Ocena wpływu wiatru na awaryjność elektroenergetycznych linii napowietrznych SN
![Procentowy udział przyczyn awarii linii napowietrznych SN [8]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/202305/przyczyny-awarii-linii-napowietrznych-sn-1.jpg)
Procentowy udział przyczyn awarii linii napowietrznych SN [8]
Energia elektryczna jest podstawą funkcjonowania współczesnego społeczeństwa. Dostęp do sieci elektroenergetycznych warunkuje rozwój przemysłu i lokalnych społeczności, a więc także umożliwia i kształtuje osadnictwo. W wielu przypadkach energia elektryczna jest jedynym systemowym nośnikiem energii. W związku z powyższym bardzo ważnym obecnie aspektem jest zachowanie wysokich standardów jakości energii oraz ciągłości jej dostaw do odbiorców.
Zobacz także
dr inż. Andrzej Szafraniec Analiza elektromagnetycznych procesów nieustalonych w liniach elektroenergetycznych wysokiego napięcia
Projektowanie układów przesyłania energii elektrycznej wymaga uwzględnienia awaryjnych trybów pracy. Najniebezpieczniejszymi i najczęściej występującymi awaryjnymi trybami pracy elementów układów zasilania...
Projektowanie układów przesyłania energii elektrycznej wymaga uwzględnienia awaryjnych trybów pracy. Najniebezpieczniejszymi i najczęściej występującymi awaryjnymi trybami pracy elementów układów zasilania energią elektryczną są tryby pracy w stanach zwarcia. Wymienione stany prowadzą do uszkodzenia, a czasem nawet całkowitego zniszczenia obiektów przez prądy zwarciowe, które występują w miejscu uszkodzenia linii. Aby uniknąć tych konsekwencji, konieczne jest, aby urządzenia automatyki oraz zabezpieczenia...
mgr inż. Zbigniew Kończak Monitorowanie linii wysokiego napięcia
Coraz częściej na nowo budowanych i remontowanych liniach wysokich napięć daje się zauważyć widoczne gołym okiem błędy wykonania. Również takie błędy, które mogą doprowadzić do samoczynnego wyłączenia...
Coraz częściej na nowo budowanych i remontowanych liniach wysokich napięć daje się zauważyć widoczne gołym okiem błędy wykonania. Również takie błędy, które mogą doprowadzić do samoczynnego wyłączenia linii nawet bez zaistnienia warunków ponadnormatywnych. Skutki awarii linii mogą być katastrofalne – wystarczy przypomnieć, że właśnie w wyniku wyłączeń linii Szczecin i okolice w 2008 r. były przez kilka godzin całkowicie pozbawione energii elektrycznej, mimo dwóch elektrowni na terenie miasta.
De Dietrich Sanktuarium w Kałkowie-Godowie z nowoczesnym systemem ogrzewania marki De Dietrich
Zakończono półtoraroczny projekt termomodernizacji w Sanktuarium Matki Bożej Bolesnej, Pani Ziemi Świętokrzyskiej, zlokalizowanym w Kałkowie-Godowie. Obecnie zarówno duchowni, jak i pielgrzymi odwiedzający...
Zakończono półtoraroczny projekt termomodernizacji w Sanktuarium Matki Bożej Bolesnej, Pani Ziemi Świętokrzyskiej, zlokalizowanym w Kałkowie-Godowie. Obecnie zarówno duchowni, jak i pielgrzymi odwiedzający to miejsce, mają dostęp do zaawansowanego technologicznie systemu grzewczego.
