Technologie

Modernizacja linii WN za pomocą przewodów ACCC® jako bardzo szybka alternatywa dla budowy nowych linii 400 kV

WSTĘP

Coraz większe trudności z uzyskaniem prawa drogi pod budowę nowych linii WN, skutkujące znacznym wydłużeniem procesu inwestycyjnego, czasem nawet koniecznością odstąpienia od budowy linii (np. linia 400 kV Kozienice-Ołtarzew), a przynajmniej długimi negocjacjami z mieszkańcami, które np. zapowiadają się na przygotowywanej do modernizacji linii 400 kV Kozienice-Miłosna, zmuszają do poszukiwania alternatywnych sposobów szybkiego sprostania zwiększonemu zapotrzebowaniu na energię elektryczną w wielkich aglomeracjach miejskich oraz dla zapewnienia bezpiecznej pracy systemu w stanach n-1 i n-2.

Fot. 1. Przewód ACCC® z rdzeniem kompozytowym z włókien węglowych i szklanych

Spośród wszystkich wysokotemperaturowych przewodów o małym zwisie HTLS (ang. High Temperature Low Sag) najlepszą odpowiedzią na aktualne potrzeby są niskostratne przewody ACCC® o małym zwisie. Płaska charakterystyka zwisu w małym stopniu zależna od temperatury pracy przewodu, wytrzymałość na rozciąganie większa często o ponad 50% od wytrzymałości innych przewodów, rezystancja (straty) mniejsza o 20–30% od przewodów AFL oraz innych HTLS, czynią ten przewód prawie idealną i szybką odpowiedzią na aktualne potrzeby krajowego systemu przesyłowego i dystrybucyjnego.
Idealną i szybką, ponieważ nie ma na rynku drugiego takiego przewodu, który przy takiej samej masie i średnicy jak masa i średnica zastępowanego przewodu AFL jest w stanie, osiągając swoją maksymalną obciążalność prądową w temp. 180°C, zmieścić się w zwisie linii projektowanych na +40°C i +60°C bez jakiejkolwiek ingerencji w konstrukcje wsporcze, przy takim samym lub mniejszym obciążeniu mechanicznym tych konstrukcji (masa ACCC® jest mniejsza lub równa masie AFL, a średnica taka sama = wymiana 1:1). Pozwala to przeprowadzić modernizację linii jako remont/prace eksploatacyjne – bardzo szybko i bez uciążliwych formalności.

Przykładowo, modernizując przystosowaną do pracy w maks. temp. +60°C jednotorową linię 400 kV z 2-przewodową wiązką z przewodami AFL-8 525 o średnicy 31,5 mm i masie 1980 kg/km za pomocą 2-przewodowej wiązki z przewodami ACCC® Budapest o średnicy 31,5 mm, masie 1980 kg/km i o maks. temp. pracy 180°C, w ciągu kilku miesięcy, bez konieczności załatwiania żmudnych formalności (wymiana przewodu 1:1 wykonana jako prace eksploatacyjne na linii) uzyskujemy bez podwyższania konstrukcji wsporczych zamiast obciążalności prądowej 2 x 727 A = 1454 A, trzykrotnie wyższą obciążalność ACCC® Budapest 2 x 2163 A = 4326 A, zmniejszając jednocześnie rezystancję linii o ok. 25%, co zrekompensuje zwiększenie strat powstałe na skutek chwilowej pracy linii w podwyższonej temperaturze.
 
Zastosowanie przewodów ACCC® do modernizacji takiej 1-torowej linii 400 kV z 2-przewodową wiązką AFL-8 525 jest w obecnych czasach protestów mieszkańców dużo bardziej optymalnym rozwiązaniem niż przebudowa tej linii na dwutorową z 3-przewodową wiązką przewodów 408-AL1F/34-UHST, co praktycznie oznacza budowę nowej linii po trasie starej, i co przy założeniu wykorzystania systemów ERS w celu minimalizacji okresów wyłączeń będzie trwało, nie biorąc pod uwagę spraw formalno-prawnych ok. 24 miesiące, a z załatwianiem służebności przesyłu ok. 36-48 miesięcy, nie wliczając w to okresów ew. przestojów z powodu protestów mieszkańców. Modernizację za pomocą ACCC® można wykonać 3 razy taniej i o kilka lat szybciej, w ciągu ok. 1,5-2 miesięcy wyłączając permanentnie linię lub w ciągu ok. 4-6 miesięcy przy założeniu wykorzystania systemów ERS w celu zapewnienia jedynie krótkotrwałych wyłączeń linii, uzyskując bezproblemowo w ciągu tych kilku miesięcy obciążalność prądową linii ciągłą  ok. 4400 A, a chwilową ok. 5000 A.

