budowy linii kablowej w obszarach górzystych, gdzie często wyjątkowe walory krajobrazowe terenu są zdecydowanym przeciwwskazaniem do realizacji linii napowietrznych.

Poważnym problemem przy budowie układów przesyłowych jest kwestia ograniczeń w zagospodarowaniu terenu, związanych z realizacją konkretnej inwestycji. W przypadku linii napowietrznych całkowite ograniczenia w realizacji zabudowy występują w miejscu posadowienia słupów, ustawianych w odległościach co 350 - 400 m, natomiast częściowe (zabudowa o określonej wysokości, nieprzekraczającej wartości granicznych) – wzdłuż całej trasy linii w „pasie technologicznym”, którego szerokość jest zależna przede wszystkim od napięcia linii. Ograniczenia w rolniczym wykorzystaniu terenu występują praktycznie jedynie w miejscach posadowienia słupów. Na pozostałym obszarze pod napowietrzną linią elektroenergetyczną można praktycznie bez ograniczeń uprawiać ziemię czy sadzić niewysokie krzewy – oczywiście pod warunkiem zachowania bezpiecznych odległości przewidzianych w normie [3].

W przypadku linii kablowych, z uwagi na wymaganą wolną przestrzeń niezbędną do przeprowadzenia napraw i zabiegów konserwacyjnych, w pasie terenu, pod którym przebiegają poszczególne kable, nie można wykonywać prac budowlanych. Nie można też sadzić drzew ani krzewów o długich korzeniach przez cały okres eksploatacji linii kablowej. W praktyce oznacza to prawie całkowite wyłączenie z zagospodarowania pasa terenu o szerokości około 13 - 14 metrów w przypadku linii dwutorowej 400 kV z dwoma kablami na fazę. Chociaż przepisy niektórych krajów dopuszczają sadzenie pewnych gatunków roślin w pasie nad traktem kablowym, to specjaliści zwracają uwagę na możliwość znacznego wysuszenia gleby nad linią kablową na skutek jej nagrzewania, co może mieć istotny wpływ na przebieg wegetacji roślin.

Specyficznymi elementami, charakterystycznymi dla linii kablowych o długości przekraczającej 15 - 20 km, wpływającymi niekiedy w istotny sposób na krajobraz, są układy kompensacji mocy biernej wyposażone m.in. w autotransformatory o znacznej mocy, instalowane w obiektach kubaturowych (stacjach) o powierzchni przekraczającej kilkaset metrów kwadratowych.

Pomimo wspomnianych trudności w realizacji układów kablowych najwyższych napięć, kilka projektów tego rodzaju, dla których znaleziono dostateczne uzasadnienie zarówno środowiskowe, jak i ekonomiczne, zostało już zrealizowanych. Do najbardziej interesujących należą:

• linia Middlesborough – York w Wielkiej Brytanii, przeprowadzona na terenie o szczególnych walorach krajobrazowych. Wybudowano liczący około 5,7 km odcinek dwutorowej linii kablowej o napięciu 400 kV, współpracujący z 70-kilometrową linią napowietrzną. Linia kablowa zajmuje pas technologiczny o szerokości 30 metrów, a koszt jej budowy wyniósł ok. 100 milionów euro,
• przedłużenie linii napowietrznej biegnącej wzdłuż Genewskiego Centrum Wystawowego w Szwajcarii zrealizowano uwzględniając miejscowe ograniczenia dotyczące zagospodarowania przestrzennego, oraz uwarunkowania wynikające z ostrych zaleceń dotyczących dopuszczalnych poziomów pól elektromagnetycznych 50 Hz. Realizacja inwestycji jako linii napowietrznej na obszarze objętym wspomnianymi ograniczeniami nie była możliwa. Dobrym rozwiązaniem okazało się wybudowanie liczącej 450 m linii kablowej 400 kV typu GIL (linia kablowa z izolacją gazową zawierającą mieszaninę o składzie: 80% azotu i 20% SF6), stanowiącej integralną część z istniejącą linią napowietrzną 225 kV,
• linia kablowa pod terenem przewidzianym na rozbudowę lotniska w Madrycie (Hiszpania) zastąpiła dwutorową linię napowietrzną 400 kV, która kolidowała z planami rozbudowy lotniska. W wybudowanej 13-kilometrowej linii kablowej zastosowano kable z izolacją syntetyczną poprowadzone w specjalnym tunelu.

