Na podstawie materiałów firmy Areva T&D.
Nadal nie milkną echa serii blackoutów, które u progu XXI w. dotknęły systemy elektroenergetyczne wielu wysoko rozwiniętych krajów.

Opublikowano raporty komisji badających przebieg i przyczyny awarii, trwa wdrażanie środków zapobiegawczych przed ich powtórzeniem się w przyszłości. Wspólną cechą tych przykrych wydarzeń była, co okazuje się dość zaskakujące, letnia pora roku, w której miały one miejsce. Otóż lato jest - przynajmniej w Europie i klimacie umiarkowanym - okresem zmniejszonego zapotrzebowania na energię elektryczną i jednocześnie porą roku, w której zagrożenia zewnętrzne dla urządzeń elektroenergetycznych są najmniejsze. Blackouty roku 2003 mogły więc zatrzeć pamięć o bardziej dramatycznych i brzemiennych w skutki klęskach, jakie w przeszłości zimą dotykały energetykę niektórych krajów.

Mroźna lub śnieżna zima to najcięższy okres pracy dla energetyków zarówno w elektrowniach, jak i sieciach elektroenergetycznych. Jednym z największych zagrożeń dla sieci napowietrznych jest osadzanie lodu na przewodach; oblodzenia te noszą nazwę sadzi. Lodowe narosty o dużej grubości (rzędu centymetra i więcej) i ciężarze, określane jako sadź katastrofalna, mogą spowodować zerwanie przewodu, izolatora, a nawet złamanie konstrukcji słupa. Zdarzenia takie występują okresowo w Ameryce Północnej, Skandynawii czy Rosji. Kilkakrotnie odnotowano je także w naszym kraju. Zimowe przerwy w dostawach energii często wiążą się z rozległym zniszczeniem obiektów i urządzeń. Również przerwa w zasilaniu bywa w tym przypadku dłuższa i niestety bardziej dotkliwa dla odbiorców niż przy letnich blackoutach. Przykładem takiego zdarzenia, które śmiało można nazwać kataklizmem, była wielka awaria północnoamerykańskiego systemu przed siedmiu laty.

W styczniu 1998 r. na rozległych obszarach pogranicza USA i Kanady wystąpiła sadź, która spowodowała rzeczywiście katastrofalne skutki w sieciach elektroenergetycznych: zerwanie przewodów i uszkodzenie konstrukcji słupów. Ogółem zniszczeniu uległo ponad 1000 słupów wysokiego napięcia, 25-35 tys. słupów drewnianych średniego i niskiego napięcia, a także aż 120 tys. km linii przesyłowych i rozdzielczych. Największe rozmiary klęski odnotowano w prowincji Quebec, gdzie tylko w samej aglomeracji miejskiej Montrealu ponad milion ludzi zostało pozbawionych energii elektrycznej na okres kilku tygodni. Uciążliwości tej totalnej awarii były tym większe, że w tej prowincji energia elektryczna stanowi podstawowe źródło zaspokojenia potrzeb odbiorców – ponad 70% domów jest ogrzewane elektrycznością.

Niespotykany rozmiar tej klęski, roszczenia towarzystw ubezpieczeniowych oraz presja odbiorców i opinii publicznej zmusiły główną firmę energetyczną tego regionu - Hydro-Quebec TransEnergie do podjęcia działań zapobiegających powtórzeniu się podobnej katastrofy w przyszłości. Ponieważ zastosowanie kosztownej instalacji usuwania oblodzenia przewodów nie było uzasadnione ekonomicznie, zdecydowano się na nowatorskie podejście oparte na wykorzystaniu dwufunkcyjnego układu energoelektronicznego wielkiej mocy. Przy współpracy specjalistów tej firmy oraz koncernu Areva T&D zaprojektowano pierwszy w świecie kompleksowy układ usuwania sadzi i regulacji parametrów pracy systemu elektroenergetycznego.