Jest to możliwe w przypadku właściwego projektowania, budowy oraz eksploatacji sieci elektroenergetycznych. Na etapie projektowania sieci najważniejszym zagadnieniem jest optymalny dobór materiałów konstrukcyjnych oraz parametrów urządzeń, zapewniający bezawaryjną ich pracę. Prawidłowa eksploatacja nie jest z kolei możliwa bez dogłębnej znajomości praw i zasad, jakim podlega niezawodność urządzeń elektroenergetycznych. Ustalenie właściwych metod eksploatacji jest możliwe na podstawie wieloletnich obserwacji poszczególnych urządzeń elektroenergetycznych, w tym obejmujących ich awaryjność. Badania takie pozwalają na ustalenie przyczyn awarii, ale także na wskazanie najsłabszych elementów urządzeń oraz najsłabszych urządzeń w sieci elektroenergetycznej. Mimo wielu prac badawczych oraz opracowań naukowych, zagadnienie niezawodności urządzeń i układów elektroenergetycznych nadal nie zostało w pełni rozpoznane. Konieczne są w tym zakresie dalsze analizy i badania zwiększające naszą wiedzę na temat mechanizmów powstawania uszkodzeń. To z kolei będzie podstawą do opracowania metod zmniejszających awaryjność w układach elektroenergetycznych. O wadze problemu świadczy znaczna liczba publikacji na ten temat [2, 5, 7, 8, 13, 16].
Definicja wprowadzona w roku 1974 w dokumencie [15] i powtórzona w wielu dokumentach normalizacyjnych na całym świecie stwierdza, że jako niezawodność należy rozumieć zdolność obiektów do wypełniania zadanych funkcji w określonych warunkach i w wyznaczonym okresie czasu, przy jednoczesnym nieprzekraczaniu dopuszczalnych parametrów. W większości badań „określone warunki” traktuje się jako stałe, zakładając, iż niezawodność jest tylko funkcją czasu. Jest to oczywiście założenie błędne, gdyż czas nie wpływa bezpośrednio na niezawodność obiektów. Zdolność lub brak zdolności obiektu do wypełniania określonych zadań (funkcji) jest wypadkową oddziaływania różnorodnych narażeń wewnętrznych oraz zewnętrznych (środowiskowych). Narażenia te zmieniają się w czasie, przy czym zmiany te mają charakter probabilistyczny. Kolejnym uproszczeniem, prowadzącym do niewłaściwych wniosków badawczych, jest założenie stałej odporności badanych obiektów na narażenia. Tymczasem ze względu na kumulacyjne oddziaływanie narażeń oraz ciągłą zmianę warunków pracy obiektu jego wytrzymałość zmienia się i ma również charakter losowy. Ważne staje się więc ustalenie wzajemnych relacji między chwilową odpornością (wytrzymałością) obiektu a występującym w tej samej chwili narażeniem. Ze względu na problem ze zgromadzeniem wiarygodnych danych empirycznych oraz pracochłonność tego typu badań, zagadnienie to jest zazwyczaj pomijane w pracach dotyczących awaryjności układów i urządzeń elektroenergetycznych.
Czynnikami wpływającymi w zasadniczy sposób na awaryjność układów elektroenergetycznych są narażenia środowiskowe. Ich wpływ na właściwości eksploatacyjne obiektów był znany od dawna. Już w latach 50. oraz 60. XX wieku powstały w wielu krajach akty normalizacyjne dotyczące badań środowiskowych, pozwalających na sprawdzenie, czy obiekt będzie zdolny do wykonywania swoich zadań w sposób niezakłócony, jeżeli określone narażenia środowiskowe będą na niego oddziaływały z określonym natężeniem oraz przez określony czas. W literaturze naukowo-technicznej jest aktualnie niewiele opracowań na temat wpływu warunków środowiskowych (np. klimatycznych) na pracę układów elektroenergetycznych [6, 18]. Znacznie częściej analizuje się wpływ pogody na zmienność obciążeń elektrycznych lub produkcję energii w źródłach odnawialnych (elektrownie fotowoltaiczne, elektrownie wiatrowe), np. [4, 12, 17]. Jeżeli prowadzone są już badania dotyczące wpływu czynników środowiskowych na awaryjność układów elektroenergetycznych, to zazwyczaj brane są pod uwagę dwa aspekty: wpływ temperatury i łączny wpływ pozostałych narażeń środowiskowych [8, 9, 14, 15]. Tymczasem, jak pokazują statystyki awaryjności urządzeń elektroenergetycznych, skutki oddziaływania takich czynników jak: wyładowania atmosferyczne, wiatr, wilgotność powietrza, oblodzenie i sadź, są bardzo duże. Istnieje więc konieczność prowadzenia szczegółowych analiz oraz zbadania niezależnie wpływu poszczególnych czynników na powstawanie uszkodzeń obiektów elektroenergetycznych. Poważnym problemem, który może się w tym przypadku pojawić, jest – o czym już wcześniej wspomniano – brak wiarygodnych danych, na podstawie których mogłaby być przeprowadzona taka analiza. W oficjalnych statystykach awaryjności, prowadzonych przez spółki dystrybucyjne, bardzo rzadko jako przyczynę uszkodzenia wskazuje się czynnik środowiskowy (wyjątek stanowią wyładowania atmosferyczne oraz oblodzenie i sadź). Elektromonterzy usuwający awarie w sieciach elektroenergetycznych nie posiadają zazwyczaj wystarczającej wiedzy, aby rozpoznać mechanizm uszkodzenia urządzenia. Stąd bardzo często jako przyczynę uszkodzenia w karcie awarii wpisują enigmatyczne stwierdzenie: „procesy starzeniowe” lub „przyczyna nieznana”.
