Wpływ projektu kablowania sieci SN na wzrost mocy biernej

Problem niezawodności systemu elektroenergetycznego jest priorytetowym zagadnieniem ze względu na wymogi współczesnej gospodarki. Także indywidualny odbiorca ma bardzo wysokie wymagania odnośnie do ciągłości i jakości dostaw energii elektrycznej.

Po nawałnicach sierpniowych w 2017 roku Ministerstwo Energii zapowiedziało, że jedną ze strategii rządu w sektorze energetycznym, wpisaną do ,,Polityki energetycznej Polski do 2040 roku’’, będzie krajowy plan skablowania sieci średniego napięcia [1, 2]. Rezygnacja z tradycyjnych, nieizolowanych linii napowietrznych na rzecz podziemnych linii kablowych i przewodów izolowanych ma zwiększyć odporność sieci na ekstremalne zjawiska pogodowe.

Na podstawie tych zapowiedzi Rada Dyrektorów ds. Dystrybucji powołana przez Zarząd Polskiego Towarzystwa Przesyłu i Rozdziału Energii Elektrycznej zdecydowała o zleceniu opracowania zagadnienia dotyczącego wpływu kablowania sieci SN. Zadanie to przypadło do wykonania Zespołowi PTPiREE ds. Mocy Biernej.

W artykule przedstawiony zostanie algorytm obliczeniowy wraz z założeniami i wynikami prac zespołu, określający wpływ krajowego planu skablowania sieci SN na zarządzanie mocą bierną w systemie. Dane do opracowania zagadnienia zebrano od największych operatorów systemu dystrybucyjnego, z wyłączeniem innogy w związku z podsiadanym charakterem sieci (głównie linie kablowe).

Zebrane dane dotyczyły długości linii napowietrznych SN według stanu sieci na 2018 rok. Dodatkowo przesłano informacje dotyczące dni, w których wystąpiło szczytowe i minimalne zapotrzebowania na moc bierną. Wartości miały odnosić się do pomiarów po stronie 15 kV, ponieważ tam najlepiej widoczny jest wpływ mocy biernej pojemnościowej oraz tam będą dokonywane działania kompensujące. Na podstawie przesłanych danych oszacowano ilości mocy biernej generowanej przez wymianę linii napowietrznej na kablową, z uwzględnieniem wzrostu obecnej liczby sieci kablowych o 10, 20, 30 i 40 proc.

Wyniki obliczeń przyrostu linii kablowych względem linii napowietrznych przedstawiono w tabeli 1, opierając się na następujących założeniach:

• W obliczeniach nie uwzględniono rozwoju sieci.
• Przyrost linii kablowych odniesiono do stanu za 2018 rok.
• Wszystkie linie napowietrzne wymieniane będą na linie kablowe o przekroju 150 mm².
• Linie kablowe SN składające się z 3-kabli jednożyłowych.
• Przyjęto napięcie pracy 12/20 kV. Przy zastosowaniu kabli 12/20 kV pracujących na napięciu 8,7/15 kV, wartości pojemności kabli nie odbiegają w sposób znaczący od siebie.

Następnie przystąpiono do obliczenia mocy biernej generowanej przez napowietrzne linie SN w zależności od średnicy przewodów, z uwzględnieniem długości poszczególnych przekrojów. W celu uproszczenia założono, że wszystkie długości linii napowietrznych będą obliczone dla napięcia 15 kV. Poniżej przestawiono przykład obliczenia mocy biernej generowanej przez linie napowietrzne o przekroju 70 mm² dla przewodów gołych w układzie płaskim:

• średnia geometryczna odległość pomiędzy przewodami w układzie płaskim

Średni odstęp między przewodami:

• pojemność linii

Gdzie:
b_śr – średni odstęp między przewodami [cm],
r – promień przekroju przewodu [cm].

• susceptancja linii [S/km]

Gdzie:
f – częstotliwość napięcia sieci [Hz].

• moc bierna pojemnościowa linii [kvar/km]

Gdzie:
U_N – napięcie znamionowe sieci [kV].