W stacji sieciowej Levis w pobliżu Quebec City zainstalowano statyczny układ kompensacji mocy biernej (SVC). Odznacza się on niespotykaną dotychczas elastycznością działania: w ciągu godziny można go przełączyć z trybu kompensatora do trybu usuwania sadzi. Sam proces wytapiania sadzi z przewodów jest bardzo prosty. Linia wysokiego napięcia zostaje odłączona i zwarta na obu końcach specjalnymi odłącznikami o wytrzymałości prądowej 7200 A, po czym układ SVC zostaje przełączony do trybu usuwania sadzi zasilając wydzielone obwody prądem stałym. Po stopieniu lodu, co zwykle trwa kilka godzin, następuje przywrócenie poprzedniego układu pracy sieci. Na czas usuwania sadzi odbiorcy są zasilani innymi liniami.

Doświadczenia wykazały, że do stopienia koncentrycznego warstwy lodu o grubości 12 mm w temperaturze otoczenia –15 st. C wystarczający jest przepływ prądu o wartości skutecznej 1800 A przez 30 minut. Przekształtnik Areva T&D przeznaczony do wytapiania lodu w linii 735 kV o czterech przewodach wiązkowych w fazie musi zatem mieć wydajność7.2 kA prądu stałego. Przy projektowanym napięciu pracy w trybie usuwania sadzi 34.8 kV będzie więc dawał moc grzejną rzędu 250 MW. Prostownik układu jest zasilany z transformatora obniżającego napięcie przez filtry wyższych harmonicznych przyłączone do uzwojenia wtórnego. Filtry te generują wymaganą moc bierną o wartości 180 lub 334 MVAr.

W razie użycia układu do usuwania sadzi, filtr wytwarzający nadwyżkę mocy biernej 154 MVAr staje się tyrystorowo regulowaną baterią kondensatorów. Transformator obniżający posiada trzecie uzwojenie 20 kV dla uzyskania działania układu jako tyrystorowo regulowanego dławika w trybie kompensacji mocy biernej. Jako kompensator układ SVC będzie generował do sieci 735 kV moc bierną regulowaną w szerokich granicach +250/-125 MVAr. Dodatkowym wyposażeniem układu jest tzw. filtr geomagnetyczny dla zapobiegania niepożądanemu przepływowi prądów indukowanych w elementach systemu elektroenergetycznego przez zaburzenia ziemskiego pola magnetycznego. Nowy układ energoelektroniczny w stacji Levis zostanie przekazany do eksploatacji w 2006 r.

Usuwanie sadzi z przewodów linii elektroenergetycznych wykonuje się od dawna dwoma typowymi metodami. Nadal najczęściej stosowaną jest nagrzewanie przewodów prądem przemiennym zasilanym z odpowiednio dopasowanego transformatora. Drugi sposób to mechaniczne strącanie lodowego narostu za pomocą krążka przesuwanego po przewodzie. Metody te spełniają swe zadanie jedynie w liniach o napięciu do 220 kV. W sieciach najwyższych napięć, gdzie w poszczególnych fazach stosuje się przewody wiązkowe, technologie te napotykają na poważne utrudnienia. Z tego powodu naukowcy w krajach szczególnie narażonych na występowanie sadzi opracowali i przebadali kilka nowych sposobów zapobiegawczych.

Nowatorską technologię, opartą na mechanicznych skutkach elektrodynamicznego oddziaływania prądów w poszczególnych przewodach jednej fazy, przebadano w Kanadzie. Sposób ten jest przeznaczony dla linii przesyłowych najwyższych napięć (315 i 735 kV), w których każda faza zawiera odpowiednio 2 lub 4 przewody. Przy przepływie prądu w każdym ze składowych przewodów fazy w tym samym kierunku, pojawiają się między nimi siły wzajemnego przyciągania o wartości proporcjonalnej do iloczynu natężeń tych prądów i odwrotnie proporcjonalne do odległości przewodów. W wyniku silnych impulsów sił przyciągających następuje uderzanie przewodów o siebie i strącanie lodowych nawisów. Dla uzyskania maksymalnego efektu, zwłaszcza przy niezbyt wielkich prądach, należy wielokrotnie załączać zasilanie linii z pracującej sieci z częstotliwością dopasowaną do częstości naturalnych drgań mechanicznych przewodów.