DLACZEGO PRZEWODY ACCC® ?

Przewód ACCC® posiada cechy, których nie posiada żaden inny przewód.
Jako jedyny spośród wszystkich przewodów przewód ACCC®, ze względu na własności kompozytowego rdzenia i drutów w stanie miękkim wyżarzonym, ma w dużej jej części płaską charakterystykę zwisu w zależności od temperatury i po przekroczeniu tzw. punktu kolanowego wzrost temperatury powoduje bardzo mały przyrost zwisu, co pozwala wykorzystać w pełni jego zdolność pracy w podwyższonych temperaturach bez konieczności podwyższania lub/i wzmacniania słupów oraz bez przebudowy ich fundamentów.
Możliwości innych technologii HTLS są w tym zakresie ograniczone co pokazuje Rys. 1.

Rys. 1. Punkt kolanowy przewodu ACCC® w niskiej temperaturze i płaska charakterystyka jego zwisu

Ponadto ze wszystkich przewodów o małym zwisie ACCC® generuje najmniejsze straty pracując w podwyższonej temperaturze, a pracując przy takim samym obciążeniu jak wymieniany przewód AFL ogranicza straty o 25–30% (sic!) w stosunku do strat występujących w linii z przewodem AFL (zgodnie z wzorem I2R, przy takim samym prądzie o stratach decyduje rezystancja). Dzięki zmniejszeniu strat po kilku latach inwestycja w droższy przewód ACCC® sama się spłaca.

KONSTRUKCJA PRZEWODÓW ACCC®

A. Rdzeń kompozytowy z włókien węglowych otoczonych włóknami szklanymi, w specjalnie modyfikowanej żywicy epoksydowej odpornej na wysokie temperatury. Od kilku lat oferowany jest również rdzeń ULS dla szczególnie długich przęseł i dla bardzo dużego obciążenia lodem.
B. Trapezoidalne druty z wyżarzonego aluminium o czystości 99,7% (produkowany również z drutami ALZr)
Przewody ACCC® zbudowane są z segmentowych drutów aluminiowych skręconych wokół rdzenia z kompozytu węglowo-szklanego. Przy ich konstruowaniu wykorzystano znane od wielu lat rozwiązania: wyżarzone aluminiowe druty, które stosowane są w przewodach ACSS od ponad 30 lat oraz specjalnie opracowany i opatentowany rdzeń z kompozytów węglowo-szklanych stosowanych np. od wielu lat w lotnictwie. Całkowicie wyżarzone aluminium w składzie chemicznym nie różni się niczym od wykorzystywanego w przewodach AFL. Wyżarzone aluminium jest w stanie miękkim, dzięki czemu nie ma takiego samego ograniczenia dopuszczalnej temperatury pracy jak twardociągnione aluminium i może być podgrzane do temperatury +250°C.
Innym rozwiązaniem zastosowanym przewodach ACCC® bazującym na konstrukcji przewodów ACSS/TW stosowanym także w przewodach ACSR/TW są druty segmentowe.

Fot. 2. Konstrukcja przewodu ACCC®

Kompozytowy rdzeń przewodów ACCC® jest dużo lżejszy i bardziej wytrzymały od stali. Dzięki większej wytrzymałości na rozciąganie można zastosować mniejszy i lżejszy rdzeń kompozytowy, który w połączeniu z drutami trapezoidalnymi umożliwia zwiększenie ilości aluminium o 25-30%. Włókna węglowe mają ujemny współczynnik rozszerzalności cieplnej, który w połączeniu z właściwościami włókien szklanych w zewnętrznej warstwie daje wynikowy współczynnik o wartości ok. 1,6×10-6 1/oC
– prawie 7-krotnie mniejszy niż stali, co w połączeniu z całkowicie wyżarzonym aluminium w stanie miękkim praktycznie eliminuje wzrost zwisu przewodu powyżej punktu kolanowego.

