Wielonapięciowe, elektroenergetyczne linie napowietrzne wysokich i najwyższych napięć

Energia elektryczna wytwarzana jest głównie w bardzo dużych elektrowniach (węglowych, atomowych, wodnych, wiatrowych) i aby trafić do odbiorców musi zostać przesłana poprzez system elektroenergetyczny. Składa się on ze stacji elektroenergetycznych połączonych między sobą napowietrznymi liniami elektroenergetycznymi. Istotną cechą systemu elektroenergetycznego jest to, że poszczególne jego fragmenty mogą pracować na różnych napięciach.

Spis treści

1. Linie napowietrzne wielonapięciowe – co to takiego?
2. W jakim celu stosuje się linie wielonapięciowe?
3. Czym różnią się linie wielonapięciowe WN i NN od tradycyjnych rozwiązań?
4. Rozwiązania techniczne przy projektowaniu linii wielonapięciowych
5. Zalety i wady napowietrznych linii wielonapięciowych
6. Eksploatacja linii wielotorowych i wielonapięciowych
7. Przyszłość linii wielonapięciowych

Linie napowietrzne wielonapięciowe – co to takiego?

Najczęściej spotykanymi liniami w systemach elektroenergetycznych, niezależnie od kraju i operatora przesyłowego czy dystrybucyjnego, są linie napowietrzne wysokiego napięcia jednotorowe lub dwutorowe. W przypadku typowych linii dwutorowych napięcie znamionowe obydwu torów jest zazwyczaj takie samo a poszczególne tory są wprowadzone do tej samej stacji lub różnych stacji w zależności od połączeń systemowych. W sytuacji kiedy na jednych konstrukcjach wsporczych linii należy zastosować więcej niż dwa tory prądowe oraz gdy tory te pracują na różnych napięciach znamionowych, mamy do czynienia z liniami wielotorowymi, wielonapięciowymi.

• Przewody w napowietrznych liniach energetycznych
• Od czego zależy jakość energii elektrycznej?
• Jakie są metody kompensacji mocy biernej, jakie urządzenia stosować?

Liczba torów prądowych oraz ich napięcie znamionowe zależą od indywidualnych potrzeb przesyłowych operatora sieciowego. Spotykane są również rozwiązania polegające na tym, że poszczególne tory prądowe są elementem sieci będącej w eksploatacji różnych operatorów np. operatora systemu elektroenergetycznego oraz operatora dystrybucyjnego. W liniach wielotorowych, wielonapięciowych poszczególne tory prądowe mogą mieć również różne funkcje, tzn. część torów może pełnić role linii systemowych a część może np. łączyć autotransformatory z sąsiednimi rozdzielniami. W pewnym sensie linią wielonapięciową można nazwać linię dwutorową, której jeden tor czasowo pracuje na innym (mniejszym) napięciu niż zostało to pierwotnie zaprojektowane. Taka sytuacja często ma obecnie miejsce w Polsce przy budowie nowych dwutorowych linii 400 kV. Rozłożony w czasie proces budowy wielu nowych połączeń liniowych 400 kV pomiędzy poszczególnymi stacjami elektroenergetycznymi oraz budowa nowych lub rozbudowa istniejących stacji sprawia, że w stanach przejściowych jeden tor pracuje na napięciu 400 kV a drugi tor na napięciu 220 kV. W stanie docelowym następuje wprowadzenie toru uprzednio pracującego na napięciu 220 kV na rozdzielnię 400 kV i obydwa tory pracują wtedy na napięciu 400 kV. W takiej sytuacji zmiana napięcia pracy toru (pracującego wcześniej na napięciu 220 kV) na 400 kV nie wymaga zmian w konstrukcji całej linii.

W jakim celu stosuje się linie wielonapięciowe?

W praktyce linie wielotorowe, wielonapięciowe stosuje się w miejscach gdzie nie ma możliwości wybudowania nowej linii napowietrznej ze względu na istniejące zagospodarowanie terenu. Oczywiście pojawia się pytanie, czy na danym terenie zamiast linii napowietrznej można zastosować linię kablową? Argumenty jakie pojawiają się za linią kablową jest to, że umieszczona jest ona pod ziemią i nie ogranicza zagospodarowania terenu, zajmuje mniej terenu niż linia napowietrzna, nie oddziałuje na środowisko, nie jest wymagane uzyskanie decyzji środowiskowej na jej budowę. Okazuje się, że nie wszystkie te argumenty są prawdziwe albo nie zawsze są prawdziwe.

