Sieci przesyłowe elektryczne – linie nadziemne EHV i HV

Sieci przesyłowe elektryczne i linie nadziemne

W systemach elektroenergetycznych często wykorzystuje się napięcia bardzo wysokie (EHV, gdzie napięcie V&ge;150 kV) oraz wysokie (HV, z 60 kV &le; V <150 kV) do przesyłania energii. Użycie tych wysokich napięć służy zmniejszeniu prądu płynącego przez linie przesyłowe. Zgodnie z prawem Joule'a, W=RI²t=UIt, gdzie W oznacza energię rozpraszającą się jako ciepło, R jest oporem przewodnika, I to prąd, t jest czasem, a U napięciem. Poprzez zmniejszenie prądu możliwe jest zredukowanie przekroju przewodników, co prowadzi również do minimalizacji strat mocy spowodowanych efektem Joule'a.

Sieci przesyłowe zwykle rozpoczynają się od elektrowni i podstacji. Choć linie nadziemne są dominującym elementem w wielu obszarach, w środowiskach miejskich zazwyczaj konieczne są izolowane kabiny podziemne ze względu na ograniczenia przestrzenne i kwestie estetyczne.

Linie nadziemne EHV i HV składają się głównie z następujących kluczowych elementów:

• Metalowe wieże: Zapewniają one strukturalne wsparcie dla całego systemu linii nadziemnych, gwarantując, że przewodniki są utrzymywane na odpowiedniej wysokości i odległości.

• Izolatory: Zapobiegają one przepływowi prądu elektrycznego z przewodników do metalowych wież, zapewniając izolację elektryczną i bezpieczeństwo.

• Przewodniki: Są odpowiedzialne za przewożenie prądu elektrycznego. Wspólnie używane typy przewodników w liniach nadziemnych to Aluminium Conductor Steel - Reinforced (ACSR), który spełnia normy europejskie takie jak EN 50189, 50889, 61232 i 50182. Ponadto, przewodniki z aluminium stopowego, takie jak AAAC (przewody z aluminium stopowego), oznaczone jako AL2, AL3, AL4 i AL5, są określone w normach EN 50182 i 50183.

• Pierścienie koronowe: Są to urządzenia o kształcie torusa.

• Połączenia uziemienia: Zapewniają bezpieczny odpływ ładunków elektrycznych i stanowią ścieżkę do ziemi w przypadku awarii.

Sprzęt do przesyłania energii jest zaprojektowany z celem minimalizacji powstawania rozładowań koronowych. Pierścienie koronowe, jak pokazano na Rysunku 1, odgrywają kluczową rolę w tym zakresie. Rozprowadzając pole elektryczne na większej powierzchni, obniżają one gradient pola poniżej progu koronowego, skutecznie hamując rozładowania koronowe. To nie tylko pomaga zapobiec stratom mocy związanych z koronowaniem, ale także zmniejsza hałas słyszalny i zakłócenia elektromagnetyczne, przyczyniając się do ogólnej efektywności i niezawodności systemu przesyłowego.

Ochrona przed piorunami dla linii nadziemnych i rola kabli OPGW

Jednym z najważniejszych zagrożeń dla linii nadziemnych są pioruny. Te linie są narażone na ryzyko uderzeń piorunów wzdłuż całej długości, co oznacza, że ochrona zapewniana jedynie przez zabezpieczenia przeciwprzeciągowe w podstacjach jest niewystarczająca. Dodatkowe środki ochronne są niezbędne, aby zapewnić niezawodność i bezpieczeństwo systemu przesyłowego.

Aby rozwiązać ten problem, wzdłuż całej trasy linii nadziemnych montowane są "przewody lotne ochrony przed piorunami". Spośród nich szeroko stosowane są kablice OPGW (Optical Power Ground Wire) ze względu na ich dwufunkcyjność. Kablica OPGW ma strukturę rurkową, która mieści w swoim wnętrzu jeden lub więcej włókien światłowodowych jednomodowych. Ta centralna asortyment włókien jest następnie otoczony wieloma warstwami drutów stalowych i aluminiowych.