Dlaczego przewody ACCC® są najlepsze?

  1. ACCC® posiadają punkt kolanowy w niskich temperaturach oraz po jego przejściu płaską charakterystykę zwisów w zależności od temperatury, co skutkuje małym i stałym zwisem w wysokich temperaturach.
  2. ACCC® generują najmniejsze straty mocy I2R, o 25–40% mniejsze od AFL i o 10–40% mniejsze od innych przewodów HTLS. Dzięki znacznej redukcji strat inwestycja w ACCC® czasem cała się spłaca, a zawsze zwraca się różnica w kosztach zakupu w porównaniu z tańszymi HTLS.
  3. ACCC® zapewniają najwyższe (2-9 krotne) zwiększenie obciążalności prądowej, bez konieczności przebudowy konstrukcji wsporczych.

KORZYŚCI ZE STOSOWANIA PRZEWODÓW ACCC®

Szybkie zwiększanie obciążalności istniejących linii

W przewodach ACCC® możliwe jest zwiększenie ilości materiału przewodzącego dzięki zastosowaniu mniejszego i lżejszego, ale dużo bardziej wytrzymałego rdzenia kompozytowego w połączeniu z segmentowymi drutami aluminiowymi. Dopuszczalna temperatura pracy ciągłej przewodu ACCC® wynosi +180oC, co przy zachowaniu prawie stałego zwisu w wysokich temperaturach umożliwia często nawet trzykrotne zwiększenie obciążalności w stosunku do przewodów AFL pracujących w dopuszczalnej temperaturze +60ºC, a pracujących w temperaturze +40oC nawet czterokrotne.
Należy zwrócić uwagę, że poprzez dopasowanie przewodów ACCC® do rozmiarów istniejących przewodów AFL i dzięki płaskiej charakterystyce zwisów przewodów ACCC®, możliwe jest szybkie zwiększenie obciążalności istniejących linii jedynie poprzez wymianę przewodów 1:1 bez konieczności podwyższania lub/i wzmacniania słupów. Brak konieczności ingerencji w konstrukcje wsporcze i fundamenty umożliwia bardzo szybką wymianę przewodu AFL na ACCC®, którą wykonuje jako prace eksploatacyjne. W porównaniu z budową nowej linii lub nawet wymianą przewodów AFL na AFLs lub na inne technologie HTLS, operacja zawieszenia przewodów ACCC® nie wymaga długiego procesu uzyskiwania pozwolenia na budowę i załatwiania służebności przesyłu.
Poniżej przykład szacunkowych kosztów modernizacji 1-torowej linii 400 kV
z przewodami 2 x AFL-8 525 za pomocą 2x ACCC® Budapest jako tańszej i szybszej alternatywy dla budowy nowej 2-torowej linii 400 kV z przewodami 3 x 408-AL1F/34-UHST

DOŚWIADCZENIA EKSPLOATACYJNE

Do chwili obecnej zainstalowano w Polsce ok. 900 km przewodów ACCC® w 18 instalacjach wykonanych w ciągu ostatnich 9 lat. Za wyjątkiem pierwszej instalacji z 2008 r., wykonanej bardzo szybko (95 km linii w 30 dni), przez niedoszkolonych i źle wyposażonych monterów, wszystkie pozostałe 17 instalacji nie stwarzało żadnych problemów, a wykonywane były bardzo trudne instalacje np. przejście przez Wisłę z przęsłem 1159 m.
Ponad 42 000 km ACCC® sprawdzonych w wieloletniej eksploatacji na przestrzeni 12 lat, w ponad 450 instalacjach na całym świecie, w różnych warunkach terenowych i klimatycznych, świadczy o tym, że jest to dojrzała i w pełni sprawdzona technologia.
Obecnie każda instalacja przewodu ACCC® wykonywana jest przez przeszkolone i doświadczone ekipy montażowe, posiadające nowoczesny sprzęt oraz mające każdorazowe wsparcie twórców technologii ACCC® m.in. w postaci nadzoru nad instalacją!