W artykule zaprezentowano ocenę ryzyka uszkodzenia linii napowietrznych SN na skutek oddziaływania na te urządzenia wiatru. Na podstawie badań statystycznych wykazano, że wiatr jest czynnikiem odpowiedzialnym lub też współodpowiedzialnym za powstawanie znacznej części uszkodzeń elektroenergetycznych linii napowietrznych SN.
Wpływ wiatru na pracę urządzeń elektroenergetycznych
Wszystkie napowietrzne obiekty elektroenergetyczne oraz ich części składowe podlegają narażeniom wynikającym z oddziaływania wiatru, przy czym rodzaj i stopień narażenia bywa różny w zależności od rozpatrywanego elementu oraz od miejsca jego eksploatacji (warunków środowiskowych). Skutki narażeń wiatrowych mogą być różne. Generalnie można je podzielić na odwracalne oraz nieodwracalne. Przez pojęcie skutków odwracalnych należy rozumieć zdarzenia odznaczające się tym, że obiekt wraca do stanu zdatności początkowej, gdy narażenie ustąpi (np. zwarcia przemijające w liniach). Uszkodzenia nieodwracalne można z kolei podzielić na nagłe – pochodzące od bardzo silnych narażeń, oraz kumulowane – pochodzące od dużej liczby cykli narażeń o małych lub średnich wartościach.
Zakres prędkości wiatru obserwowanych na Ziemi jest bardzo duży. Maksymalna zmierzona prędkość wiatru w porywie wyniosła ponad 110 m/s (113/33 m/s – Barrow Island, Australia). Największa prędkość wiatru w porywie zmierzona oficjalnie w Polsce wyniosła natomiast 95,83 m/s (stacja meteorologiczna na Śnieżce). Nie są to jednak wartości rekordowe. Znacznie większe wartości osiąga prędkość wiatru w trąbie powietrznej. Największa wartość na Ziemi, zarejestrowana radarem Dopplerowskim, wyniosła ponad 133,33 m/s (Oklahoma, USA), natomiast w Polsce – 102,50 m/s (okolice Lublina). Średnia roczna prędkość wiatru w Polsce wynosi 3–4 m/s. Największe prędkości występują tu późną jesienią, zimą i wczesną wiosną. Wtedy zwykle towarzyszą im ujemne temperatury powietrza czy duża suma opadów atmosferycznych. Takie warunki środowiskowe są niekorzystne i sprzyjają powstawaniu awarii urządzeń elektroenergetycznych, w tym zwłaszcza linii napowietrznych.
