Zastosowanie linii tymczasowej jako elementu optymalizacji pracy sieci przesyłowej

fot. dno1967b/CC/Flickr

Linie tymczasowe są zbudowane głównie na bazie jednotrzonowych słupów zestawionych z lekkich segmentów, bez fundamentów, z odciągami z lin stalowych. Są ustawiane w krótkim czasie, na dowolnym terenie. Pozwalają na szybkie przywrócenie zasilania w stanach awaryjnych i umożliwiają przebudowy i modernizacje linii bez narażania odbiorców na utratę zasilania. Wykorzystywane do ochrony infrastruktury krytycznej pozwalają jednocześnie na optymalizację pracy sieci przesyłowej.

Linie tymczasowe to linie elektroenergetyczne o prostej budowie słupów i krótkim czasie montażu (przeciętnie do 4h) służące do chwilowego zastąpienia linii przesyłowej, której funkcje zostały zdekomponowane na skutek awarii, żywiołu, degradacji wytrzymałości mechanicznej i elektrycznej lub wysokiego prawdopodobieństwa utraty zasilania mogącego narazić bezpieczeństwo wielu ludzi.

Przydatność linii tymczasowych potwierdza praktyka wielu energetyk na świecie, a przeprowadzone w Polsce EURO’2012 uwypukliło konieczność ochrony infrastruktury krytycznej na najwyższym osiągalnym technicznie poziomie [1-4].

Jednocześnie dostrzeżono potencjalne funkcje linii tymczasowych jako wspomaganie procesów inwestycyjnych bez obniżania poziomu pewności zasilania odbiorców, a więc utrzymania deklarowanego umownie bezpieczeństwa dostaw energii.

Zastosowanie linii tymczasowych jest jednym z istotnych elementów ochrony infrastruktury krytycznej, którą buduje się w celu priorytetowego utrzymania zasilania odbiorców. Takie podejście sprzyja optymalizacji pracy sieci będące korzystnym rozwiązaniem zarówno dla odbiorców jak i operatorów sieciowych. Poprawa efektywności w dłuższej perspektywie pozwala na racjonalne utrzymanie kosztów eksploatacji i modernizacji sieci elektroenergetycznych. 

Optymalizacja pracy sieci przesyłowej jako infrastruktury krytycznej 

W Polsce ustawa z dnia 26 kwietnia 2007 r. o zarządzaniu kryzysowym wprowadziła pojęcie infrastruktury krytycznej oraz jej ochrony [1, 2]. Pojęcie to, używane w Polsce od niedawna, pojawiło się w ostatnich latach również za sprawą naszej przynależności do Unii Europejskiej oraz NATO i wynikającej stąd konieczności adaptowania na nasz grunt nie tylko terminologii, ale stosownych rozporządzeń i decyzji. Pojęcie infrastruktury krytycznej obejmuje dotychczas stosowane w oficjalnych dokumentach definicje „obiekty szczególnie ważne dla bezpieczeństwa państwa i obronności”, ale również systemy oraz wchodzące w ich skład powiązane ze sobą funkcjonalnie obiekty, w tym obiekty budowlane, urządzenia, instalacje, usługi istotne z punktu widzenia bezpieczeństwa obywateli, a także służące zapewnieniu sprawnego funkcjonowania organów administracji publicznej, instytucji i przedsiębiorców.

To szerokie pojęcie obejmuje więc systemy zaopatrzenia w energię i paliwa, łączności i sieci teleinformatyczne, systemy finansowe, zaopatrzenia w żywność i wodę, ochrony zdrowia, transportowe i komunikacyjne, ratownicze, zapewniające ciągłość działania administracji publicznej, produkcji, składowania, przechowywania i stosowania substancji chemicznych i promieniotwórczych, w tym rurociągi substancji niebezpiecznych.

Ochrona infrastruktury krytycznej natomiast jest to zespół przedsięwzięć organizacyjnych realizowanych w celu zapewnienia funkcjonowania lub szybkiego jej odtworzenia na wypadek zagrożeń, w tym awarii, ataków oraz innych zdarzeń zakłócających jej prawidłowe funkcjonowanie. Ochrona powinna więc swoim zakresem obejmować gromadzenie i przetwarzanie informacji dotyczącej infrastruktury krytycznej, przygotowanie i aktualizację planów ochrony, opracowanie i wdrażanie procedur na wypadek wystąpienia zagrożenia dla tej infrastruktury oraz współpracę z administracją publiczną właścicieli, posiadaczy samoistnych i zależnych obiektów, instalacji lub urządzeń infrastruktury krytycznej w zakresie jej ochrony.