Impulsowe prądy są wymuszane w zwartej linii przez jej załączanie pod napięcie robocze w wybranych chwilach czasowych, zapewniających maksymalne wartości szczytowe udarów prądowych. Przykładowy przebieg procedury elektrodynamicznego strącania sadzi obejmuje kilka powtórzeń cyklu zawierającego załączenie prądu na czas 0.2-0.4 s i wyłączenie na czas rzędu 1 s. Próby potwierdziły dużą skuteczność nowej metody. Jednak jej użycie może wywoływać zagrożenia utraty stabilności oraz nadmierne spadki napięcia w innych punktach pracującej sieci. Z tych względów zastosowanie przedstawionej technologii ograniczy się prawdopodobnie do sieci 315-400 kV.

W ostatnich latach do usuwania lodu zaproponowano metodę nagrzewania dielektrycznego za pomocą prądów wysokiej częstotliwości. Metoda ta działa w oparciu o dwa mechanizmy. Przy częstotliwościach rzędu dziesiątek i setek kHz lód zachowuje się jak dielektryk odznaczający się znaczną stratnością (czyli opornością czynną dla wyindukowanych w nim prądów). Cecha ta powoduje, że w dielektryku - w tym przypadku lodzie - poddanym działaniu szybkozmiennego pola elektrycznego następuje wydzielanie dużych ilości ciepła. Dodatkowo w oblodzonym przewodzie linii występuje tzw. efekt naskórkowy polegający na wypieraniu prądu na zewnątrz. W rezultacie tego zjawiska zmniejsza się efektywny przekrój dla przepływającego prądu, co powoduje wzrost jego oporności elektrycznej, a w konsekwencji strat cieplnych w przewodniku. Przez odpowiedni dobór częstotliwości prądu można osiągnąć najkorzystniejszy łączny efekt energetyczny działania obu mechanizmów. Do zastosowania tej nowej technologii można użyć zarówno stacjonarne jak i przewoźne źródła prądu wysokiej częstotliwości.

W pierwszym przypadku instalację zasilającą opłaca się zabudować w stacji elektroenergetycznej, jeżeli występowanie sadzi na danym terenie jest zjawiskiem częstym, zaś linia musi pracować niezawodnie. Z kolei instalacje przewożone na specjalistycznym pojeździe można szybko przemieszczać w dowolny rejon sieci i przyłączać do wyłączonej linii. Źródło prądu wysokiej częstotliwości jest układem energoelektronicznym, który musi zapewnić wydawanie określonej wartości mocy czynnej rzędu 50 kW na 1 km linii. Spełnienie tego wymagania przy obciążeniu zasilacza dużą pojemnością przewodu przy jego niewielkiej rezystancji sprawia, że normalnie pracuje on z bardzo niskim współczynnikiem mocy. Skompensowanie wysokiej biernej mocy pojemnościowej jest możliwe dzięki zastosowaniu odpowiedniego dławika. Jednym z utrudnień w stosowaniu nowej technologii mogą okazać się ewentualne zakłócenia elektromagnetyczne, na które są wrażliwe liczne instalacje i odbiory. W zasadzie jednak zasilacze do usuwania sadzi są projektowane do pracy w wyższym zakresie częstotliwości niż pasmo charakterystyczne dla większości zakłóceń elektromagnetycznych.


Dokończenie znajdziesz w wydaniu papierowym. Zamów prenumeratę miesięcznika ENERGIA GIGAWAT w cenie 108 zł za cały rok, 54 zł - za pół roku lub 27 zł - za kwartał. Możesz skorzystać z formularza, który znajdziesz tutaj

Zamów prenumeratę