Ograniczanie strat energii w elektroenergetycznych liniach przesyłowych w wyniku zastosowania nowych nisko-stratnych przewodów

Waldemar Szpyra, Rafał Tarko, Wiesław NowakWydział Elektrotechniki, Automatyki Informatyki

i Inżynierii Biomedycznej, Katedra Elektrotechniki

i Elektroenergetyki

Tadeusz Knych, Andrzej MamalaWydział Metali Nieżelaznych, Katedra Przeróbki Plastycznej

i Metaloznawstwa Metali Nieżelaznych

KonferencjaElektroenergetyczne linie napowietrzne i kablowe

wysokich i najwyższych napięćWisła, 18 - 19 października 2017

Plan prezentacji

• Geneza podjęcia tematu

• Zakres przeprowadzonych badań

• Obliczanie rezystancji przewodów

• Obliczenia strat energii w linii

• Projekty przewodów nisko-stratnych

• Podsumowanie

10:43:48 2

Geneza podjęcia tematu

Poprawa efektywności energetycznej poprzez ograniczenie

strat energii w sieciach przesyłowych.

Od 2013 roku włączono do stosowania nowo

zaprojektowany przewód 408-AL1F/34-UHST

- obniżenie obciążeniowych strat energii o ok. 12%

PSE S.A. poszukując dalszych możliwości ograniczenia strat

energii uruchamia długofalowy program badawczy

ukierunkowany na opracowanie nowych rozwiązań

konstrukcyjnych i materiałowych w przewodach linii

napowietrznych 400 kV.

W 2016 roku – zmiany w normalizacji dotyczącej

projektowania linii WN – słupy serii E33 nie spełniają

wymagań norm.

10:43:48 3

Zakres przeprowadzonych badań

Opracowanie nowych konstrukcji przewodów wraz z

wyznaczeniem ich parametrów mechanicznych – AGH

Katedra Przeróbki Plastycznej i Metaloznawstwa Metali

Nieżelaznych.

Porównanie opracowanych konstrukcji przewodów pod

względem mechanicznym w typowych przęsłach oraz

opracowanie nowych konstrukcji słupów – Energoprojekt

Kraków.

Obliczenia parametrów elektrycznych zaprojektowanych

przewodów i linii elektroenergetycznych, obliczenia strat

energii, oraz pola elektromagnetycznego w otoczeniu linii –

AGH – Katedra Elektrotechniki i Elektroenergetyki.

10:43:48 4

Zakres przeprowadzonych badań

Obliczenia w zakresie mechaniki przewodów oraz odporności

na drgania wywołane zjawiskami aerodynamicznymi – AGH

Katedra Automatyzacji Procesów.

Obliczenia w zakresie emisji do środowiska zakłóceń

akustycznych (hałasu) – AGH Katedra Mechaniki i

Wibroakustyki.

Konsultacje w zakresie ograniczeń produkcyjnych nowych

przewodów – znaczące polskie firmy produkujące przewody

do linii napowietrznych.

10:43:48 5

Projekty przewodów nisko-stratnych

Rodzaje przewodów:

• stalowo-aluminiowe (ACSR),

• jednorodne ze stopów na osnowie aluminium (AAAC),

• stopowo-aluminiowe (ACAR),

• specjalne (z przewodzącymi rdzeniami wykonanymi ze stopów

na bazie miedzi).

Konstrukcje opracowano dla:

• wiązek 3-przewodowych kompatybilnych ze słupami E33,

• wiązek 3-przewodowych i nowych konstrukcji słupów S3,

• wiązek 4-przewodowych i nowych konstrukcji słupów S4.

Łącznie opracowano i zbadano 80 różnych konstrukcji przewodów

10:43:48 6

408AL1F/34-

UHST

468/24-

AL1F/UHST-261

350/24-

AL1F/UHST-227

Obliczanie rezystancji przewodów

Dla prądu stałego rezystancja przewodu zależy od

rezystywności materiału, oraz od jego temperatury:

10:43:48 7

1

1

4

Lwi i

dc i ii

n d

R w

ρi – rezystywność materiału drutów w i-tej warstwie,

di – średnica drutów w i-tej warstwie,

Lw – liczba warstw przewodu,

wi – współczynnik wydłużenia drutów w i-tej warstwie

Dla prądu przemiennego, przy wyznaczaniu rezystancji

przewodu należy dodatkowo uwzględnić:

• efekt naskórkowości,

• straty w rdzeniu - prądy wirowe, histereza (dla przewodów z

rdzeniem stalowym),

• zmianę gęstości prądu w poszczególnych warstwach przewodu

w wyniku oddziaływania zmiennego pola elektromagnetycznego.

(tzw. efekt transformatorowy).