PODSUMOWANIE

Biorąc pod uwagę wyżej wymienione zalety przewodów i korzyści jakie mogą odnieść wszystkie zainteresowane strony, a przede wszystkim firmy zajmujące się przesyłem i dystrybucją energii oraz nasze środowisko naturalne, można stwierdzić, że przewody ACCC® zapewniają najbardziej efektywny sposób przesyłania energii napowietrznymi liniami wysokiego napięcia i rzetelnie analizując wszystkie opcje nie można ich nie wziąć pod uwagę zarówno przy budowie nowych linii jak również przy modernizacji istniejących.

Jak widać z przedstawionego przykładu, zastosowanie przewodów ACCC® do modernizacji 1-torowej linii 400 kV
z 2-przewodową wiązką AFL-8 525 jest w obecnych czasach protestów mieszkańców dużo bardziej optymalnym rozwiązaniem niż przebudowa tej linii na dwutorową z 3-przewodową wiązką przewodów 408-AL1F/34-UHST, co praktycznie oznacza budowę nowej linii po trasie starej, i co przy założeniu wykorzystania systemów ERS w celu minimalizacji okresów wyłączeń będzie trwało nie biorąc pod uwagę spraw formalno-prawnych ok. 24 miesiące, a z załatwianiem służebności przesyłu ok. 36-48 miesięcy, nie wliczając w to okresów ew. przestojów z powodu protestów mieszkańców. Modernizację za pomocą ACCC® można wykonać 3 razy taniej i o kilka lat szybciej, w ciągu ok. 1,5 miesiąca wyłączając permanentnie linię lub w ciągu ok. 4-6 miesięcy przy założeniu wykorzystania systemów ERS w celu zapewnienia jedynie krótkotrwałych wyłączeń linii, uzyskując bezproblemowo w ciągu tych kilku miesięcy obciążalność prądową linii ciągłą  ok. 4400 A, a chwilową ok. 5000 A.
Przewody ACCC® pracują prawie na wszystkich kontynentach często w ekstremalnych warunkach terenowych i klimatycznych. Dzięki jej nie mającym sobie równych właściwościom technicznym, rynek przekonał się do tej nowoczesnej technologii oferującej niezrównaną efektywność przesyłu energii. Świadczy o tym ponad 42 000 km zakupionych w ostatnich 11 latach istnienia przewodów ACCC® na rynku, na ok. 200 000 km zainstalowanych do tej pory od początku lat 70-tych wszystkich rodzajów przewodów HTLS oraz szybko wzrastająca liczba składanych nowych zamówień.
W Europie oprócz Polski przewody ACCC® pracują już w Belgii, Wlk. Brytanii, RFN, Estonii, Portugalii i Hiszpanii, a w kilku innych krajach wkrótce zaczną pracować.

Fot. 3. Mapa instalacji przewodu ACCC®

Nasuwa się pytanie, czy jest w ogóle sens inwestować w termiczną modernizację linii, które mają po kilkadziesiąt lat. Odpowiedź jest taka, że wg obecnych trendów czas eksploatacji linii WN szacuje się na ok. 80 lat, a wiszących na niej przewodów na ok. 40 lat, więc wymiana przewodów AFL na nowe ACCC® daje możliwość obsłużenia ze znacznie większą obciążalnością prądową tych następnych 40 lat.

Oczywiście lepiej jest wybudować nową linię na innej trasie lub zburzyć istniejącą linię i w jej miejsce postawić nową. Operator jednak musi zawsze zadać sobie pytanie, szczególnie np. po doświadczeniach w aglomeracji warszawskiej, czy stać go na wieloletnie oczekiwanie aż nowa linia zostanie wybudowana po pokonaniu wszelkich przeszkód i po załatwieniu wszelkich formalności, co w przypadku niektórych linii może trwać wiele lat, nawet przy założeniu skorzystania przez Operatora z niedawno nowelizowanej ustawy o korytarzach przesyłowych.