Prędkość wiatru ma bezpośredni wpływ na statykę linii, wywołując siły działające na konstrukcje i przewody. Dlatego też wiatr jest czynnikiem wpływającym na wybór rozwiązań konstrukcyjnych elementów linii napowietrznych, takich jak: konstrukcje wsporcze, przewody i izolatory. W przypadku błędnego oszacowania siły parcia wiatru może dojść do poważnych uszkodzeń mechanicznych tych elementów. Duże porywy wiatru przyczyniają się jednak przede wszystkim do powstawania uszkodzeń mechanicznych linii poprzez zerwanie przewodów, uszkodzenie izolatorów, przewrócenie lub złamanie konstrukcji wsporczych (słupów) czy choćby opadnięcie gałęzi (lub upadek całych drzew) na linie elektroenergetyczne [1].
Pod wpływem wiatru przewody wychylają się z właściwego położenia (występującego przy pogodzie bezwietrznej) i mogą nadmiernie zbliżyć się do sąsiednich przewodów fazowych lub do konstrukcji, powodując zwarcia [3]. Szybkie zmiany prędkości wiatru mogą powodować naprężenia mechaniczne w materiałach konstrukcyjnych. Prowadzi to między innymi do osłabienia połączeń, pęknięć oraz złamań [14].
Omawiając wpływ wiatru na pracę urządzeń elektroenergetycznych, nie można pominąć zagadnienia temperatury mas powietrza. Szczególnie niesprzyjające dla urządzeń elektroenergetycznych warunki występują w przypadku wiatru o dużej prędkości oraz bardzo niskiej temperaturze (okres zimowy). Wiatr taki powoduje znacznie szybsze zmniejszenie temperatury elementów konstrukcyjnych, niż miałoby to miejsce przy pogodzie bezwietrznej. Sytuacja taka powoduje z kolei wzrost kruchości materiałów, zwiększenie lepkości i krzepnięcie cieczy, zmniejszenie wytrzymałości mechanicznej oraz kurczenie się materiałów. W wyniku zmiany rozmiarów powstają uszkodzenia mechaniczne, polegające między innymi na zacieraniu się i zakleszczaniu współpracujących części ruchomych. Kurczenie się materiałów, a więc jednocześnie elementów konstrukcyjnych urządzeń, może powodować osłabienie złącz oraz złamania i pęknięcia. Zmiana twardości i wymiarów uszczelek może powodować rozszczelnienie urządzeń. Zwiększa się lepkość smarów oraz olejów, co utrudnia pracę elementów ruchomych, aż do ich uszkodzenia w przypadku zamarznięcia smarów. Pod wpływem ujemnych temperatur zmieniają się parametry elektryczne materiałów, takie jak: przewodność elektryczna, stratność dielektryczna, stała dielektryczna, a także przenikalność magnetyczna [14]. Powyższe zjawiska zależą przede wszystkim od występowania ujemnych temperatur otoczenia, niemniej jednak są znacznie przyspieszane w warunkach, w których przy ujemnej temperaturze występuje wiatr o znacznej prędkości.
Wiatr wpływa również na proces usuwania awarii. Jego duża prędkość może znacznie utrudniać pracę brygad remontowych, co w konsekwencji wydłuża czas trwania awarii. W skrajnych warunkach może w ogóle uniemożliwić przeprowadzenie prac naprawczych [1].
