Edward SIWY, Kurt ŻMUDA
Politechnika Śląska, Instytut Elektroenergetyki i Sterowania Układów
Zwiększenie zdolności przesyłowej istniejących linii
napowietrznych 110 kV
Streszczenie W planowaniu rozwoju sieci atrakcyjne są liczne opcje modernizacyjne, polegające na zwiększeniu przepustowości termicznej
istniejących linii. Dotyczą one zwłaszcza starych linii, projektowanych przy przyjęciu temperatury granicznej roboczej przewodów +40�C.
Przedstawione w referacie sposoby charakteryzują się niskimi lub umiarkowanymi kosztami oraz krótkim czasem realizacji.
Abstract Nowadays, many options of modernization are attractive during a planning of a network development. The modernization allows to
increase the thermal rating of the existing lines. Especially it concerns the alder lines designed assuming the conductor temperature limit +40�C.
The short time of the realization and the low costs are the characteristics of the solutions of the modernization presented in the paper. (The
methods of increase of transmission capacity of electric power lines 110 kV).
Słowa kluczowe: linie napowietrzne, dynamiczna obciążalność termiczna, metody modernizacji termicznej, przewody
wysokotemperaturowe.
Keywords: overhead lines, dynamic thermal rating, uprating methods, high temperature conductors.
Wprowadzenie 2000 r. do sierpnia 2003 r. za pomocą trzech zestawów
Do 1989 r. napowietrzne linie przesyłowe były pomiarowych CAT-1 dostarczonych przez EPRI (USA).
projektowane w Polsce na temperaturę przewodów Zestaw taki umożliwia pomiar naciągu przewodu oraz
warunków atmosferycznych na danym słupie (prędkość i
roboczych 40�C. Z tego względu w wielu przypadkach
kierunek wiatru, temperatura i nasłonecznienie). Na
największym problemem w polskich sieciach wysokiego i
podstawie naciągu można w dokładny sposób określić
najwyższego napięcia jest obecnie niska, ze względu na
rzeczywistą przeciętną temperaturę przewodu w całej
zwisy, letnia obciążalność prądowa. Jest to problem
sekcji. Mierzone było także obciążenie prądowe
specyficzny dla linii 110 � 400 kV posiadających przęsła o
występujące w linii. Pomiar temperatury przewodu jest
stosunkowo dużej rozpiętości (z reguły powyżej 200m), a
także możliwy wzdłuż całej linii lub punktowo za pomocą
więc o dużym zwisie przewodów.
włókien światłowodowych umieszczanych w przewodzie
Ograniczona przepustowość termiczna uwydatniła się w
roboczym.
ostatnich latach, w warunkach rynku energii elektrycznej
(przepływy zależne od zawieranych kontraktów, rozwój
1000
energetyki rozproszonej itp.). Istnieje wiele sposobów
zwiększenia przepustowości termicznej linii. Do pierwszej 900
grupy należą sposoby nie wymagające żadnej lub prawie
800
żadnej modyfikacji linii: stosowanie metody dynamicznej
obciążalności prądowej (różne warianty), podwyższenie
700
temperatury granicznej roboczej przewodów itp. Do drugiej
600
grupy należą sposoby wymagające przebudowy linii w
mniejszym lub większym zakresie: zastosowanie
500
przewodów sektorowych, zastosowanie przewodów
400
stopowych lub przewodów wysokotemperaturowych o
małych zwisach, budowa nowej linii w istniejącym
300
 korytarzu w terenie. W efekcie przy planowaniu rozwoju
200
systemu, oprócz opcji z liniami prowadzonymi nowymi
00:00 00:00 00:00 00:00 00:00 00:00 00:00 00:00
trasami, dostępne są także liczne opcje modernizacyjne o 03-08-01 03-08-03 03-08-05 03-08-07 03-08-09 03-08-11 03-08-13 03-08-15
zróżnicowanych kosztach.
