Bezpieczeństwo elektroenergetyczne terenów wiejskich

Wprowadzenie. Bezpieczeństwo elektroenergetyczne definiuje się m. in. jako stan gospodarki umożliwiający pokrycie bieżącego i perspektywicznego zapotrzebowania odbiorców na energię elektryczną w sposób technicznie i ekonomicznie uzasadniony, przy zachowaniu wymagań ochrony środowiska [1, 7]. Bezpieczeństwo elektroenergetyczne odbiorcy łączy się ściśle z bezpieczeństwem dostaw energii elektrycznej i uzależnione jest od jej niezawodnego oraz pewnego przesyłania i dystrybucji.

W Polsce lokalnie za bezpieczeństwo elektroenergetyczne odbiorców odpowiedzialne są samorządy terytorialne i przedsiębiorstwa energetyczne [13]. Zapewnienie bezpieczeństwa elektroenergetycznego wymaga budowy nowych źródeł energii, w tym lokalnych oraz rozbudowy i modernizacji infrastruktury elektroenergetycznej. Aby takie działania można było zaplanować konieczna jest m. in. analiza ciągłości zasilania odbiorców w energię elektryczną, w szczególności analiza zawodności elementów sieci [4, 5, 6]. Do tego celu wykorzystuje się różne wskaźniki niezawodności zasilania [2, 3, 4, 5, 8, 11, 12].

Cel, zakres i metoda pracy. Celem pracy była analiza zawodności sieci rozdzielczych średniego (SN) i niskiego (nN) napięcia. Dla potrzeb realizacji celu pracy wyznaczono wartości wskaźników najczęściej stosowanych w analizie lokalnego i regionalnego stanu bezpieczeństwa elektroenergetycznego i przebadano ich zmiany na przestrzeni dziesięciu lat, a także porównano wartości tych wskaźników z analogicznymi wielkościami opisującymi sieci krajowe.

Analizę przeprowadzono na przykładzie sieci wiejskich z terenu Małopolski, do której zalicza się obszary obecnego województwa małopolskiego i podkarpackiego. Znajdują się one w rejonach obsługi energetycznej sześciu przedsiębiorstw dystrybucyjnych.

Do wskaźników charakteryzujących zawodność elementów sieci elektroenergetycznych SN i nN, w szczególności linii napowietrznych i kablowych oraz transformatorów, najczęściej wykorzystywanych w analizach niezawodnościowych przez przedsiębiorstwa energetyczne, należą [5, 8]: częstość uszkodzeń, średni czas przerwy w dostawie energii elektrycznej z powodu awarii i wskaźnik awaryjności. Ten ostatni jest wyznaczany dla celów kompleksowej analizy niezawodności sieci. W pracy obliczono wartości wyszczególnionych wskaźników, przy czym określano oddzielnie zawodność linii napowietrznych i kablowych, w rozbiciu na niskie i średnie napięcie.

Wyniki badań. Tereny wiejskie Małopolski zasilane są w energię elektryczną za pośrednictwem ok. 22,4 tys. km linii SN, 43,1 tys. linii nN oraz blisko 18,4 tys. stacji transformatorowych SN/nN. Od 2002 roku liczba stacji transformatorowych wzrastała średnio w roku o ok. 1,8 %. Analogiczne przyrosty długości linii SN i nN w tym czasie wyniosły odpowiednio 1,3% i 0,5%, przy czym przyrosty długości linii kablowych były znacznie większe niż linii napowietrznych.

Interesującym ze względów porównawczych wskaźnikiem jest gęstość linii w przeliczeniu na km2 zasilanego obszaru. Jego wartości wyznaczone oddzielnie dla wiejskich sieci SN i nN zamieszczono w tabeli 1 wraz z gęstością wiejskich linii sieci krajowych. Uważa się, że wyższa gęstość linii jest gwarantem wyższej pewności zasilania odbiorców [5]. Na terenach Małopolski gęstość linii elektroenergetycznych w miastach jest blisko czterokrotnie większa niż na wsi.

Tabela 1. Gęstość wiejskich linii SN i nN

Obszar	Gęstość linii SN [km/km2]	Gęstość linii nN [km/km2]
Małopolska	0,74	1,43
Polska	0,72	0,90

Źródło: obliczenia autorki na podstawie danych spółek dystrybucyjnych i [10]

Innymi wskaźnikami charakteryzującymi infrastrukturę elektroenergetyczną są średnie długości linii SN i nN, średnie liczby odbiorców oraz ilości sprzedanej energii elektrycznej przypadające na jedną stację transformatorową SN/nN (tab. 2). Wielkości te nie uległy w Małopolsce znaczącym zmianom w ciągu ostatnich 10 lat.

Wskaźnikiem dobrze charakteryzującym opłacalność sprzedaży energii elektrycznej za pośrednictwem sieci jest roczna sprzedaż energii elektrycznej w przeliczeniu na stację transformatorową. Na terenach wiejskich Małopolski jest ona ok. cztery razy mniejsza niż w miastach, co potwierdza znacznie mniejszą opłacalność sprzedaży energii elektrycznej za pośrednictwem sieci wiejskich aniżeli miejskich.

