Niezawodność napowietrznych linii dystrybucyjnych 110 kV, SN oraz nn
Analiza porównawcza
Niezawodność napowietrznych linii dystrybucyjnych 110 kV, SN oraz nn, fot. Pixabay
Linie napowietrzne eksploatowane w sieciach dystrybucyjnych są bardzo ważnym elementem złożonego systemu dostaw energii elektrycznej. Ich właściwości niezawodnościowe w znacznej mierze wpływają na jakość i niezawodność zasilania odbiorców w energię elektryczną. W artykule przedstawione zostały wyniki analiz niezawodnościowych dotyczących linii 110 kV, SN oraz nn. Przeprowadzone badania obejmują analizę sezonowości oraz przyczyn awarii, określenie wpływu temperatury otoczenia na intensywność uszkodzeń linii, modele statystyczne czasu odnowy, czasu trwania wyłączeń awaryjnych, czasu przerw w zasilaniu odbiorców, a także ilości energii elektrycznej niedostarczonej do odbiorców.
Aktualnie w krajowym systemie elektroenergetycznym większość linii 110 kV stanowi część układu przesyłowego energii elektrycznej. Tylko nieliczna ich część stanowi integralną część układów dystrybucyjnych. Sytuacja ta ulega jednak ciągłej zmianie, gdyż docelowo praktycznie wszystkie linie 110 kV mają wejść w skład sieci dystrybucyjnych. Poziom napięć 110 kV ma zostać stopniowo wyeliminowany z sektora przesyłu energii elektrycznej.
Głównymi odbiorami przyłączonymi do terenowych sieci 110 kV są komunalne sieci SN, duże zakłady przemysłowe, trakcja PKP oraz inne obiekty o znacznym poborze mocy. Energia jest do nich dostarczana za pośrednictwem transformatorów 110 kV/SN. Inną grupą odbiorów przyłączonych do sieci 110 kV są odbiory posiadające własne elektrownie lub elektrociepłownie. Ze względu na znaczną moc oddawaną do sieci są one często przyłączane do sieci 110 kV.
W przypadku małych miast sieć 110 kV jest siecią zasilającą miasto lub siecią zasilająco-rozdzielczą. W przypadku dużych miast pełni rolę funkcji rozdzielczej, bowiem przy dużych obciążeniach sieć SN jest niewystarczająca.
Ciągi liniowe sieci 110 kV budowane są jako jedno- lub dwutorowe. Bardzo rzadko spotykanym rozwiązaniem jest linia trzy- lub czterotorowa. Układ taki spotykany jest najczęściej na wyprowadzeniach stacji NN/110 kV. W liniach 110 kV najczęściej stosowanymi przekrojami przewodów są: 240, 350 oraz 525 mm2 AFL [7, 10]. Jako konstrukcje wsporcze w liniach 110 kV stosuje się powszechnie słupy stalowe kratowe, zwłaszcza B2 oraz OS24. W ostatnich latach wykorzystywane są coraz częściej słupy strunobetonowe oraz stalowe rurowe.
W krajowych spółkach dystrybucyjnych do budowy linii napowietrznych SN powszechnie wykorzystywane są przewody aluminiowe oraz stalowo-aluminiowe. Przewody aluminiowe, ze względu na małą wytrzymałość mechaniczną, znajdują zastosowanie jedynie przy małych rozpiętościach przęseł. Przewody stalowo-aluminiowe są natomiast stosowane bez ograniczeń we wszystkich liniach napowietrznych SN. Wyjątkowo w liniach SN stosowane są także przewody miedziane.
Linki aluminiowe skręcane są z określonej liczby drutów (7, 19, 37, 61), która to liczba zależna jest od przekroju. Linki stalowo-aluminiowe posiadają rdzeń z drutu lub linki stalowej, na którym jako oplot umieszcza się druty aluminiowe. Stosunek przekroju Fe do przekroju Al jest różny w zależności od konstrukcji przewodu. Przy dużych rozpiętościach oraz w warunkach dużego zagrożenia sadzią stosuje się przewody o stosunku 1/4. W warunkach normalnych zaleca się wykorzystanie przewodów o stosunku 1/6. Jedynie tam, gdzie przęsła są krótkie, a zagrożenie sadzią znikome, można stosować przewody o stosunku 1/8.
Aktualnie w sieciach dystrybucyjnych SN stosowane są przewody o przekrojach: 16, 25, 35, 50, 70, 95, 120, 150, 185, 240, 300 mm2.
W liniach napowietrznych SN stosowane są także tzw. przewody przeciwdrganiowe. Zbudowane są one w taki sposób, że rdzeń stalowy umieszczony jest wewnątrz przewodu, nie wypełniając go całkowicie. Powoduje to, iż w trakcie drgań zderza się on z przewodami roboczymi, co z kolei tłumi drgania.