Technologie budowy i układania kabli wysokonapięciowych

Obecnie przy wykonywaniu układów kablowych najwyższych napięć (110, 220 i 400 kV) wykorzystywane są:

• kable z izolacją olejową – stanowiące pierwszą generację kabli elektroenergetycznych, obecnie coraz rzadziej stosowane w układach wysokonapięciowych. Technologia ta jest nadal, chociaż zdecydowanie rzadziej niż kiedyś, stosowana w kablach przeznaczonych do pracy na niskim napięciu,
• kable z izolacją z polietylenu usieciowanego XLPE lub innych tworzyw polimerowych (SIC) – stanowią obecnie podstawę do budowy układów kablowych zarówno średniego, jak i wysokiego napięcia. Rozwój technologii wytłaczania oraz ulepszenie technik wstępnego formowania osprzętu i znacząca poprawa czystości używanych materiałów umożliwiły powszechne wprowadzenie kabli z izolacji wykonaną z polietylenu usieciowanego (XLPE) lub innych tworzyw polimerowych,
• linie kablowe z izolacją gazową (Gas Insulated Line) – stanowią nową generację układów kablowych, opracowanych specjalnie dla sieci 400 kV. W liniach tych izolację kabla stanowi sprężona mieszanina gazowa (ok. 90% azotu i 10% SF6). Technologia ta jest nieustannie rozwijana i pomimo jeszcze dość znacznych kosztów budowy tego rodzaju układów kablowych, stanowią one, w pewnych warunkach, alternatywę dla pozostałych linii kablowych.

Oprócz własności izolacyjnych kabla, które są głównym czynnikiem wpływającym na niezawodność pracy linii kablowej, nie bez znaczenia dla bezawaryjnej pracy ciągu kablowego jest też metoda układania kabli. Jej wybór zdeterminowany jest typem zastosowanych kabli, właściwościami gruntu oraz ilością i rodzajem napotykanych przeszkód terenowych. Do najbardziej rozpowszechnionych metod zalicza się:

• układanie kabla w korytach – stosowane na odcinkach, gdzie możliwe jest nieograniczone użytkowanie linii bez jej zakopania – np. pod mostami,
• układanie kabla w kanałach (tunelach) kablowych – stosowane na terenach o dużym zagęszczeniu infrastruktury podziemnej (fot. 2.),
• bezpośrednie zakopywanie w ziemi – stosowane głównie na obszarach wiejskich (fot. 3.).

W przypadkach, kiedy trasa linii kablowej ma przebiegać przez szczególnego rodzaju przeszkody terenowe (np. drogi, rzeki, tereny bagienne), stosowane są nieco inne metody układania kabla, dostosowane do specyfiki konkretnych warunków terenowych (np. prowadzenie kabli w mikrotunelach, w rurach, na mostkach, w wywierconych szybach).

Praktyczne aspekty budowy układów kablowych najwyższych napięć

Wspomniano już, że głównie ze względu na bardzo znaczne koszty przedsięwzięcia, linie kablowe najwyższych napięć (220 i 400 kV) budowane są prawie wyłącznie jako układy łączące niezbyt odległe stacje elektroenergetyczne zlokalizowane w gęsto zaludnionym obszarze (np. aglomeracje wielkomiejskie) lub jako niezbyt długie odcinki linii napowietrznej, które ze względów na rygory ochrony środowiska lub inne problemy lokalizacyjne, nie mogły być, w pewnym fragmencie, zrealizowane jako linia napowietrzna.

W tym drugim przypadku niemałym problemem technicznym jest połączenie linii napowietrznej z linią kablową (fot. 4.). Realizacja tego zadania wymaga zaprojektowania i wykonania odpowiednich słupów krańcowych na obu końcach odcinka linii kablowej oraz ustawienia konstrukcji stalowych z zainstalowanymi na nich głowicami kablowymi i ogranicznikami przepięć. Dla tych obiektów należy zabezpieczyć teren o odpowiednio dużej powierzchni. Z szacunków wynika, że do połączenia linii kablowej z czterotorową linią napowietrzną 2×400 kV + 2×220 kV wymagana powierzchnia konieczna do zabudowania elementów sprzęgających układ napowietrzny z kablowym wynosi co najmniej 300 m², przy wysokości słupów krańcowych ok. 30 m.

Innym poważnym problemem przy realizacji układów kablowych najwyższych napięć jest konieczność skompensowania znacznej mocy ładowania układów kablowych. Trzeba podkreślić, że moc ładowania układu kablowego o napięciu 400 kV jest ok. 20-krotnie większa niż analogicznej długości linii napowietrznej. W celu skompensowania tak znacznej mocy biernej niezbędne jest zainstalowanie na odcinku kablowym dławików kompensacyjnych – urządzeń kosztownych i wymagających wyodrębnionego terenu o dość dużej powierzchni (fot. 5.).

Wybierając jedno z najtańszych i najbardziej rozpowszechnionych rozwiązań prowadzenia odcinka kablowego, tj. pogrążanie kabli bezpośrednio w ziemi, należy zwrócić uwagę, że zapewnienie pełnej zdolności przesyłowej układu kablowego wymaga zachowania dość znacznych odległości pomiędzy torami linii kablowej, a niekiedy nawet pomiędzy żyłami każdej fazy. Poszczególne kable układane są zazwyczaj na głębokościach 1,3 - 1,5 m pod powierzchnią gruntu, a odległości pomiędzy poszczególnymi torami wynoszą najczęściej od 2 do 5 m. W konsekwencji wykonanie czterotorowego, dwunapięciowego (np. 2×400 kV + 2×220 kV) układu kablowego wymaga ułożenia co najmniej 12 pojedynczych kabli. Biorąc pod uwagę, że układ taki uzupełniony zostanie kablami światłowodowymi, przekazującymi informacje z ciągłego monitoringu poszczególnych kabli, okazuje się, że całkowita szerokość pasa technologicznego zajętego przez układ kablowy będzie wynosić nie mniej niż 30 - 40 m (rys. 1.).