Zastosowanie linii kablowej 110 kV zamiast napowietrznej jest w praktyce możliwe do zrealizowania obecnie i często stosuje się takie rozwiązania szczególnie na terenach miast i terenach zabudowanych. W przypadku systemowych linii 400 kV sytuacja wygląda już zupełnie inaczej, ponieważ bardzo duża wymagana obciążalność prądowa takich linii (3100 A) narzuca konieczność zastosowania 3 kabli dla jednej fazy. Poszczególne kable muszą być od siebie na tyle oddalone, aby nie dochodziło do przekroczenia dopuszczalnej temperatury żyły roboczej, a tym samym do uszkodzenia izolacji kabla. W przypadku trzytorowej linii kablowej szerokość pasa terenu zajętego przez linię kablową staje się porównywalna z szerokością linii napowietrznej. Dodatkowym mankamentem linii kablowych jest to, że na obszarze zajętym przez linię nie mogą być zlokalizowane żadne obiekty budowlane oraz drzewa, co oznacza wyłączenie takiego obszaru z jakiegokolwiek innego użytkowania. Bardzo duży prąd fazowy linii 400 kV skutkuje bardzo dużym oddziaływaniem pola magnetycznego na powierzchnią terenu i w celu zachowania maksymalnego natężenia pola magnetycznego 60A/m kable należy ułożyć na większej głębokości, co jeszcze bardziej pogarsza jego warunki chłodzenia.

Powyższe uwarunkowania sprawiają, że w niektórych sytuacjach linia wielotorowa, wielonapięciowa jest optymalnym rozwiązaniem, szczególnie przy podejściu wielu linii do stacji elektroenergetycznych.

Czym różnią się linie wielonapięciowe WN i NN od tradycyjnych rozwiązań?

Pod względem zapewnienia odpowiedniej niezawodności dostaw energii elektrycznej do odbiorców najlepszy rozwiązaniem było by zapewnienie odpowiedniej liczby połączeń jednotorowych pomiędzy poszczególnymi stacjami elektroenergetycznymi. W razie konieczności wyłączenia jednej z linii, zasilanie stacji mogłoby się odbywać drugą lub nawet trzecią linią bez pogorszenia niezawodności dostaw. Rozwiązanie takie jest bardzo dobre pod względem eksploatacyjnym, ale wiąże się z koniecznością poniesienia znacznych nakładów finansowych na etapie projektowania i budowy. Rozsądnym kompromisem jest zatem stosowanie linii dwutorowych, które są tańszym rozwiązaniem niż budowa dwóch jednotorowych linii i umożliwiają wykonanie układu sieci zasilających kilka stacji elektroenergetycznych.

Linie wielotorowe, wielonapięciowe to linie napowietrzne składające się przynajmniej z trzech torów prądowych, przy czym każdy z torów może pracować na tym samym lub rożnym napięciu znamionowym. Relacje poszczególnych torów są zazwyczaj różne i wynikają z indywidualnych uwarunkowań systemowych. W liniach wielonapięciowych tory prądowe pracujące na wyższym napięciu umieszczane są nad torami pracującymi na napięciu niższym. Można spotkać linie, których poszczególne tory pracują na napięciu np. 400/220kV, 400/220/110 kV, 400/110kV.

Rozwiązania techniczne przy projektowaniu linii wielonapięciowych

Projektowanie słupów linii wielotorowych, wielonapięciowych różni się nieco od projektowania typowych konstrukcji linii jednotorowych czy dwutorowych. Przed przystąpieniem do właściwego projektowania słupów należy określić podstawowe założenia projektowe, tj:

• liczba torów,
• napięcia pracy poszczególnych torów,
• typ przewodów fazowych i odgromowych,
• rodzaj izolacji (szklana, porcelanowa, kompozytowa),
• długości przęseł (wiatrowe, gabarytowe, ciężarowe).