W sieciach dystrybucyjnych SN eksploatowane są niekiedy przewody wykonane ze stopów aluminium, zastępujące tradycyjne przewody stalowo-aluminiowe. Jako jeden z pierwszych stosowany był stop ALFeMg. W ostatnich latach coraz częściej stosowane są przewody wykonane ze stopu ALMgSi. Mają one bardzo dużą wytrzymałość mechaniczną, są jednak bardzo drogie. Zaletą przewodu wykonanego ze stopu jest brak korozji rdzenia stalowego, zmniejszenie rezystancji przewodu oraz wyeliminowanie miękkich i podatnych na uszkodzenia drutów aluminiowych.
Od lat 90. XX wieku obserwuje się stały wzrost zainteresowania izolowanymi liniami średniego napięcia. Są to specyficzne linie napowietrzne, w których – zamiast przewodów gołych – stosuje się przewody izolowane warstwą materiału elektroizolacyjnego stałego. Następstwem tej pozornie niewielkiej modyfikacji konstrukcyjnej linii tradycyjnych są zasadnicze zmiany w ich budowie, montażu i eksploatacji oraz nowe cechy użytkowe i właściwości eksploatacyjne.
Jako konstrukcje wsporcze w liniach SN stosuje się powszechnie żerdzie strunobetonowe BSW oraz żelbetowe ŻN (występują też stare konstrukcje DANA). W ostatnich latach wykorzystywane są coraz częściej żerdzie wirowane E lub EM (ewentualnie czeskie i słowackie żerdzie EPV).
W krajowych spółkach dystrybucyjnych do budowy linii napowietrznych nn powszechnie wykorzystywane są przewody aluminiowe oraz bardzo rzadko miedziane. W wyjątkowych przypadkach stosuje się także przewody stalowo-aluminiowe. W sieciach nn wykorzystywane są przewody (głównie jednometalowe) o konstrukcjach identycznych jak przewody wykorzystywane w sieciach SN.
Aktualnie w sieciach dystrybucyjnych nn stosowane są przewody o przekrojach: 16, 25, 35, 50 oraz 70 mm2. W sporadycznych przypadkach także 95 i 120 mm2.
W liniach niskiego napięcia coraz powszechniej stosowane są przewody izolowane. Mają one charakter przewodów pełnoizolowanych, tak więc mogą być skręcane w wiązkę. Produkowane są także przewody izolowane wielożyłowe. Przewody izolowane są znacznie droższe od przewodów gołych, jednak do ich montażu nie jest wymagany zakup takich elementów jak izolatory i poprzeczniki. Łączny koszt budowy jest więc w tym przypadku tylko nieznacznie wyższy niż koszt budowy linii z przewodami gołymi, przy znacznie mniejszej liczbie zakłóceń (zwłaszcza przemijających) podczas pracy. W wielu przypadkach jako izolowane budowane są przyłącza, nawet gdy pień linii (linia magistralna) wykonany jest w oparciu o przewody gołe. Podstawowym materiałem elektroizolacyjnym stałym i osłonowym dla przewodów w liniach izolowanych nn jest obecnie polietylen usieciowany (XLPE). Głównym typem przewodów izolowanych, wykorzystywanym do budowy linii nn, jest przewód aluminiowy AsXS(n). Przewód ten produkowany jest o przekrojach 16, 25, 35, 50, 70, 95 i 120 mm2.
Jako konstrukcje wsporcze w liniach nn stosuje się powszechnie żerdzie żelbetowe ŻN (również pozostałości słupów DANA i ALA). W ostatnich latach wykorzystywane są coraz częściej żerdzie wirowane E lub EM (ewentualnie czeskie i słowackie żerdzie EPV).
W niniejszym artykule autor zaprezentował wyniki analizy parametrów oraz właściwości niezawodnościowych dystrybucyjnych linii napowietrznych 110 kV, SN oraz nn. Przeprowadzone badania obejmowały takie zagadnienia, jak: sezonowość i przyczyny awarii, skutki awarii (uszkodzony element linii) oraz wpływ temperatury otoczenia na intensywność awarii. Na podstawie danych empirycznych przeprowadzona została weryfikacja parametryczna oraz nieparametryczna czasu trwania awarii, czasu trwania wyłączeń awaryjnych, czasu trwania przerw w zasilaniu oraz energii elektrycznej niedostarczonej do odbiorców. Wszystkie analizy przeprowadzone zostały na poziomie istotności α = 0,05.