Montaż linii kablowych wymaga zorganizowania odpowiedniego transportu materiałów na miejsce budowy. Dotyczy to w szczególności dostarczenia na plac budowy bębnów kablowych, których wymiary wymagają użycia transportu ponadgabarytowego, a masa pojedynczego bębna przekracza niejednokrotnie 30 - 40 ton. W wielu wypadkach konieczne staje się skorygowanie istniejących lub wykonanie nowych dróg dojazdowych, a także uzyskanie stosownego zezwolenia na przejazd pociągu drogowego o ponadnormatywnych gabarytach.

Pole magnetyczne wytwarzane przez linię kablową

Przy analizach dotyczących możliwości budowy linii kablowych najwyższych napięć zamiast układów napowietrznych, jedną z istotniejszych kwestii jest problem pola magnetycznego wytwarzanego nad traktem kablowym. Przeciwnicy budowy linii napowietrznych twierdzą, że zastąpienie układu napowietrznego linią kablową spowoduje istotne zmniejszenie natężenia pola magnetycznego w sąsiedztwie projektowanego traktu zasilającego. Punktem wyjścia do dyskusji o akceptowalnych poziomach pól magnetycznych nie są niestety ustalenia obowiązujących przepisów [5], lecz wartości kilkadziesiąt, czy nawet kilkaset razy niższe niż przyjęta do stosowania w Polsce wartość dopuszczalna natężenia pola magnetycznego (60 A/m). Chociaż wartość maksymalna natężenia pola magnetycznego rejestrowana zarówno w sąsiedztwie linii napowietrznej, jak i kablowej zależy przede wszystkim od wartości prądu płynącego w linii, to analiza dostępnych wyników pomiarów i obliczeń wskazuje jednoznacznie, że jest ona znacznie wyższa w przypadku linii kablowej (rys. 2.). Inny jest natomiast rozkład tego pola, które maleje znacznie szybciej przy oddalaniu się od linii kablowej (rys. 2. i rys. 3.). Kwestia ta wydaje się mieć znaczenie wyłącznie teoretyczne, gdyż w sąsiedztwie krajowych linii najwyższych napięć nie rejestruje się pól magnetycznych, których natężenie przekracza poziom dopuszczalny. Pod liniami nie występuje więc pas terenu, w którym natężenie pola magnetycznego przekracza obowiązującą wartość dopuszczalną – nie istnieje zatem potrzeba zmniejszania szerokości tego pasa poprzez zastosowanie rozwiązań kablowych. Zatem obie omawiane technologie, tj. linie kablowe i napowietrzne, spełniają wymogi obowiązujących przepisów w zakresie ochrony przed oddziaływaniem pól elektromagnetycznych, a sugerowana niekiedy przez społeczności lokalne przewaga technologii kablowej wydaje się iluzoryczna.

Podsumowanie

Obecnie główną przeszkodą w budowie linii kablowych najwyższych napięć (co najmniej 400 kV) są bariery ekonomiczne. W konsekwencji projekty budowy tego rodzaju układów można podzielić na dwie grupy: połączenia kablowe projektowane na obszarach aglomeracji miejskich oraz układy kablowe planowane do zrealizowania na obszarach o wyjątkowych walorach przyrodniczo-krajobrazowych. W obu przypadkach budowane są wyłącznie odcinki linii kablowych, których długość rzadko przekracza kilkanaście kilometrów.

Zaprezentowane fakty wskazują, że przy tak znacznej różnicy w kosztach budowy układów kablowych i napowietrznych, w najbliższych latach nie należy spodziewać się znaczącego wzrostu ilości układów kablowych najwyższych napięć. Argumenty kojarzone z szeroko pojętą ochroną środowiska są jeszcze niedostateczne, by bardziej energicznie rekomendować do powszechnego stosowania technikę przesyłu energii elektrycznej układami kablowymi najwyższych napięć prądu przemiennego.

Literatura

1. P. Argaut, A.D. Mikkelsen, New 400 kV underground cable system project in Jutland (Denmark). JICABLE 2003 – International Conference on Insulated Power Cables.
2. http://www.abb.com
3. PN-EN 50341-1:2005 Elektroenergetyczne linie napowietrzne prądu przemiennego powyżej 45 kV. Część 1: Wymagania ogólne. Specyfikacje wspólne.
4. D. Ravemark, B. Normark, Light and invisible. Underground transmission with HVDC Light, „ABB Review” 4/2005.
5. Rozporządzenie Ministra Środowiska z 30 października 2003 r. w sprawie dopuszczalnych poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku oraz sposobów sprawdzania dotrzymania tych poziomów (DzU nr 192, poz. 1883).
6. S. Sadler, S. Sutton, H. Memmer, J. Kaumanns, 1600 MVA electrical power transmission with an EHV XLPE cable system in the underground of London, General Session CIGRE 2004, pp. B1-108.
7. www.abb.com/global / seitp/seitp202.nsf/0/dcfe7ce47fd-9019c48256e86000041d1

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!