Właściciele infrastruktury krytycznej są zobowiązani do: przygotowania i wdrażania, stosownie do zaistniałego zagrożenia, własnych planów ochrony oraz utrzymywania własnych systemów rezerwowych zapewniających bezpieczeństwo i podtrzymujących funkcjonowanie tej infrastruktury do czasu jej pełnego odtworzenia.

Ustawa swym zakresem obejmuje następujące działania:

• przygotowanie wykazu obiektów i systemów rozumianych jako infrastruktura krytyczna,
• analizę ryzyka,
• przygotowanie wykazu zasobów do ochrony infrastruktury,
• zdefiniowanie działań realizowanych w sytuacji zagrożenia,
• zdefiniowanie działań odtwarzających infrastrukturę,
• określenie kanałów komunikacji ze stronami trzecimi.

Przeciwdziałanie rozległym awariom sieci jest przedmiotem licznych analiz, sprzyja doskonaleniu diagnostyki oraz rozwojowi technik o profilaktycznym znaczeniu, jaką niewątpliwie stanowią np. prace pod napięciem. Te działania zbliżają do podjęcia jeszcze bardziej skutecznej ochrony infrastruktury krytycznej [5-11,13].

Specyfika tymczasowego zasilania ma swoje źródło w systemach ERS (Emergency Restoration Systems), zastosowanych przez amerykańskie i kanadyjskie firmy, np. Lindsey i SBB, a w Europie przez holenderską firmę KEMA. Koncepcje ERS są rozwijane od lat 70. ubiegłego stulecia. Tymczasowe techniki utrzymania zasilania obejmują dwie grupy rozwiązań związane z tymczasowymi liniami i przewoźnymi generatorami, polami i stacjami. Te pierwsze zostaną w niniejszym artykule omówione szerzej.

Linie tymczasowe jako wsparcie procesu interwencyjnego przywracania zasilania w stanach awaryjnych sieci 

Przerwy w dostawach energii elektrycznej występowały, występują i będą występować mimo ciągłych wysiłków poprawy niezawodności sieci elektroenergetycznej z powodu silnych, trudno przewidywalnych anomalii pogodowych (rys.1). Każda linia zaprojektowana jest tak, aby wytrzymać obciążenia klimatyczne, jednak w przypadku nagłych zmian warunków pogodowych, których wartości przekraczają wartości krytyczne przyjęte podczas projektowania i budowy linii, może dojść do awarii. Wartości, na które projektowana jest linia są kompromisem pomiędzy ekonomią a niezawodnością i opierają się na aktualnych w okresie projektowania przepisach i normach.

Ogólny wynik strat wynikający z długiego czasu wyłączeń ważnych linii przesyłowych może być znaczny.

Rys.1. Przypadki awarii polskich linii przesyłowych związane z dotkliwą utratą zasilania odbiorców (fot. Archiwum)

W zależności od rozmiaru i w rezultacie konsekwencji awarii linii przesyłowych, straty finansowe mogą wystąpić w elektrowniach, przedsiębiorstwach energetycznych i u odbiorców.

Przykłady bezpośrednich strat przedsiębiorstw to m.in.:

• koszt przywrócenia zasilania,
• wyższe straty sieciowe na innych liniach przesyłowych,
• kary w wyniku niewywiązania się z umów dostaw energii do odbiorców,
• możliwy wyższy koszt generacji lub wyższe koszty elektrowni w wyniku redukcji wytwarzania lub ich zamknięcia.

Doświadczenia wielu operatorów wskazują, że poprawa zasilania terenów silnie zurbanizowanych lub wrażliwych na dostawy energii mogą się odbywać bez pogarszania wskaźników jakościowych tylko dzięki dopuszczaniu rozwiązań tymczasowych (m.in. linii, pól przewoźnych) jako elementów ochrony infrastruktury krytycznej [7-10]. Wymaga to oczywiście dopełnienia szeregu warunków narzuconych wspomnianymi powyżej regulacjami prawnymi.

Linie tymczasowe elementem ochrony infrastruktury krytycznej przy obniżonym poziomie pewności zasilania 

Linie tymczasowe pozwalają na utrzymanie zdolności przesyłowych w systemie ERS (rys. 2) i mogą mieć zastosowanie w następujących procesach eksploatacyjnych:

• wymiana przewodów fazowych danego typu na ten sam typ przewodów (np. w przypadku uszkodzenia),
• wymiana izolacji każdego typu,
• wymiana osprzętu przewodowego i izolatorowego,
• wymiana słupów podczas uszkodzenia wynikającego z ich zniszczenia (niezależnie od przyczyn),
• naprawa sekcji odciągowych,
• remont jednego toru linii na liniach wielotorowych,
• bocznikowanie aparatury lub elementów toru przesyłowego,
• podłączanie i odłączanie przenośnych, przewoźnych generatorów wielkiej mocy.