Po analizie struktury sieci napowietrznej oraz przewidywanych przekrojów do budowy sieci kablowych przyjęto, że dobrym przybliżeniem będzie zastąpienie sieci napowietrznej o przekroju do 120 mm² sieciami kablowymi składającymi się z 3-kabli jednożyłowych o przekroju zastępczym 150 mm².

Do obliczenia mocy biernej generowanej przez linie kablowe skorzystano z danych udostępnianych w kartach katalogowych producentów kabli w zakresie wartości pojemności, a następnie podstawiono do wzoru [8].

Gdzie:
Q_k – moc bierna linii kablowej [kvar/km],
C_k – pojemność jednostkowa linii kablowej [μF/km],
U_N – napięcie znamionowe sieci [kV],
f – częstotliwość napięcia sieci [Hz].

Na podstawie otrzymanych wyników przystąpiono do analizy wpływu przyrostu długości linii kablowych na wartość mocy biernej. Obliczenia wykonano dla doliny i szczytu zapotrzebowania danego OSD oraz szczytu i doliny dla dnia wyznaczonego przez Krajowy System Elektroenergetyczny.

W tabeli 2 w ostatniej kolumnie „Moc bierna po skompensowaniu” przedstawiona jest różnica pomiędzy mocą bierną generowaną przez jednego z OSD a wartością mocy biernej generowanej przez linii kablowe. Wartość dodatnia reprezentuje moc bierną indukcyjną, natomiast ujemna moc bierną pojemnościową.

W tabelach 3 i 4 przedstawiono porównanie wpływu skablowania sieci SN u poszczególnych OSD. Tabela 3 zawiera wyniki obliczeń dla dnia wyznaczonego przez OSD, natomiast tabela 4 obrazuje wyniki dla dnia wyznaczonego przez KSE. W obu przypadkach zauważalny jest różny stopień skompensowania sieci SN u poszczególnych OSD. Otrzymane wartości mocy biernej, związane z dodawaniem kolejnych odcinków linii kablowych, ukazują zmianę charakteru sieci z indukcyjnego na pojemnościowy. Dodatkowo kablowanie sieci SN będzie powodowało pogłębianie stanu przekompensowania u niektórych OSD, co w szczególności uwidocznione jest dla doliny zapotrzebowania. OSD nr 4 jako jedyny nie wykazuje zmiany charakteru mocy biernej dla wyznaczonych dni, w związku z dużą wartością mocy biernej indukcyjnej.

Należy wyraźnie zaznaczyć, że do analizy przyjęto charakterystyczne punkty pracy (cztery momenty graniczne). Zaprezentowane wyniki pokazują globalny wpływ zwiększenia udziału linii kablowych w sieci SN na zarządzanie mocą bierną. Nie ma możliwości dokładnej oceny na ile zmieni się wartość mocy biernej z uwagi na zmienny charakter pracy sieci (szczyt, dolina); dodatkowo wpływ kablowania powinien być badany obszarowo (lokalnie). Przedstawiona analiza jednoznacznie pokazuje wpływ stopnia kablowania SN na stan pracy sieci.

Aby odnieść się do kontekstu wpisania do ,,Polityki energetycznej Polski do 2040 roku’’ krajowego planu skablowania sieci SN oraz określenie stopnia skablowania sieci w programie, nie należy pomijać wpływu regulacji jakościowej obowiązującej w naszym kraju.

Skablowanie sieci SN jest silnie powiązane ze wskaźnikami SAIDI oraz SAIFI. Ponieważ ponad 41 tys. km linii napowietrznych SN znajduje się głównie na terenach leśnych i zadrzewionych, skablowanie tych odcinków ma szczególne znaczenie dla ograniczenia liczby awarii [1]. Spełnienie celów określonych w zakresie regulacji jakościowej jest ściśle powiązane ze środkami, jakie w kolejnych latach OSD mogą przeznaczyć na inwestycje. Należy zaznaczyć, że znaczna część infrastruktury dystrybucyjnej ma powyżej 25 lat, a w wielu przypadkach przekracza nawet cztery dekady [4]. Rezygnacja z tradycyjnych linii napowietrznych na rzecz kablowych potrwa lata i będzie wymagała wielomilionowych nakładów.