Tabela 2. Wybrane wskaźniki charakteryzujące wiejską infrastrukturę elektroenergetyczną

Wskaźnik	Wartość
	Małopolska	Polska
Średnia długość linii SN przypadająca na stację transf. SN/nN [km/stację]	1,2	1,3
Średnia długość linii nN przypadająca na stację transf. SN/nN [km/stację]	2,4	1,6
Liczba odbiorców przypadająca na stację transf. SN/nN [odb./stację]	48	35
Sprzedaż energii elektrycznej ze stacji transf. SN/nN [MWh/stację]	110	107

Źródło: obliczenia autorki na podstawie danych spółek dystrybucyjnych i [10]

Wartości wskaźników charakteryzujących zawodność elementów sieci wiejskich w Małopolsce w roku 2012 i ich procentowe zmiany w latach 2003–2012 zestawiono w tabeli 3. W tabeli 4 przedstawiono analogiczne wartości w odniesieniu do wskaźników awaryjności.

Dla oceny zawodności elementów sieci wiejskich w Małopolsce porównano wartości poszczególnych wskaźników z ich wartościami dla sieci krajowych [5, 10]. Uzyskano wartości zbliżone, a w niektórych przypadkach nawet niższe niż dla sieci krajowych, które przecież obejmują również sieci miejskie, charakteryzujące się mniejszą zawodnością elementów sieci. Analogiczne porównania w odniesieniu do wskaźników awaryjności dały podobne wyniki.

Na uwagę zasługuje fakt, że w ciągu ostatniego dziesięciolecia większość analizowanych wskaźników uległa zmniejszeniu, a niektóre z nich jak np. współczynniki awaryjności linii kablowych zmniejszeniu znaczącemu. I chociaż trochę wzrosły średnie przerwy z powodu awarii transformatorów i linii kablowych SN, czy wskaźniki awaryjności linii napowietrznych nN, to można mówić o pewnej poprawie stanu bezpieczeństwa elektroenergetycznego na terenach Małopolski. Spośród elementów sieci objętych analizą najmniejszą awaryjnością charakteryzują się transformatory, chociaż średni ich wiek jest stosunkowo wysoki.

Wszystkie analizowane w pracy wskaźniki są cechami uznanymi. Nie wszystkie jednak muszą być tak samo przydatne do identyfikacji bezpieczeństwa elektroenergetycznego. Dla potrzeb oceny ich przydatności badano współczynniki zmienności i asymetrię rozkładu poszczególnych wskaźników [9]. Stwierdzono, że do wielkości najbardziej przydatnych w analizach niezawodnościowych można zaliczyć wskaźniki T p_Ln(nN) i T p_Ln(SN) .

Tabela 3. Wskaźniki charakteryzujące zawodność elementów sieci wiejskich w Małopolsce

Wskaźnik	Wartość	Procentowe zmiany
w u_Ln(SN) [szt./100 km]	7,4	– 16,6
w u_Lk(SN) [szt./100 km]	8,1	– 64,1
wu_TR [szt./100 szt.]	0,7	– 8,0
T p_ Ln(SN) [h]	3,6	– 7,3
T p_ Lk(SN) [h]	2,8	6,2
T p_ TR [h]	7,0	10,5
w u_Ln(nN) [szt./100 km]	90,3	– 1,3
w u_Lk(nN) [szt./100 km]	12,1	– 14,2
Tp_ Ln(nN) [h]	3,4	– 0,9
T p_ Lk(nN) [h]	3,9	– 32,2
gdzie: wu_L, wu_TR – wskaźnik uszkodzeń odpowiednio linii i transformatorów; Tp_L, Tp_TR - średni czas przerwy w dostawie energii elektrycznej z powodu awarii odpowiednio linii i transformatorów; Ln – linia napowietrzna; Lk – linia kablowa;

SN – średnie napięcie; nN – niskie napięcie

Źródło: obliczenia autorki na podstawie danych spółek dystrybucyjnych

Tabela 4. Współczynniki awaryjności sieci wiejskich w Małopolsce

Wskaźnik	Wartość ⋅ 10-4	Procentowe zmiany
q Ln(SN)	0,342	– 16,7
q Lk(SN)	0,714	– 65,5
q TR	0,053	0,3
q Ln(nN)	2,522	6,8
q Lk(nN)	0,321	– 21,1
gdzie: q L, q TR – współczynnik awaryjności odpowiednio linii i transformatorów; Ln – linia napowietrzna; Lk – linia kablowa; SN – średnie napięcie; nN – niskie napięcie

Źródło: obliczenia autorki na podstawie danych spółek dystrybucyjnych

Posumowanie. Przedstawione w pracy wskaźniki zawodnościowe należą do najczęściej stosowanych w analizie stanu bezpieczeństwa elektroenergetycznego lokalnego i regionalnego. Ich główną zaletą jest prostota obliczeń i wzajemne uzupełnianie informacji o pracy systemu. Ocena wartości analizowanych wskaźników jest możliwa w zasadzie tylko metodą analogii, a także poprzez analizę ich zmian w czasie.

Stwierdzono, że stan bezpieczeństwa elektroenergetycznego na terenach wiejskich Małopolski nie odbiega od przeciętnego krajowego i uległ pewnej poprawie w ostatnim dziesięcioleciu.

Na podstawie przeprowadzonej analizy stwierdzono, że spośród badanych wskaźników najbardziej przydatne do oceny bezpieczeństwa elektroenergetycznego odbiorców wiejskich są średnie przerwy w dostanie energii elektrycznej z powodu awarii linii napowietrznych niskiego oraz średniego napięcia.