Tymczasowe techniki utrzymania zdolności przesyłowych w procesach inwestycyjnych mogą być zastosowane do:

• wymiany przewodów danego typu na inny typ przewodów (np. przewody odgromowe na przewody typu OPGW, przewody fazowe tradycyjne na przewody małozwisowe),
• budowy nowych linii w zbliżeniu lub skrzyżowaniu z istniejącymi liniami,
• przebudowy starych linii na nowe o tym samym napięciu,
• przebudowy (w celu zwiększenia zdolności przesyłowych) linii o danym napięciu na linie o napięciu wyższym,
• podniesienia słupów (podczas budowy, przebudowy),
• realizacji tymczasowej linii jako źródła dostawy energii w przypadku budowy, przebudowy, modernizacji,
• realizacji tymczasowej linii w przypadku budowy różnego rodzaju obiektów energetycznych i przemysłowych.

Rys.2. Jedno z zastosowań linii tymczasowej pozwalającej utrzymać zasilanie oraz przykład konstrukcji słupa (z prawej) o dużej wysokości, do 50 m

Oprócz analiz elektrycznych podstawową rolę odgrywają analizy mechaniczne pozwalające dla konkretnych warunków terenowych określić sposoby, kierunki i głębokości zakotwienia tymczasowych konstrukcji i przebiegu całej tymczasowej linii. Oprogramowanie tych obliczeń jest kluczowe dla przygotowania budowy tymczasowej linii.

Zaawansowane wspomaganie linii tymczasowych 

W ostatnich latach obserwuje się wzbogacanie rozwiązań budowy tymczasowych linii poprzez robotyzację prac zastępującą lub wspomagającą ich budowę (rys. 3) oraz zastosowanie zwłaszcza do robót stacyjnych przewoźnych pól aparaturowych lub całych pól. Stosowane są w zależności od potrzeb i indywidualnych projektów systemy mieszane opisanych rozwiązań, m.in. wykorzystania istniejących w pobliżu awaryjnego miejsca linii niedociążonych, spinania linii na przedpolu stacji. Szerokie zastosowanie przewoźnych aparatów i pól na stacjach opisano w publikacjach [9,14].

Rys. 3. Zrobotyzowane ramię izolacyjne pozwalające na odciągnięcie przewodów czynnej linii (źródło: Quanta Services, USA); wybrane oznaczenia:
22 – ramię podnośnika z wstawką izolacyjną (26),
24 – podnośnik, 42 – izolatory

Budowa linii tymczasowych 

Zaletami tymczasowych linii są:

• ich szybki montaż (demontaż),
• kontenerowy sposób składowania,
• ustawianie słupów segmentowych na specjalnej płycie (bez fundamentu) i mocowanie ich do gruntu za pomocą kotew i odciągów linowych,
• uproszczone rozwieszanie przewodów i ich podłączanie,
• możliwość wielokrotnego użycia.

Elementy konstrukcyjne słupów tymczasowych oraz efekt ich montażu z jego osprzętem dla tymczasowych linii zilustrowano na rysunku 4.

Z reguły elementami podstawowymi słupa są segmenty ze stopu aluminium lub stalowe o wadze ok. 100-150 kg i długości ok. 3 m. Podstawę stanowi metalowa płyta o wadze ok. 100 kg. Przewody podobne do zastosowanych na liniach przesyłowych są podtrzymywane poprzez układy izolatorów kompozytowych.

Stosowane są różnego typu przewody, łącznie z przewodami typu OPGW. Słupy utrzymywane są poprzez odciągi linowe stalowe połączone z kotwami stalowymi pogrążanymi praktycznie w dowolnym gruncie. Rozwieszanie przewodów odbywa się tradycyjnymi metodami budowy, a odcinki linii tymczasowej są stosowane do poziomu napięć 765 kV 

Rys. 4. Elementy konstrukcji słupa i jego osprzętu oraz słup po zmontowaniu w ciągu linii tymczasowej (na podstawie www.towersolutions.ca); oznaczenia:
1 – płyta podstawy, 2 – podstawa przegubowa, 3 – przesuwny wysięgnik do podnoszenia, 4 – segment, moduł słupa, 5 – ruchoma płyta do montażu izolatorów i lin, 6 – stalowe liny odciągowe

Konstrukcje słupów, jak już wspomniano, są konstrukcjami lekkimi, składającymi się z modułów, dzięki czemu można je przetransportować na miejsce prac bardzo szybko i równie szybko te konstrukcje postawić (rys. 5). Ułatwia to kontenerowy system, w którym wszystkie elementy są spakowane tak, aby można je było kolejno wyjmować i montować. Przeważnie jeden słup z osprzętem i narzędziami spakowany jest w jednym typowym kontenerze. W celu dotarcia do miejsc trudno dostępnych używa się śmigłowców, ale wielokrotnie korzystano także z transportu ręcznego (jest to zaleta stosunkowo lekkich segmentów, modułów). Wszystkie elementy składowe przypominają swoją funkcjonalnością klocki Lego.