Obliczanie rezystancji przewodów

Wpływ naskórkowości jest tym

większy im większa jest średnica

przewodu i mniejsza rezystywność

10:43:48 8

1,01

1,02

1,03

1,04

1,05

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Rac/R

dc

Temperatura przewodu, °C

Dp = 29,7 mm

Dp = 25,3 mm

1,00

1,05

1,10

1,15

0 200 400 600 800 1000

Rac/R

dc

Prad, A

Dr = 8 mm

Dr = 6.3 mm

Zależność stosunku Rac/Rdc od

średnicy rdzenia i wartości prądu

płynącego w przewodzie

z rdzeniem stalowym i trzema

warstwami aluminiowymi

Obliczanie rezystancji przewodów

Ponieważ rezystancja przewodu zależy od temperatury,

a temperatura przewodu podczas przepływu prądu zależy

również od jego rezystancji, wartość rezystancji można

obliczyć metodą iteracyjną na podstawie równania bilansu

cieplnego w przewodzie:

10:43:48 9

0ac S C RP P P P

Pac– moc wydzielona w przewodzie w wyniku prądu płynącego w

przewodzie, PS – moc zaabsorbowana przez przewód na skutek promieniowania

słonecznego, PC – moc oddawana z przewodu poprzez konwekcję,PR – moc oddawana z przewodu poprzez promieniowanie,

Obliczanie rezystancji przewodów

Wpływ zjawisk zachodzących w przewodzie przy przepływie

prądu przemiennego na moc wydzieloną w przewodzie

10:43:48 10

0

2

4

6

8

10

0 200 400 600 800 1000

Prz

yro

stP

ac,

%P

dc

Prąd [A]

Przyrost łącznie

Efekt naskórkowości

Histereza i prądy wirowe

Efekt "transformatorowy"

Obliczenia strat energii w linii - metoda

Chwilowe straty mocy są proporcjonalne do rezystancji,

zależnej zarówno od temperatury przewodu jak i prądu

płynącego przez przewód.

Rozwiązując numerycznie równanie bilansu cieplnego

przewodu otrzymuje się moc wydzieloną w przewodzie

w wyniku prądu płynącego przewodem w danej chwili czasu

– jest to jednocześnie moc chwilowych strat w przewodzie.

10:43:48 11

3L pw acP t L P t 8760

1

3t

L pw ac

t

E L P t

Obliczenia strat energii w linii - założenia

Obliczenia strat energii wykonano przy założeniu,

że w linii z projektowanymi przewodami płynie taki sam prąd

jak zarejestrowany w okresie od 1 grudnia 2014 r. do 30

listopada 2015 w rzeczywistych liniach przesyłowych:

• Kozienice – Miłosna (KOZ-MIL),

• Rogowiec – Płock (ROG-PLO),

• Płock – Grudziądz (PLO-GRU),

Warunki atmosferyczne (temperatura powietrza, prędkość

i kierunek wiatru oraz natężenie promieniowania

słonecznego) w poszczególnych godzinach ustalono na

podstawie pomiarów w stacjach meteorologicznych płożonych

najbliżej linii, dla których wykonywano obliczenia.

10:43:48 12

Wyniki obliczeń strat energii w liniach

10:43:48 13

LiniaPrzewody referencyjne Przewody wybrane

2×AFL 8-525 AFL 8-350 408-AL1F/34-UHST 468/24-A1F/UHST-261 350/24-A1F/UHST-227

Straty energii w linii, [MWh/km/rok]KOZ-MIL 211,6 198,9 175,0 153,0 148,5ROG-PLO 245,3 230,8 203,0 177,7 172,8PLO-GRU 101,0 95,1 83,6 73,3 71,4

Ograniczenie strat w stosunku do strat w linii z przewodami 3 × 2 × AFL 8-525, [%]KOZ-MIL 6,0 17,3 27,7 29,8ROG-PLO 5,9 17,2 27,6 29,6PLO-GRU 5,8 17,2 27,4 29,3

Ograniczenie strat w stosunku do strat w linii z przewodami 3 × 3 × AFL 8-350, [%]KOZ-MIL 12,0 23,1 25,4ROG-PLO 12,0 23,0 25,1PLO-GRU 12,1 22,9 25,0

Ograniczenie strat w stosunku do strat w linii z przewodami 3 × 3 × 408-AL1F/34-UHST [%]KOZ-MIL 12,6 15,1ROG-PLO 12,5 14,9PLO-GRU 12,4 14,7

Podsumowanie

Zastosowanie w liniach przesyłowych opracowanych

nowych, nisko-stratnych przewodów umożliwi

ograniczenie strat w sieciach przesyłowych o około

12% do 15% w stosunku do strat w liniach z wiązkami

wykonanymi z przewodów 408-AL1F/34-UHST, w

stosunku do linii z przewodami 3 × AFL 8-350 o 25%,

a w stosunku do linii w wiązkami 2 × AFL 8-525 o

blisko 30%.

10:43:48 14

DZ IĘKUJĘ

Z A

UWAGĘ