Sieci elektroenergetyczne niskiego napięcia stanowią końcowy i najbardziej rozległy element sieci dystrybucyjnej (rys. 1), a odbiorcy zasilani na niskim napięciu – najliczniejszą grupę odbiorców (rys. 2). Na koniec 2021 roku na ogólną liczbę 18,4 mln odbiorców 99,8 proc. zasilanych było z sieci niskiego napięcia, a same gospodarstwa domowe stanowiły aż 87 proc. Zatem od stanu sieci niskiego napięcia zależne jest nieprzerwane dostarczanie energii do każdego obywatela naszego kraju. Warto również podkreślić, że odbiorcy zasilani na niskim napięciu są jedyną grupą, dla której dostarczenie energii wymaga transportu za pośrednictwem sieci na wszystkich poziomach napięć (żadna inna grupa odbiorców nie wykorzystuje sieci niskiego napięcia).
Sieci niskiego napięcia zyskały nowe wyzwanie wraz z pojawieniem się prosumentów. Mikroinstalacje, wśród których dominującą grupę stanowią mikroinstalacje PV, przyłączane są właśnie do sieci niskiego napięcia. Według stanu na koniec listopada br. do sieci pięciu największych operatorów systemu dystrybucyjnego przyłączonych było 1,2 mln mikroinstalacji o łącznej mocy ponad 9,1 GW. Mikroinstalacji ciągle przybywa, rośnie także ich moc znamionowa. Od początku 2021 roku można zaobserwować wyraźny wzrost średniej mocy przyłączonych mikroinstalacji. Wynika to z faktu, że nowe mikroinstalacje budowane są z coraz większą mocą. Średnia mocy przyłączonych mikroinstalacji w listopadzie wyniosła 9,4 kW, a średnia moc wszystkich przyłączonych do tego momentu mikroinstalacji wynosi 7,6 kW.
Coraz większy udział mikroinstalacji w sieci niskiego napięcia powoduje, że zmienia się dotychczasowa rola sieci dystrybucyjnej. Z sieci zaprojektowanej w taki sposób, aby energia płynęła tylko w jedną stronę (do odbiorcy) następuje stopniowe przekształcanie się w sieć pozwalającą na przepływ dwukierunkowy (od-do prosumenta). Powoduje to, że podłączanie dużej liczby mikroinstalacji fotowoltaicznych do zaprojektowanej i zbudowanej do innych zadań sieci niskiego napięcia generuje problemy, które najczęściej dotyczą ponadnormatywnego wzrostu napięcia (ponad dopuszczalny prawnie poziom 253 V), który skutkuje automatycznym wyłączaniem mikroinstalacji z autonomicznych zabezpieczeń.
Poniżej scharakteryzowano stan sieci niskiego napięcia pięciu największych OSD. Analizę rozpoczyna jednak informacja o stacjach transformatorowo-rozdzielczych SN/nn, które służą do przetwarzania energii elektrycznej z poziomu średniego napięcia na energię elektryczną niskiego napięcia oraz do rozdziału tej energii. Stacje elektroenergetyczne SN/nn to w większości stacje słupowe. Tego typu rozwiązania stosowane są przede wszystkich na obszarach wiejskich. Zupełnie inaczej sytuacja wygląda w miastach, gdzie preferowanym rozwiązaniem są stacje wnętrzowe (tzw. kubaturowe). Statystka (rys. 4) pokazuje stacje średniego napięcia uwzględniające także stacje rozdzielcze. Takich rozwiązań jest jednak niewiele, bo tylko 3 proc. i to w większości na terenach miejskich.
Długość linii niskiego napięcia to ponad 444 tys. km, z czego największy udział mają linie napowietrzne z przewodami gołymi (41 proc.), 37 proc. to linie kablowe, a 29 proc. linie z przewodami izolowanymi (rys. 5). Wynika z tego, że linii napowietrznych jest prawie dwa razy więcej niż kablowych. Proporcja ta nie zmienia się znacząco w ostatnim czasie – w latach 2017-2021 udział linii kablowych w liniach niskiego napięcia wzrósł tylko o 3 p.p.
Interesujący jest również podział sieci elektroenergetycznej na sieć w miastach i na wsiach; długość linii na obszarach miejskich stanowiła 34 proc., a wiejskich – 66 proc. łącznej długości linii nn, przy czym linie miejskie – to w przeważającej liczbie linie kablowe (70 proc.), a wiejskie – linie napowietrzne (80 proc.).
Wśród parametrów, które dają pewien obraz stanu linii niskiego napięcia jest rok budowy linii. Przedstawiona na rysunku 6 statystyka wiekowa pokazuje, że 66 proc. linii napowietrznych nn wybudowano ponad 25 lat temu. W przypadku linii kablowych jest to mniejszy udział, bo 39 proc. Wynika to z faktu, że od kilku lat preferowana jest technologia budowy linii kablowych. Potwierdza to też stosunkowo duży udział linii kablowych, które mają poniżej 10 lat, bo aż 30-procentowy. Należy jednak pamiętać, że biorąc pod uwagę znacznie mniejszy udział linii kablowych, długości linii kablowych i napowietrznych mających do 10 lat są podobne. Wyraźnie największą grupą są linie napowietrzne powyżej 40 lat, a biorąc pod uwagę, że linie z przewodami izolowanymi wdrożono w Polsce na początku lat 90., stąd wniosek, że są to linie z przewodami gołymi.
