Sektor Elektroenergetyczny 2018
79
Nowe konstrukcje przewodów a ograniczanie strat w liniach przesyłowych i dystrybucyjnych
Krajowy System Elektroenergetyczny odpowiedzialny za ciągłe
dostawy energii elektrycznej na terenie kraju składa się z trzech
podstawowych elementów: systemu wytwarzania energii
elektrycznej, jej przesyłu oraz dystrybucji. Wytwarzanie energii
elektrycznej w Polsce oparte jest głównie na spalaniu węgla
kamiennego i brunatnego. Elektrownie muszą ją wygenerować
w celu pokrycia zapotrzebowania odbiorców wraz z uwzględnie-
niem strat powstających podczas jej przesyłu i dystrybucji.
Połączenie pomiędzy wytwórcami a odbiorcami energii stanowią
sieci elektroenergetyczne (linie przesyłowe i dystrybucyjne),
których modernizacja umożliwia redukcję strat powstających
przy przesyle energii, a tym samym zmniejszenie kosztów
własnych oraz środowiskowych, związanych z emisją gazów
cieplarnianych. Aby osiągnąć ten cel, należy m.in. wymieniać
przewody elektroenergetyczne, które przestają spełniać oczeki-
wania dotyczące efektywności energetycznej przesyłu i dystrybucji
energii elektrycznej. Najczęściej stosowanymi rozwiązaniami są
konstrukcje zbudowane z rdzenia stalowego spełniającego
rolę nośną oraz z drutów aluminiowych odpowiedzialnych za
przesył prądu elektrycznego, w związku z tym część przekroju
poprzecznego przewodów nie jest wykorzystywana do transportu
energii. Spółki odpowiedzialne za przesył i dystrybucję wdrażają
coraz to nowsze metody mające na celu poprawę efektywności
energetycznej jej dostaw. Jedną z nich jest zastosowanie
przewodów o obniżonej rezystancji liniowej, która odpowiada
za obciążeniowe (podłużne) straty energii elektrycznej. Wprowa-
dzenie do użytku bardziej nowoczesnych przewodów, będących
odpowiednikami dotychczas wykorzystywanych, pozwala na ogra-
niczenie strat bez zmian konstrukcyjnych pozostałych elementów
linii elektroenergetycznych.
x x x
Straty w liniach przesyłowych i dystrybucyjnych
Przesył energii elektrycznej powoduje powstawanie strat. Zjawisko
to związane jest z rezystancją przewodów, która zależy od przekroju
poprzecznego części przewodzącej, rezystywności materiału oraz
temperatury, w jakiej pracuje przewód. Rezystancja całego prze-
wodu wynika z jej wartości dla poszczególnych drutów połączonych
ze sobą w sposób równoległy. Druty składowe części przewodzą-
cej nie są prowadzone równolegle, lecz skręcane naprzemiennie,
co skutkuje wyższą rezystancją całego przewodu od sumarycznej
rezystancji liniowej wszystkich drutów. Silnym czynnikiem wpły-
wającym na rezystancję przewodu jest temperatura, która powo-
duje zmianę objętości materiału wskutek rozszerzalności ciep-
lnej, a co za tym idzie – jego rezystywności. Przy przepływie prądu
przemiennego przez przewód powstaje szereg zjawisk związanych
z oddziaływaniem zmiennego pola elektromagnetycznego, takich
jak efekt naskórkowości i straty w rdzeniu stalowym. Rezystancja
wyznaczona dla prądu stałego przeliczana jest na rezystancję,
która będzie występować przy prądzie przemiennym. Temperatura
przewodu zależna jest od wartości natężenia prądu płynącego
w przewodzie oraz od warunków atmosferycznych panujących
w otoczeniu linii. Wyznaczenie temperatury przewodu wiąże się
z rozwiązaniem równania bilansu mocy dostarczonej do przewodu
oraz mocy oddanej do otoczenia. Równanie bilansu cieplnego
przewodu przedstawia poniższy wzór:
gdzie: P
AC
– moc wydzielona w przewodzie w wyniku przepływu
prądu przemiennego [W/m], P
S
– moc zaabsorbowana przez prze-
wód na skutek promieniowania słonecznego [W/m], P
C
– moc
oddana przez przewód na skutek konwekcji [W/m], P
R
– moc
oddana przez przewód poprzez promieniowanie [W/m].
Moc wydzielona w przewodzie w związku z przepływem prądu prze-
miennego zależna jest od rezystancji przewodu oraz od kwadratu
wartości natężenia prądu. Uwzględnia ona straty mocy Joule'a oraz
ciepło wydzielane w stalowym rdzeniu w wyniku histerezy i prą-
dów wirowych. Moc zaabsorbowana przez przewód na skutek pro-
mieniowania słonecznego zależy od jego intensywności, usytuowa-
nia linii, stanu powierzchni przewodu oraz jej absorpcyjności. Moc
oddana za przyczyną konwekcji wynika z różnicy temperatury prze-
wodu i otoczenia, kierunku oraz prędkości wiatru. Natomiast moc
oddana poprzez promieniowanie od temperatury przewodu oraz
emisyjności jego powierzchni.
Wyższa dopuszczalna temperatura pracy przewodów fazowych
w linii elektroenergetycznej umożliwia przesył większych ilości ener-
gii elektrycznej. Wysoka wartość natężenia prądu elektrycznego,
a tym samym temperatura przewodu powodują powstawanie
znacznych strat energii. Można je ograniczyć poprzez zastosowanie
bardziej nowoczesnych rozwiązań charakteryzujących się lepszymi
parametrami elektrycznymi. Konstrukcje przewodów niskostratnych
o niższej rezystancji liniowej pozwalają obniżyć ich temperaturę
pracy przy zachowaniu niezmiennej obciążalności linii wynikającej
z zapotrzebowania odbiorców. Praca tradycyjnych przewodów sta-
lowo-aluminiowych powyżej ich temperatur granicznych jest niedo-
puszczalna ze względu na charakter zastosowanych materiałów do
ich budowy. Całkowite straty mocy w linii są sumą strat we wszyst-
kich przewodach, w których płynie prąd elektryczny, a straty ener-
gii w ciągu roku stanowią sumę strat mocy w poszczególnych jed-
nostkach czasu.
x x x
Wymagania stawiane nowym konstrukcjom
przewodów
Ograniczenie strat związanych z przesyłem energii elektrycznej
można uzyskać dzięki użyciu materiałów przewodzących o wyż-
szej konduktywności lub poprzez wzrost przekroju czynnego czę-
ści przewodzącej. Inna z metod zakłada zmianę materiału, z któ-
rego wykonany jest rdzeń nośny, co pozwala na zmniejszenie
przekroju poprzecznego rdzenia, a tym samym powiększenie prze-
kroju oplotu przewodzącego prąd elektryczny przy zachowaniu
Nowe konstrukcje
przewodów a ograniczanie
strat w liniach przesyłowych
i dystrybucyjnych
mgr inż. Piotr Deńca
Energoprojekt Kraków S.A.
,