W wielu przypadkach pilność szybko wzrastającego zapotrzebowania na przesył oraz protesty mieszkańców wymuszają zastosowanie przewodów HTLS, spośród których ACCC® są najlepszym, najszybszym (modernizacja w 3-4 miesiące) i najbezpieczniejszym rozwiązaniem, ponieważ ich instalacja nie wymaga modyfikacji słupów i spośród wszystkich technologii HTLS generują one najmniej strat podczas pracy w podwyższonej temperaturze, która nb. w przypadku przewodów ACCC® jest zawsze niższa niż w innych przewodach HTLS o takiej samej średnicy, przy takim samym prądzie.
Na podstawie przeprowadzonych analiz (np. przez niemiecki RWE), można powiedzieć, że zastosowanie przewodu o małym zwisie, odracza dzięki zwiększeniu obciążalności prądowej, konieczność budowy nowej linii o ok. 20 lat, a w przypadku przewodów ACCC® o 30-40 lat.

UWAGA:

Nie każdy przewód z rdzeniem kompozytowym ma takie same własności np. przewód Lo-Sag™ z drutami ALZr w stanie twardym zwisa znacznie niżej od ACCC® z drutami w stanie miękkim wyżarzonym o podobnych parametrach, co ilustruje Rys. 2.

Rys. 2. Charakterystyka zwisu f [m] w funkcji temperatury T[ºC] pracy przewodów ACCC® i podobnego przewodu Lo-Sag™, ale z drutami ALZr

Wynika to z faktu, że temperatura załamania temperaturowej charakterystyki zwisu (punkt kolanowy charakterystyki), która jest kluczowym parametrem pracy wysokotemperaturowego przewodu o małym zwisie i zależy m.in. od własności materiałów użytych do produkcji przewodu, jest dla przewodów z drutami ALZr zawsze wyższa od temperatury załamania dla przewodów z drutami z czystego aluminium w stanie miękkim wyżarzonym. Przewód Lo-Sag™ z powodu posiadania oplotu ALZr ma temp. punktu kolanowego o kilkadziesiąt stopni wyższą i dlatego zdąży on opaść 1-3 metry więcej od przewodu ACCC® o takiej samej średnicy, zanim druty ALZr przestaną się rozszerzać.
W krajach Europy Zachodniej, gdzie przewód Lo-Sag™ powstał, nie ma to w większości przypadków żadnego znaczenia, ponieważ linie WN budowane są tam z użyciem wysokich konstrukcji wsporczych, dzięki czemu istnieje duży zapas zwisu przewodu w stosunku do zwisu dopuszczalnego.

W Polsce, ze względu na oszczędność stali budowano bardzo niskie konstrukcje wsporcze zaprojektowane do pracy przewodu AFL w temp. +40ºC.
Dlatego w polskich warunkach bardzo ważne jest miejsce występowania punktu kolanowego na charakterystyce zwisu – w im niższej temperaturze on występuje tym lepiej, bo od tego punktu charakterystyka zwisu ulega „spłaszczeniu”, gdyż wtedy przyrost zwisu przewodu jest zależny wyłącznie od charakterystyki materiału rdzenia, którego współczynnik rozszerzalności cieplnej jest znacznie mniejszy niż aluminiowego oplotu.

Konieczność podwyższania słupów dla zastosowania technologii Lo-Sag™ stawia pod dużym znakiem zapytania celowość stosowania tej drogiej technologii, bo można w takich sytuacjach stosować dużo tańsze przewody ACSS i ACSS/TW.

Uwaga: Lo-Sag™ jest zastrzeżonym znakiem towarowym firmy Nexans i jest używany w tym opracowaniu wyłącznie w celu jednoznacznego oznaczenia wyrobu tej firmy w porównaniach z przewodem ACCC®, którego oznaczenie jest zastrzeżonym znakiem towarowym firmy CTC Global.

Wojciech A. SOKOLIK
Zircon Poland Sp. z o.o.

Click to comment

Leave a Reply

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

To Top