Podstawowe elementy charakteryzujące linie tymczasowe do poziomu napięcia do 765 kV to: długości przęsła do 450 m, słupy pełniące funkcje przelotowych, narożnych, mocnych i krańcowych, oparte na segmentach o wymiarach orientacyjnych ok. 3000 x 600 x 600 mm, wykonane ze stopu aluminium lub stali ocynkowanej, podobnie jak i płyty fundamentowe o wadze do 100 kg, typowe izolatory kompozytowe, jako odciągi – liny stalowe ocynkowane o długości do 55 m i wytrzymałości do 160 kN, kotwy stalowe różnego typu przeznaczone do rozmaitych gruntów oraz wszystkie typy przewodów, łącznie z przewodami typu OPGW.

Do projektowania linii są opracowane specjalistyczne programy podające sposób rozmieszczenia odciągów stalowych i kotew.

Rys. 5. Montaż konstrukcji słupa tymczasowego i jego osprzętu (na podstawie www.towersolutions.ca)

Przykłady zastosowań linii tymczasowych 

Przykłady wykorzystania linii tymczasowych do odbudowy słupów lub sekcji uszkodzonych linii przesyłowych od 110 do 765 kV można znaleźć na każdym kontynencie i w wielu państwach. Niektóre doświadczenia były już w krajowych artykułach odnotowane. Dla ilustracji zastosowań dla niniejszego artykułu wybrano linie 138 kV na Filipinach – patrz rysunek 6.

Opisane przypadki zastosowania linii tymczasowych dotyczą uszkodzeń słupów na skutek lawin błotnych (strzałką zaznaczono kierunek zejścia) – przypadek a) i d), powódź i erozyjna działalność rzeki – przypadek b) i wandalizmu (przypadek c). Dla większości przypadków pokazano przekrój terenowy przebiegu linii oraz usytuowanie uszkodzonych słupów i miejsca postawienia słupów systemu ERS oraz usytuowania nowego, odbudowywanego słupa.

a) linia 138kV Abaga - Tagoloan	b) linia138kV Aurora – Sta Clara
c) linia 138kV Kibawe - Davao	d) linia 138kV Palimpinon II - Amlan

Rys. 6. Przypadki zastosowania linii tymczasowych na Filipinach [12]

Oznaczenia graficzne:  - uszkodzony słup,  - słup linii tymczasowej,  - miejsce nowej lokalizacji słupa

Przypadek 1 (rys. 6a). W październiku 1996 roku ulewne deszcze spowodowały lawinę błotną, która całkowicie zniszczyła słup nr 24 i poważnie uszkodziła słup nr 23; na bardzo grząskim gruncie przywrócenia zasilania dokonano w 7 dni.

Przypadek 2 (rys. 6b). We wrześniu 1997 roku powódź zagroziła linii, w której rok wcześniej uszkodzony słup zastąpiono by-pasem ze słupów drewnianych. Zastosowano system ERS ze słupami o wysokościach 43 i 30 m i zbudowano jedno przęsło o długości 750 m utrzymując zasilanie tą linią. 

Przypadek 3 (rys. 6c). Słup nr 44 promieniowej linii zasilającej duże miasto na skutek wandalizmu (podcięcie nóg) niebezpiecznie się pochylił. Jego usytuowanie na szczycie wzgórza o wąskim grzbiecie wymagało przemyślanego planu i specyficznego usytuowania słupów systemu ERS; do transportu użyto śmigłowca; pracowało 25 monterów.

Przypadek 4 (rys. 6d). Deszcz i lawina błota zniszczyły słup nr 11 w linii 138 kV na wyspie Negros i wcześniej zastosowany by-pass groził uszkodzeniem. Zapobiegnięto zagrożeniu przez postawienie systemu ERS w zaledwie dwa dni.

Filipiny, położone na 7 tysiącach wysp, poważnie pracują nad zastosowaniem linii tymczasowych na terenach, dla których uzyskanie korytarzy dla linii jest niezwykle trudne.