Ważną kwestią jest odpowiedni dobór przewodów fazowych dla poszczególnych torów ponieważ na różnych poziomach napięć stosuje się różne ich typy. W torach 400 kV standardowym rozwiązaniem jest wiązka trójprzewodowa z przewodów 468/24-A1F/UHST-261, natomiast w torach 220 kV standardowo stosuje się jeden przewód typu 520-AL1/67-ST1A. W torach 110 kV można stosować różnego rodzaju przewody fazowe np. AFL-6 240 mm², AFLs-10 300 mm², 311-A1F/32-20ST1A, 357-AL1/46-ST1A, 520-AL1/67-ST1A, a nawet przewody wiązkowe analogicznie jak w liniach 400 kV.

Zastosowanie różnych typów przewodów w poszczególnych torach prądowych wymaga odpowiedniego skoordynowania zwisów tych przewodów tak, aby zachowane zostały minimalne wewnętrzne odległości elektryczne w różnych temperaturach i przypadkach obciążeniowych, np.:

• maksymalna i minimalna temperatura przewodów,
• maksymalne obciążenie oblodzeniem,
• nierównomierne obciążenie oblodzeniem przewodów, tzw. podskok przewodu itp.

Zdarzają się również sytuacje, w których niezależnie od poziomu napięcia poszczególnych torów prądowych, stosuje się takie same typy przewodów fazowych, zazwyczaj takie jak w torze o najwyższym napięciu. Pozwala to uniknąć problemów związanych z koordynacją zwisów występującą przy różnych typach przewodów i jednocześnie ujednolica rozwiązania techniczne w całej linii.

Obliczenia konstrukcji słupów wielotorowych i wielonapięciowych są znacznie bardziej skomplikowane od obliczeń tradycyjnych słupów, ponieważ muszą uwzględniać obciążenia od każdego toru prądowego według wymagań normy oraz dodatkowo muszą uwzględniać różne kombinacje zerwań poszczególnych faz i torów prądowych. W liniach trzytorowych lub czterotorowych mamy do czynienia z kilkuset przypadkami obliczeniowymi, które muszą być starannie przygotowane i zamodelowane z wykorzystaniem odpowiedniego oprogramowania.

Zalety i wady napowietrznych linii wielonapięciowych

Najważniejszą zaletą linii wielotorowych, wielonapięciowych jest możliwość prowadzenia wielu torów prądowych (trzech, czterech lub nawet więcej) w tym samym pasie technologicznym co linia jednotorowa lub dwutorowa. Pozwala to na realizację budowy nowego połączenia liniowego pomiędzy stacjami elektroenergetycznymi w terenie gęsto zabudowanym, w sytuacji kiedy nie ma możliwości budowy nowej linii po nowej trasie. Linia wielotorowa, wielonapięciowa często pozwala uniknąć konieczności budowy linii kablowej, która jest znacznie droższym rozwiązaniem technicznym od linii napowietrznej.

Linie wielonapięciowe mają również bardzo istotne wady, które sprawiają, że rozwiązania tego typu stosowane są tylko w ostateczności, czyli wtedy kiedy nie ma innej możliwości zrealizowania połączenia liniowego. Do najpoważniejszych wad linii wielotorowych, wielonapięciowych należy zaliczyć znaczne zmniejszenie niezawodności dostaw energii elektrycznej w przypadku konieczności wyłączenia linii oraz znacznie większą wysokość konstrukcji słupów w porównaniu z tradycyjnymi liniami jednotorowymi czy dwutorowymi i tym samym większą ingerencję w krajobraz.

• Jakie są wymagania dla urządzeń i instalacji elektroenergetycznych?

W przypadku konieczności przeprowadzenia prac konserwacyjnych, naprawczych czy też przebudowy fragmentu linii wielonapięciowej (np. ze względu na budowę drogi) zachodzi konieczność wyłączenia jednocześnie wszystkich torów prądowych w linii czyli dochodzi do znacznej ingerencji w pracę systemu energetycznego w skali lokalnej, a to istotnie wpływa na zmniejszenie niezawodności dostaw energii. W przypadku wyłączenia linii wielotorowej, wielonapięciowej znacząco zmienia się lokalny rozpływ mocy w sieci elektroenergetycznej, powodując zwiększenie obciążenia w pozostałych liniach. Z tego powodu bardzo trudno uzyskać zgodę na wyłączenie linii przez operatora systemowego, a często wyłączenie linii możliwe jest do realizacji tylko w okresie kiedy temperatura otoczenia nie przekracza 10-20 °C.