Ryzyko występowania problemów we współpracy mikroinstalacji z siecią elektroenergetyczną wzrasta w przypadku pojedynczego lub łącznego występowania kilku warunków, takich jak [4]:
- duża liczba i moc mikroinstalacji w obszarze zasilanym z jednej stacji średniego napięcia SN/nn,
- duża odległość mikroinstalacji od stacji zasilającej SN/nn,
- duża rezystancja i reaktancja linii (małe przekroje przewodów, nieizolowana sieć),
- małe zapotrzebowanie na energię w okresach największej zdolności wytwórczej (godziny największego nasłonecznienia).
Wśród powyższych warunków dwa opisują parametry techniczne linii, tj. długość obwodów oraz przekroje linii.
Długości większości obwodów linii nn mieszczą się w zakresie do 500 m (rys. 7). Występuje tu jednak wyraźna różnica pomiędzy obszarem wiejskim a miejskim. Widać to przede wszystkim w liczbie obwodów powyżej 1000 m. Na obszarach wiejskich takich obwodów jest 12 proc., tj. ponad trzy razy więcej niż w miastach.
Jednym z podstawowych parametrów linii jest przekrój przewodów. Jak pokazano na rysunku 8, wśród linii napowietrznych najwięcej jest linii o przekroju 50 mm2 i to zarówno dla obszarów miejskich, jak i wiejskich. Różnicę natomiast widać w tym, że kolejne przedziały w przypadku terenu miast zmierzają ku wartościom 70 mm2 (większym), a na wsi ku 35 mm2 (mniejszym). Należy także zaznaczyć, że dla obszarów wiejskich stosunkowo dużo jest linii o przekroju 25 mm2.
Nakłady inwestycyjne w ostatnich kilku latach to wartości rzędu 6 mld zł. Na rysunku 9 przedstawiono główną część nakładów związanych z obszarem sieciowym. W tych nakładach nie są ujmowane nakłady na montaż liczników, systemy IT, transport, łączność, budynki itp., które stanowią około 20 proc. całości nakładów inwestycyjnych. Z wykresu wynika, że największe fundusze kierowane są na infrastrukturę średniego napięcia. W latach 2017-2019 było to ponad 2 mld zł. Należy zauważyć jednak wyraźny ich spadek w latach 2020-2021. Na sieć WN w analizowanym okresie przeznaczana była stała wartość około 1,1 mld zł. Niewiele więcej zainwestowano w sieci nn i, co warto zauważyć, w ostatnich latach inwestycje te maleją. Największą zmienność cechują się nakłady na przyłącza dla nowych odbiorów i nowych źródeł. Tutaj widać wyraźną tendencję wzrostową.
Podsumowanie
Jak wynika z powyższych danych, elektroenergetyczne linie niskiego napięcia to najczęściej linie napowietrzne z przewodami gołymi. Kilkanaście procent tych linii to długie ciągi liniowe o małych przekrojach w znacznej części wybudowane ponad 40 lat temu. Gdy w takiej sieci pojawi się (bo instalacje do 10 kW przyłączane są na zgłoszenie, bez konieczności składania wniosku o przyłączenie) wysokie zagęszczenie mikroinstalacji, mogą wystąpić wzrosty napięcia przekraczające dopuszczalne wartości (253 V). Wynikają one z faktu, że okres największej generacji energii przez prosumentów nie pokrywa się z czasem występowania szczytów zapotrzebowania odbiorczego.
Oczywiście nie byłoby tego problemu, gdyby większa części produkowanej przez mikroinstalacje energii była zużywana lokalnie przez prosumentów i okolicznych odbiorców zasilanych z tej samej stacji transformatorowej SN/nn. Autokonsumpcja prosumentów to poziom tylko około 20-30 proc. własnej generacji pozostała, większa część energii trafia więc do sieci dystrybucyjnej, która w ten sposób staje się magazynem energii, a do takich zadań nigdy nie była projektowana. Warto także zaznaczyć, że wyższa autokonsumpcja oznacza korzyści dla prosumenta poprzez szybszy zwrot z instalacji PV, ponieważ mniejsze ilości energii zostają poddane bilansowaniu rozliczeniowemu. Autokonsumpcję energii elektrycznej promuje także rządowy program Mój Prąd 4.0, oczekując i wspomagając doposażanie mikroinstalacji w przydomowe magazyny energii.
Operatorzy systemów dystrybucyjnych muszą sprostać wyzwaniu, jakim jest gwałtowny rozwój energetyki prosumenckiej. Konieczna modernizacja sieci jest niestety procesem długotrwałym i kosztownym, co powoduje, że OSD doraźnie stosują inne rozwiązania, jak np. regulację napięcia poprzez zmianę zaczepów na transformatorach SN/nn lub zabudowują w sieci energoelektroniczne regulatory napięcia.
JAROSŁAW TOMCZYKOWSKI
Literatura:
- Opracowanie własne na podstawie sprawozdań G.10.5 za 2021 dla pięciu największych OSD.
- Raport PTPiREE „Energetyka. Dystrybucja i przesył”, 2022 rok (dane za 2021).
- Statystyka Energetyki Polskiej 2021, Agencja Rynku Energii, 2022.
- www.ptpiree.pl