Analiza sezonowości oraz przyczyn awarii
Obserwacja zawodności linii 110 kV obejmuje okres 9 lat, linii SN – 15 lat, natomiast linii nn – 10 lat. Obserwacje miały miejsce na terenie dużej spółki dystrybucyjnej energii elektrycznej w kraju. Na początku obserwacji istniało w tej spółce łącznie 1307 km napowietrznych linii 110 kV, 1050 km linii napowietrznych gołych SN, 19,55 km linii napowietrznych izolowanych SN oraz 1494,90 km linii nn z przewodami gołymi i 99,10 km linii nn z przewodami izolowanymi. Na koniec obserwacji długości te wynosiły odpowiednio: 1453 km linii 110 kV, 1211 km linii napowietrznych gołych SN, 91,32 km linii napowietrznych izolowanych SN oraz 1383 km linii nn z przewodami gołymi i 377 km linii nn z przewodami izolowanymi. Długości linii w kolejnych latach obserwacji zostały przedstawione w tabeli 1.
W tabeli 2. przedstawiona została częstość uszkodzeń linii napowietrznych w poszczególnych miesiącach roku. Dane te w postaci histogramu oraz funkcje aproksymacyjne przedstawione zostały na rysunku 1.
Tab. 1. Długości obserwowanych linii dystrybucyjnych napowietrznych w kolejnych latach obserwacji, w [km]
Tab. 2. Częstość awarii dystrybucyjnych linii napowietrznych w poszczególnych miesiącach roku, w [%]
Rys. 1. Wartości empiryczne i funkcje aproksymacyjne sezonowej zmienności częstości awarii napowietrznych linii dystrybucyjnych: a) 110 kV, b) gołych SN, c) niepełnoizolowanych SN, d) gołych nn, e) izolowanych nn, rys. A.Ł. Chojnacki
Literatura
- J.R. Barra, Matematyczne podstawy niezawodności, PWN, Warszawa 1982.
- A.Ł. Chojnacki, A. Kaźmierczyk, Wpływ temperatury otoczenia na intensywność awarii stacji transformatorowo-rozdzielczych SN/nN, Logistyka Nr 6/2014, s. 2610-2618.
- A.Ł. Chojnacki, Analiza niezawodności eksploatacyjnej elektroenergetycznych sieci dystrybucyjnych, Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2013.
- A.Ł. Chojnacki, Analiza niezawodności stacji transformatorowo-rozdzielczych SN w warunkach eksploatacji, Archiwum Energetyki tom XXXVII (2006), Nr 2, s. 147 – 168.
- J. Greń, Modele i zadania statystyki matematycznej, PWN, Warszawa 1982
- Z. Kowalski, Niezawodność zasilania odbiorców energii elektrycznej, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 1992.
- S. Kujszczyk, Elektroenergetyczne sieci rozdzielcze, tom I. PWN, Warszawa 1994.
- A. Majcherczyk, A.Ł. Chojnacki, Analiza czasów trwania przerw w zasilaniu odbiorców w przypadku awarii urządzeń stacji transformatorowo-rozdzielczych SN/nN miejskich oraz wiejskich, VII Konferencja Naukowa PTETiS „Postępy w elektrotechnice stosowanej”, Kościelisko, 22-26 czerwca 2009, s. 169-172.
- J. Maksymiuk, Niezawodność maszyn i urządzeń elektrycznych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2003.
- J. Marzecki, Miejskie sieci elektroenergetyczne, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1996.
- J. Migdalski, red., Poradnik niezawodności, Podstawy matematyczne. Wydawnictwo Przemysłu Maszynowego „WEMA”, Warszawa 1982.
- Popczyk J., Modele probabilistyczne w sieciach elektroenergetycznych. WNT, Warszawa 1991.
- J. Sozański, Niezawodność i jakość pracy systemu elektroenergetycznego, WNT, Warszawa 1990.
- J. Sozański, Niezawodność zasilania energią elektryczną, WNT, Warszawa 1982.
- Z. Wróblewski, Wielowariantowa metoda prognozowania niezawodności styczników elektromagnetycznych prądu przemiennego z bieżącej produkcji. Prace naukowe Instytutu Energoelektryki Politechniki Wrocławskiej, Wydawnictwa Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1988.
W artykule:
|
StreszczenieLinie napowietrzne eksploatowane w sieciach dystrybucyjnych są bardzo ważnym elementem złożonego systemu dostaw energii elektrycznej. Ich właściwości niezawodnościowe w znacznej mierze wpływają na jakość i niezawodność zasilania odbiorców energią elektryczną. W artykule przedstawione zostały wyniki analiz niezawodnościowych dotyczących linii 110 kV, SN oraz nn. Przeprowadzone badania obejmują analizę sezonowości oraz przyczyn awarii, określenie wpływu temperatury otoczenia na intensywność uszkodzeń linii, modele statystyczne czasu odnowy, czasu trwania wyłączeń awaryjnych, czasu przerw w zasilaniu odbiorców, a także ilości energii elektrycznej niedostarczonej do odbiorców. |