Doświadczenia krajów europejskich pokazują, że występuje bardzo silna zależność pomiędzy stopniem skablowania sieci a wartościami wskaźników charakteryzujących ciągłość zasilania odbiorców. Proces kablowania jest jak najbardziej uzasadniony, ale powinien być zaplanowany w wieloletniej perspektywie, aby nakłady poniesione na jego realizację nie spowodowały ograniczenia możliwości realizacji inwestycji w pozostałych obszarach [4].

Podsumowując, przeprowadzone badania oraz analiza otrzymanych wyników obliczeń pokazują, że proces kablowania sieci SN ma zarówno pozytywne, jak i negatywne aspekty. Poniżej wypunktowano najważniejsze wnioski:

• Linie kablowe wprowadzają więcej mocy biernej pojemnościowej do systemu niż linie napowietrzne. W związku z tym, planując w przyszłości dalszą rozbudowę linii kablowych, będzie konieczne uwzględnienie dodatkowych inwestycji w sieci SN, np. związanych z wymianą obecnie stosowanych baterii kondensatorów na dławiki zwarciowe.
• Planowanie inwestycji biznesowej nie powinno opierać się wyłącznie na założeniach ograniczenia strat technicznych sieci, ponieważ mogą wystąpić przypadki, w których w obszarze zasadnym do skablowania ze względu na potrzebę poprawy wskaźników jakościowych oraz bezpieczeństwa dostaw i eksploatacji straty techniczne związane z mocą bierną pojemnościową mogą wzrosnąć.
• Biorąc pod uwagę koszty budowy, tańsze wydaje się izolowanie sieci, polegające na zastąpieniu linii napowietrznych z przewodami gołymi liniami napowietrznymi z przewodami niepełnoizolowanymi. Sieci kablowe wymagają większych nakładów finansowych przy budowie, ale ograniczają wydatki związane z utrzymaniem i zapewnieniem niezawodności sieci ze względu na awarie, dlatego dla osiągnięcia ciągłości pracy sieci konieczne jest sukcesywne skablowanie sieci średniego napięcia.
• Najbardziej problematycznym i czasochłonnym skutkiem nawałnic była naprawa linii SN uszkodzonych na terenach leśnych i zadrzewionych. To właśnie awarie linii SN powodują skutki o największym negatywnym wpływie dla odbiorców i to tam powinny być prowadzone największe inwestycje.
• Rygorystyczne wymagania regulacji jakościowej w zakresie wskaźników niezawodności sieci są kolejnym elementem uzasadnienia kablowania sieci SN i w związku z tym ponoszenia większych nakładów finansowych.

Powyższe wnioski ukazują jak skomplikowany jest proces skablowania sieci SN oraz jak istotny wpływ będzie miało rozsądne zaplanowanie inwestycji każdego z OSD, aby odpowiednio zarządzać mocą bierną w systemie, przy jednoczesnym spełnieniu rygorystycznych wymogów regulacji jakościowej.

Ze względu na sugestie Zespołu PTPiREE ds. Mocy Biernej w opublikowanym „Krajowym planie na rzecz energii i klimatu na lata 2021-2030”, zgodnym z „Polityką energetyczną Polski do 2040 roku”, zaplanowane poziomy skablowania sieci SN wykreślono. Znalazł się jednak zapis o zagwarantowaniu dodatkowego finansowania inwestycji związanych z kablowaniem sieci SN.

Literatura:

1. Polityka energetyczna Polski do 2040 roku.
2. Krajowy plan na rzecz energii i klimatu na lata 2021-2030.
3. Regulacja jakościowa w latach 2018-2025 dla Operatorów Systemów Dystrybucyjnych.
4. https://www.elektro.info.pl/artykul/kable-i-przewody/150706,kablowanie-sieci-dystrybucyjnych-sredniego-i-niskiego-napiecia
5. Straty energii elektrycznej w sieciach dystrybucyjnych – opracowanie PTPiREE.
6. Katalog producenta kabli średniego napięcia – Telefonika.
7. Katalog słupów SN – opracowanie PTPiREE.

Michał Gronowski, Energa-Operator