Wnioski 

Zastosowanie w Polsce tymczasowych technik utrzymania zasilania energią elektryczną jako ważnego elementu ochrony infrastruktury krytycznej wymaga przełożenia prawnego rozwiązań ustawowych na praktykę dnia codziennego.

Zastosowanie tymczasowych linii powinno następować nie tylko w stanach poawaryjnych, ale profilaktycznie w stanach przyawaryjnych oraz tam, gdzie występuje obniżenie niezawodności i/lub podwyższone ryzyko utraty dostawy energii elektrycznej dla większej liczby odbiorców.

Uzupełnieniem wykorzystania linii tymczasowych mogą być procesy inwestycyjne i modernizacje. Adaptacja na polski rynek linii tymczasowych nie powinna sprawiać trudności technicznych, ale jak każda nowa dziedzina wymaga rozwagi i określenia odpowiednich procedur ich stosowania oraz specjalistycznego przeszkolenia pracowników wraz z cyklicznym sprawdzaniem ich umiejętności.

W konsekwencji linie tymczasowe jawią się istotnym elementem poprawy efektywności i optymalizacji pracy sieci przesyłowej dzięki skracaniu czasu przerw dostawy energii, ułatwianiu odbudowy sieci oraz nienarażania wielkiej liczby odbiorców na ryzyko niespodziewanej, długotrwałej utraty zasilania.

Literatura:

[1] Ustawa z dnia 26 kwietnia 2007 r. o zarządzaniu kryzysowym (Dz. U. Nr 89, poz. 590 ze zmianami: Dz. U. z 2009 r. Nr 11, poz. 59, Nr 65, poz. 553, Nr 85, poz. 716 i Nr 131, poz. 1076)

[2] Rozporządzenia Rady Ministrów z dnia 30 kwietnia 2010 r. w sprawie planów ochrony infrastruktury krytycznej (Dz.U. Nr 83, poz. 542)

[3] Norma IEEE 1070-1995: Transmission Modular Restoration Structure Components

[4] IEC 60652: Loading tests on overhead Line Structures

[5] Bartodziej G., Tomaszewski M. (pod redakcją): Problemy rozległych awarii sieci elektroenergetycznych, Nowa Energia 2010

[6] Klimpel A., Lubicki W.: Infrastruktury krytyczne w elektroenergetyce, Śląskie Wiadomości Elektryczne 2009, nr 5, s. 25-30

[7] Dudek B., Pilch W.: Utrzymanie ciągłości zasilania energią elektryczną odbiorców za pomocą rozwiązań tymczasowych, Energetyka 2010, nr 2

[8] Szastałło J., Dzięciołowski R., Dobroczek A., Dudek B.: Rozwiązania tymczasowe. Ciągłość zasilania. Biuletyn PTPiREE Energia elektryczna 2010, nr 9

[9] Dudek B., Dobroczek A.: Możliwości zastosowania stacji i pól przewoźnych. Automatyka Elektroenergetyczna 2010, nr 3

[10] Kubacki B.: Wykorzystanie ERS (Emergency Restoration Systems) do usuwania awarii, modernizacji i przebudowy linii energetycznych NN i WN, Materiały z Seminarium „Innowacje w elektroenergetyce” Budapeszt 2011

[11] Dzięciołowski R., Żmijewski B., Żmijewski K.: Prawnotechnologiczne aspekty skablowania przęsła linii 220 kV. Uwarunkowania realizacyjne linii WN w planowaniu przestrzennym. Materiały z VIII Konferencji „Elektroenergetyczne linie kablowe”, PTPiREE, Łódź 2011

[12] Corpuz R. “Rex” F., Erickson P., Lindsey K. E: Recent Experience Restoring Damaged Transmission Lines by National Power Corporation of the Philippines; Reprint from Power Delivery Asia, New Delhi 1998

[13] Broszura Techniczna CIGRE nr 353. Guidelines for increased utilization of existing overhead transmission lines, August 2008 oraz biuletyn CIGRE nr 239, s. 26-39

[14] Broszura Techniczna CIGRE nr 390. Evaluation of Different Switchgear Technologies (AIS, MTS, GIS) for Rated Voltages of 52 kV and above. Working Group B3.20, CIGRE, August 2009, s. 72

Artykuł powstał na podstawie referatu wygłoszonego podczas VIII Konferencji Naukowo-Technicznej Optymalizacja w elektroenergetyce (OPE ‘2012), zorganizowanej 4 października 2012 r. w Konstancinie-Jeziornie w siedzibie PSE-Operator SA przez Oddział Warszawski SEP przy współpracy merytorycznej Instytutu Elektroenergetyki Politechniki Warszawskiej.