Rys. 1. Obciążalność dynamiczna linii z przewodami AFL-6
Obciążalność dynamiczna
240 mm2 w zmiennych warunkach atmosferycznych oraz
Dynamiczna obciążalność termiczna linii jest rozumiana
znamionowa obciążalność letnia (325 A)
jako graniczne obciążenie prądowe, powodujące w
aktualnych warunkach atmosferycznych osiągnięcie przez
Zastosowanie monitoringu na większej liczbie linii nie
przewody robocze temperatury granicznej roboczej. Na
jest, ze względów ekonomicznych, możliwe. Z tego powodu
rysunku 1 przedstawiono wyznaczoną na podstawie
w Polsce została opracowana prosta metoda obliczeniowa
pomiarów obciążalność dynamiczną linii z typowymi
obciążalności dynamicznej, która w swej istocie jest metodą
przewodami stosowanymi w liniach sieci 110 kV dla
probabilistyczną. Została mianowicie określona korelacja
przyjętej temperatury granicznej 40�C. Obciążalność
między obciążalnością linii a temperaturą powietrza (w
dynamiczna kształtuje się znacznie powyżej znamionowej
cieniu), dla różnych przewodów. Obciążalność dynamiczną
obciążalności letniej, która dla tego przewodu wynosi 325
wyznaczono jako kwantyl rozkładu prawdopodobieństwa,
A.
gwarantujący bardzo małe ryzyko przekroczenia
Istnieje szereg metod monitoringu, pozwalających
temperatury granicznej przewodów (poniżej 10-4) [3].
wyznaczać obciążalność w czasie rzeczywistym [1,2]. W
Określona na podstawie wyników trzyletnich pomiarów
Polsce badania terenowe wykonano w sześciu sekcjach
obciążalność dynamiczna różnych linii [3,6] uwzględnia
odciągowych dwóch linii 220 kV w okresie od września
rzeczywistą korelację wszystkich istotnych czynników
PRZEGL
D ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 82 NR 9/2006 95
atmosferycznych oraz typowe profile obciążenia linii. w którym g oznacza ciężar jednostkowy przewodu (w
Metoda jest łatwa do stosowania przez operatorów N/m�mm2), zaś � naprężenie w przewodzie ( w MPa). Mały
sieciowych, w tym także przy prognozowaniu zwis zapewniają więc przewody lekkie (małe g), o dużej
przepustowości linii w następnej dobie. Dla operatorów wytrzymałości (można zwiększyć wartość �) oraz o małym
ważna jest również znajomość możliwości współczynniku wydłużenia cieplnego (przy dużym wzroście
przeciążeniowych linii w stanach awaryjnych (rys. 2). temperatury występuje wtedy niewielki spadek �, czyli mały
przyrost zwisu f). Jak zawsze pożądane jest, aby materiał
przewodu posiadał jak największą konduktywność.
900
W wyniku wymiany nie powinna się zwiększyć średnica
60�C
800
przewodu ani zastosowany naciąg podstawowy oraz musi
700 być zapewniona ochrona przed skutkami drgań eolskich.
Trzeba także zapewnić koordynację zwisów przewodów
600
40�C roboczych i odgromowych. Możliwe jest zastosowanie
500
różnych przewodów: segmentowych, stopowych ze stopu
400
AlMgSi (AAAC), stopowo-stalowych (AACSR), ze stopu
aluminium z cyrkonem TAL (temperatura pracy do 150�C),
300
ZTAL (do 210�C) lub XTAL (do 230�C), z aluminium
200
całkowicie wyżarzonym 1350-0 (do 250�C). W Polsce są już
100
produkowane przewody wykonane z bardzo dobrego
materiału przewodowego o symbolu S (stop AlMgSi) i
0
-10 0 10 20 30
parametrach: wytrzymałość 340 MPa, konduktywność 54%
Temperatura otoczenia [�C]
IACS, temperatura graniczna robocza 110�C (tabela 1). W
opracowaniu są natomiast przewody typu HTLS (High
Rys. 2. Obciążalność dynamiczna (normalna oraz długotrwała i
Temperature Low Sag) wykonane z materiału stopowego
krótkotrwała w stanach awaryjnych) linii 110 kV z przewodami
TAL o parametrach: wytrzymałość 165 MPa, Kon-
AFL-6 240 mm2 projektowanych dla temperatury przewodów 40�C i
duktywność 58% IACS, temperatura graniczna robocza
60�C
150�C [4,5].
Warunkiem stosowania powyższej obciążalności
Tabela 1. Zastosowanie przewodów nowego typu przy
dynamicznej jest istnienie prawidłowych odległości
modernizacji linii 110 kV
pionowych przewodów w danej linii od ziemi i krzyżowanych
obiektów. Weryfikacja odległości pionowych, tj. ustalenie
Nowe przewody
Parametry Przewód
rzeczywistej temperatury granicznej roboczej przewodów,
linii/przewodu AFL-6 240
AAAC 240 AACSR
pozwala w wielu przypadkach na znaczne zwiększenie
185/30
przepustowości linii.