Literatura
- T. Ahmed, K. M. Muttaqi, A. P. Agalgaonkar, Climate change impacts on electricity demand in the State of New South Wales, Australia. Applied Energy Vol. 98 (2012), pages 376 – 383
- R. N. Allan, R. Billinton, Reliability Evaluation of Power Systems. Second edition. Springer, Boston, 2013, ISBN 978-1-4899-1860-4
- J. Arvids, L. Aigars, Weather impacts on the household electric energy consumption. Research for rural development 2016, Vol. 1, pages 248–253
- P. Bolzern, G. Fronza, Role of weather inputs in short-term forecasting of electric load. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, Volume 8, Issue 1, January 1986, Pages 42 – 46
- R. E. Brown, Electric Power Distribution Reliability. CRC Press, Taylor & Francis Group, 2009
- R. J. Campbell, Weather-Related Power Outages and Electric System Resiliency. Congressional Research Service, August 28, 2012
- Choi Ui-Min, Lee June-Seok, Comparative Evaluation of Lifetime of Three-Level Inverters in Grid-Connected Photovoltaic Systems, Energies 2020, 13(5), 1227
- A. Ł. Chojnacki, Chojnacka K. J., Niezawodność elektroenergetycznych sieci dystrybucyjnych. Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2018
- A. Ł. Chojnacki, Kaźmierczyk A., Influence of ambient temperature on the intensity of failures of MV/LV power distribution substations. Logistic No. 6/2014, pages 2610–2618
- A. Ł. Chojnacki, Analiza porównawcza wskaźników oraz właściwości niezawodnościowych elektroenergetycznych linii napowietrznych i kablowych średniego napięcia. Przegląd elektrotechniczny Nr 11/2019, s. 26–30
- A. Ł. Chojnacki, Modele niezawodnościowe linii napowietrznych SN z przewodami gołymi. Elektro Info Nr 5/2016, s. 20-24
- S. Collins, P. Deane, B. Gallachoir, S. Pfenninger, I. Staffell, Impacts of Inter-annual Wind and Solar Variations on the European Power System. Joule Volume 2, issue 10, 17 October 2018, Pages 2076–2090
- M. Johnson, G. Gorospe, J. Landry, A. Schuster, Review of mitigation technologies for terrestrial power grids against space weather effects. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, Volume 82, November 2016, Pages 382–391
- J. Migdalski red., Inżynieria niezawodności – poradnik. ATR Bydgoszcz i Zetom Warszawa, 1992
- Military Standardization Handbook. Reliability Prediction of Electronic Equipment. MIL-HDBK 217B. U.S. Government Printing Office, Washington, 1974
- A. Narimani, G. Nourbakhsh, G. F. Ledwich, G. R. Walker, Optimum electricity purchase scheduling for aggregator storage in a reliability framework for rural distribution networks. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, Volume 94, January 2018, Pages 363 – 373
- N. K. Paliwal, A. K. Singh, N. K. Singh, Short-term Optimal Energy Management in Stand-alone Microgrid With Battery Energy Storage. Archives of Electrical Engineering vol. 67(3), 2018, pp. 499 – 513
- M. Panteli, C. Pickering, S. Wilkinson, R. Dawson, P. Mancarella, Power System Resilience to Extreme Weather: Fragility Modeling, Probabilistic Impact Assessment, and Adaptation Measures. IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 32, Issue 5, Sept. 2017, pages 3747 – 3757
- PN-E 05100-1:1998 Elektroenergetyczne linie napowietrzne. Projektowanie i budowa. Linie prądu przemiennego z przewodami roboczymi gołymi
- PN-EN 1991-1-4:2008 Oddziaływanie na konstrukcję – Część 1-4: Oddziaływanie ogólne – Oddziaływanie wiatru – Polish version of EN 1991-1-4:2005
- PN-EN 50341-1:2013 Elektroenergetyczne linie napowietrzne prądu przemiennego powyżej 1kV – Część 1: Wymagania ogólne – Specyfikacje wspólne – Polish version of EN 50341-1:2012
- PN-EN 50341-2-22:2016 Elektroenergetyczne linie napowietrzne prądu przemiennego powyżej 1 kV – Część 2-22: Krajowe Warunki Normatywne (NNA) dla Polski – based on EN 50341-1:2012
- PN-EN 60652:2006: Badania obciążeniowe konstrukcji wsporczych elektroenergetycznych linii napowietrznych – Polish version of EN 60652:2004
W artykule:
|
StreszczenieW artykule przedstawiono ocenę ryzyka uszkodzenia napowietrznych linii elektroenergetycznych SN na skutek oddziaływania na te urządzenia wiatru o zmiennych prędkościach. Przedstawiono statystyczną metodę oceny niezawodności obiektów elektroenergetycznych w warunkach zmiennej wytrzymałości obiektu oraz przy zmiennych wartościach narażeń. Na podstawie wieloletnich obserwacji prędkości wiatru oraz awaryjności linii SN wykazano, że wiatr jest czynnikiem powodującym uszkodzenia lub też czynnikiem współodpowiedzialnym za uszkodzenia w co dziesiątej awarii tych urządzeń. |