Przewodzące zewnętrzne warstwy kabla OPGW pełnią kluczową rolę w ochronie elektrycznej. Łączą one sąsiednie wieże przesyłowe z ziemią, tworząc niskoprzepustową ścieżkę dla prądów piorunowych. Działa to na zasłanianie przewodników energetycznych przed bezpośrednimi uderzeniami piorunów, zmniejszając prawdopodobieństwo uszkodzenia głównych linii przesyłowych.

Jednocześnie włókna światłowodowe w kablu OPGW oferują znaczne korzyści komunikacyjne. Mogą być one wykorzystywane do wysokoszybkościowej transmisji danych, spełniając różne potrzeby w sektorze elektroenergetycznym. Są używane do wewnętrznych zastosowań, takich jak ochrona i sterowanie liniami przesyłowymi, umożliwiając monitorowanie w czasie rzeczywistym i szybką reakcję na potencjalne problemy. Ponadto wspierają wymagania dotyczące komunikacji głosowej i danych, ułatwiając bezproblemową koordynację różnych części sieci energetycznej.

Same włókna światłowodowe mają doskonałe właściwości izolacyjne, które zapewniają naturalną ochronę przed indukcją elektryczną z linii przesyłowych i piorunami. Są również bardzo odporne na zewnętrzne zakłócenia i przekładanie, gwarantując integralność przesyłanych danych. Ponadto włókna światłowodowe mają ekstremalnie niskie straty przesyłowe, co czyni je idealnym rozwiązaniem do długodystansowej, wysokoszybkościowej transmisji danych bez istotnego degradacji sygnału.

Rysunek 2 przedstawia typowy przykład kabla OPGW, pokazując jego unikalną strukturę i podkreślając, jak łączy on ochronę elektryczną i możliwości komunikacyjne, co sprawia, że jest niezwykle ważnym elementem w nowoczesnych systemach linii przesyłowych nadziemnych.

W niektórych krajach, dla starszych linii nadziemnych działających na poziomie napięcia 72,5 kV, stosowano kiedyś szczególną metodę ochrony przed piorunami. Historycznie tylko pierwsze cztery lub pięć przęseł sąsiadujących z podstacjami było wyposażone w środki ochronne, a do tego celu wykorzystywano przewodniki Aluminium Conductor Steel - Reinforced (ACSR). Jednak to rozwiązanie zostało już wycofane. Kablica OPGW (Optical Power Ground Wire) stała się preferowanym wyborem, ponieważ nie tylko zapewnia skuteczną ochronę przed piorunami, ale również umożliwia komunikację danych między podstacjami, dostarczając bardziej kompleksowe i uniwersalne rozwiązanie.

Izolowane kabiny często mają izolację z przekształconego polietylenu (XLPE). Te kabiny zazwyczaj mają przewodniki aluminiowe i są zaprojektowane do zastosowań jednofazowych. Użycie izolacji XLPE zapewnia doskonałe właściwości elektryczne, wytrzymałość mechaniczną i trwałość, co sprawia, że jest ona dobrze przystosowana do przesyłania energii.

Sieci przesyłowe o bardzo wysokim (EHV) i wysokim (HV) napięciu często przyjmują konfigurację "pierścienia". Jak pokazano na Rysunku 3, ta konfiguracja charakteryzuje się dużym stopniem złożoności. Konfiguracja pierścienia oferuje zwiększoną niezawodność i elastyczność w dystrybucji energii, umożliwiając lepsze rozłożenie obciążeń i łatwiejsze utrzymanie i operacje sieci. Umożliwia ona przekierowanie energii w przypadku awarii lub prac konserwacyjnych, minimalizując przestojenia w dostawie energii i zapewniając bardziej stabilny i efektywny system przesyłowy.