Temperatura
Modernizacja termiczna linii
graniczna robocza 52 72 91
Największe efekty w starych liniach uzyskuje się
[�C]
poprzez podwyższenie temperatury granicznej roboczej
Zwis przewodu1) [m] 8,39 8,39 8,39
istniejących przewodów oraz jednoczesne zastosowanie
obciążalności dynamicznej. Przyrost obciążalności linii 110
Znamionowa
kV w okresie letnim przy podwyższeniu temperatury
obciążalność 325 535 630
granicznej do 60�C wynosi nawet 50% (wg rys.2 dla prądowa2) [A]
temperatury otoczenia 30�C obciążalność normalna osiąga
Masa jednostkowa
0,971 0,670 0,744
520 A, czyli przyrost wynosi 520/350=1,5). Wymaga to
[kg/m]
wykonania aktualnych profili linii oraz zwykle niewielkich
Przekrój obliczeniowy
ingerencji na trasie linii, jak np.: skablowanie niektórych linii
276,2 242,5 213,6
[mm2]
nN i SN, wycinka drzew, skrócenie łańcuchów
przelotowych, niwelacja terenu, regulacja zwisów itp. W
Zastosowane
znamionowym przęśle o rozpiętości 300 m przyrost zwisu
naprężenie 18,7 15,7 15,9
wynikający ze wzrostu temperatury przewodu jest bowiem
codzienne [%]
niewielki i wynosi przeciętnie 3 cm/K. W czasie
Graniczna
modernizacji termicznej linii wymagana jest także ocena
temperatura pracy 80 110 110
stanu złączek i uchwytów zaprasowywanych oraz stanu
ciągłej [�C]
przewodu (korozja, pękanie zmęczeniowe drutów,
przestrzelenia itp.). Graniczny prąd
630 790 735
ciągły2) [A]
Jeżeli wymagany jest duży przyrost obciążalności linii
1)
(nawet 100% i więcej), niezbędna jest wymiana przewodów
Rozpiętość przęsła 300 m.
2)
roboczych. Można to wykonać bez ingerencji w pozostałe Temperatura powietrza +30�C, prędkość wiatru 0,5 m/s,
promieniowanie słoneczne 1000 W/m2.
elementy konstrukcyjne linii, bądz
z niewielką ingerencją w
te elementy (podwyższenie lub wymiana pojedynczych
Wyniki przykładowej analizy możliwości wymiany
słupów). Nowe przewody powinny się charakteryzować
istniejących przewodów w liniach 110 kV przedstawiono w
małym zwisem oraz wysoką dopuszczalną temperaturą
tabeli 1. Przewód stopowy AAAC 240 mm2 pozwala
pracy. Zwis przewodu w przęśle o rozpiętości a określa
podwyższyć temperaturę graniczną roboczą o 20 K czemu
znany wzór:
odpowiada przyrost obciążalności prądowej o 210 A.
Przewód stopowo-stalowy AACSR 185/30 mm2 wykazuje
a2g
(1) f = ,
jeszcze większą przydatność ponieważ podwyższenie
8�
temperatury granicznej roboczej wynosi blisko 40 K, zaś
przyrost obciążalności prądowej ponad 300 A. W obu
96 PRZEGL
D ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 82 NR 9/2006
Obciążalność [A]
przypadkach o zastosowanym naprężeniu codziennym Podsumowanie
decydowało zagrożenie drganiowe tych przewodów Przedstawione w referacie sposoby zwiększenia
(założono stosowanie tłumików drgań). Przyrost zdolności przesyłowej istniejących linii 110 kV należy
obciążalności prądowej wynika z mniejszego zwisu nowych rozpatrywać jako alternatywę do rozbudowy systemu o
przewodów (rys. 3). nowe linie. W efekcie przy planowaniu rozwoju systemu
dostępne są liczne opcje modernizacyjne o
10 zróżnicowanych kosztach i o krótkim czasie realizacji.