Umieszczenie wielu torów prądowych na jednym słupie nieuchronnie związane jest ze znacznym zwiększeniem jego wysokości. Wynika to przede wszystkim z tego, że zazwyczaj jeden tor jest umieszczony nad drugim. Oznacza to, że linie wielotorowe, wielonapięciowe to zazwyczaj bardzo wysokie obiekty, które dominują w krajobrazie i mogą stanowić przeszkodę dla migrujących ptaków oraz mogą być zagorzeniem dla samolotów szczególnie, jeżeli w pobliżu takiej linii znajduje się lotnisko.

Wysokie konstrukcje słupów linii wielonapięciowych wymagają odpowiednio dużych fundamentów. Ze względu na występujące znaczne obciążenia od przewodów wielu torów nie ma możliwości stosowania fundamentów prefabrykowanych, a to oznacza konieczność stosowania fundamentów terenowych lanych, a nawet fundamentów palowych, co znacznie podraża koszty realizacji budowy takiej linii.

Stosowanie linii wielotorowych, wielonapięciowych jest niekorzystne dla pracy systemu elektroenergetycznego ze względu na powstającą niesymetrię napięć w poszczególnych torach. Zjawisko to jest szczególnie odczuwalne w liniach mocno obciążanych czyli wyprowadzających moc z dużych stacji elektroenergetycznych zlokalizowanych przy elektrowniach, ponieważ już kilkukilometrowy odcinek takiej linii może w pewnych warunkach generować zbyt dużą niesymetrię napięć.

Eksploatacja linii wielotorowych i wielonapięciowych

Wykonywanie niektórych prac eksploatacyjnych na tego typu liniach wymaga wyłączenia sąsiednich torów, co jak już wspomniano wcześniej może być trudne w realizacji. Częściowym rozwiązaniem tego problemu może być wykonywanie prac w technologii prac pod napięciem. O ile wymiana izolatorów lub wymiana przewodu odgromowego jest realna do wykonania w tej technologii, to już regulacja zwisów lub naprawa uszkodzonych przewodów fazowych (stosowanie oplotów naprawczych, wymiana uchwytów odciągowych) wymaga wyłączenia linii. Pozostałe prace eksploatacyjne na liniach wielonapięciowych nie różnią się zasadniczo od prac na typowych liniach.

Eksploatacja linii wielonapięciowych jest dodatkowo utrudniona, w przypadku kiedy poszczególne tory napięciowe są w eksploatacji różnych operatorów czy spółek dystrybucyjnych. Wyłączenie takiej linii wymaga wówczas współpracy i wzajemnego uzgodnienia, co nie zawsze jest możliwe ze względu na warunki ruchowe sieci poszczególnych operatorów.

Przyszłość linii wielonapięciowych

Stosowanie linii wielotorowych, wielonapięciowych jest uzasadnione w przypadku braku miejsca na budowę nowej linii ze względu na istniejące zagospodarowanie terenu. Z takimi sytuacjami mamy do czynienia w przypadku stacji elektroenergetycznych zlokalizowanych w sąsiedztwie dużych miast i obszarów przemysłowych. Budowa linii wielonapięciowej w zależności od indywidualnych uwarunkowań, może być tańszym rozwiązaniem niż budowa linii kablowej, np. budowa linii 400 kV po trasie istniejącej linii 220 kV lub 110 kV. Niemniej jednak ze względu na swoje istotne wady w praktyce budowa tego typu linii ma uzasadnienie jedynie w szczególnych przypadkach. Biorąc pod uwagę intensywny rozwój terenów wokół miast oraz planowany rozwój sieci elektroenergetycznej w Polsce, stosowanie linii wielonapięciowych jest uzasadnione i tego typu rozwiązania będą stosowane coraz częściej.