Oprócz stosowania w eksploatacji przez operatora sieci
tzw. obciążalności dynamicznej, istnieje także możliwość
9
AFL-6 240 zwiększenia przepustowości linii poprzez dostosowanie linii
Limit zwisu
do pracy z podwyższoną temperaturą graniczną roboczą
8
(60�C lub 80�C). Uzyskiwany przyrost obciążalności
AAAC 240
prądowej letniej jest co najmniej rzędu 50% (60�C) lub 85%
AACSR 185/30
7
(80�C).
Bez podwyższania i wzmacniania słupów można także
dokonać wymiany istniejących przewodów AFL na
6
przewody nowego typu. Charakteryzują się one małym
zwisem i wyższą graniczną temperaturą pracy ciągłej.
5
Przewody specjalne tzw. wysokotemperaturowe posiadają
20 30 40 50 60 70 80 90
Temperatura przewodu [�C] dodatkowo bardzo mały współczynnik wydłużenia
cieplnego. Uzyskiwany przyrost obciążalności jest co
najmniej rzędu 65% i może dochodzić do 250% w
Rys. 3. Zwis starego i dwóch nowych przewodów w przęśle o
przypadku przewodów wysokotemperaturowych. Przewody
rozpiętości 300 m
specjalne mogą być zastosowane np. tylko na wybranych
odcinkach linii stanowiących tzw. wąskie gardła.
Przewody wysokotemperaturowe o małych zwisach z
rdzeniem inwarowym lub kompozytowym stosowane są od
LITERATURA
1960r. zwłaszcza w Japonii, w związku z olbrzymimi
[1] Stephen R., Description and evaluation of options relating to
trudnościami z uzyskaniem prawa drogi. Pozwalają one na uprating of overhead transmission lines, CIGRE Paper B2-201,
Paris, 2004
okresowe silne przeciążanie linii z zachowaniem kryterium
[2] Hoffmann S.P., Clark A.M., The approach to thermal uprating
zwisów. Wymagana wysokość słupów jest niewiele
of transmission lines in the UK, CIGRE Paper B2-317, Paris,
większa, podobnie jak koszt przewodu
2004
wysokotemperaturowego. Wydłuża się jednak znacznie
[3] Siwy E., Żmuda K., Dynamiczna obciążalność termiczna
okres możliwej eksploatacji linii oraz uzyskuje się dużą
napowietrznych linii przesyłowych, Zeszyty Naukowe
elastyczność eksploatacyjną.
Politechniki Śląskiej  Elektryka , nr 186, Gliwice 2004
W Europie (np. w Wielkiej Brytanii) renesans przeżywają
[4] Siwy E., Żmuda K., Nowe możliwości zwiększenia zdolności
przewody stopowe, dotychczas stosowane tylko we Francji. przesyłowej linii napowietrznych 110, 220 i 400 kV, Materiały
konferencji  Kabel 2006 , Zakopane 2006
Wiąże się to z obniżeniem ceny tych przewodów, która
[5] Knych T., Mamala A., Uliasz P., Nowa generacja
obecnie jest na poziomie równoważnych przewodów AFL,
niskozwisowych odpornych na temperaturę
lub niewiele większa. Przewody stopowe mają większą
elektroenergetycznych przewodów gołych, Materiały
wytrzymałość i są lżejsze, a więc mają mniejszy zwis
konferencji  Kabel 2006 , Zakopane 2006
początkowy (rysunek 3 i tablica 1). Mają jedynie nieco
[6] Siwy E., Żmuda K., Dynamiczna obciążalność termiczna
większy współczynnik wydłużenia cieplnego oraz mniejszą
wybranych linii napowietrznych 110 kV, Opracowanie nie
odporność na drgania (wymagają tłumików drgań).
publikowane MZE 04-073JK wykonane na zlecenie GZE SA,
Pozwalają na wzrost obciążalności starych linii 110 kV Gliwice 2004
________________
blisko o 100% (tablica 1). Podobna sytuacja ma miejsce w
Autorzy: dr hab. inż. Kurt Żmuda, prof. Pol. Śl., Politechnika
starych liniach 220 kV [4].
Śląska, Instytut Elektroenergetyki i Sterowania Układów, ul.
Krzywoustego 2, 44-100 Gliwice, E-mail: [e-mail], dr
inż. Edward Siwy, Pol. Śl., IEiSU, ul. Krzywoustego 2, 44-100
Gliwice, E-mail: [e-mail];
PRZEGL
D ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 82 NR 9/2006 97
Zwis [m]