Podstawy elektroenergetyki - ebook

WSTĘP

Problematyka energetyczna pojawia się w mediach oraz codziennych rozmowach Polaków częściej niż kiedykolwiek. Głównym tematem rozmów są „ceny prądu”, to właśnie prąd bowiem jest synonimem energii elektrycznej, która często nie jest postrzegana jako towar, lecz jako dobro, którego powszechna dostępność jest dla wielu osób „oczywistą oczywistością”. Dlatego też próby dopasowania cen energii do kosztów ponoszonych przez sektor elektroenergetyki spotykają się ze znacznie ostrzejszą reakcją społeczną niż podwyżki artykułów takich jak żywność, meble, nie mówiąc już o samochodach czy cenach mieszkań. Inna sprawa, że odpowiedź spółek obrotu energią elektryczną na chwilowy światowy wzrost cen surowców (węgla, gazu ziemnego) w 2022 r. zawierała w sobie nadmierną wycenę czynników ryzyka, której ograniczenie wymagało rządowej interwencji w formie „mrożenia cen”.

Powszechnie wiadomo, że są dziedziny, w których wszyscy uważają się za ekspertów, dotyczy to z pewnością zdrowia i piłki nożnej. Teraz do takich dziedzin można zaliczyć elektroenergetykę. Jako przyczynę wysokich (czy faktycznie?) cen energii elektrycznej wymienia się w mediach jednym tchem zbyt niski udział źródeł odnawialnych w miksie energetycznym (w szczególności zahamowanie w 2016 r. rozwoju energetyki wiatrowej na lądzie), zbyt duży udział źródeł węglowych z kosztami obciążonymi ceną uprawnień do emisji CO₂ (obwiniana jest za to Unia Europejska), zbyt wolny rozwój energetyki jądrowej (w szczególności reaktorów modułowych SMR wzbudzających medialne nadzieje) oraz zbyt stare i wyeksploatowane sieci elektroenergetyczne. W tych poglądach są oczywiście elementy prawdziwe, ale w gruncie rzeczy opinia społeczna i media nie zajmują się problemem znacznie bardziej istotnym niż większa lub mniejsza podwyżka cen. W uproszczeniu problem ten można zapisać w formie pytania: czy prądu nie zabraknie lub czy czeka nas blackout. Elektroenergetycy wiedzą, że „brak prądu” oraz „blackout” nie są synonimami – brak możliwości pokrycia zapotrzebowania na energię elektryczną nie musi mieć charakteru gwałtownego i globalnego, który określamy terminem blackoutu. Okazuje się, że im bardziej staramy się wniknąć w szczegóły funkcjonowania systemu elektroenergetycznego, tym bardziej dochodzimy do wniosku, że nie da się ich zrozumieć bez odpowiedniego zasobu wiedzy specjalistycznej. O ile dla przeciętnego uczestnika dyskusji na forach internetowych nie jest ona niezbędna, o tyle dla tysięcy osób zaangażowanych w proces transformacji energetycznej powinna być uznana za podstawową. Być może nie zabraknie miliardów złotych na budowę nowych linii i stacji elektroenergetycznych, elektrowni jądrowych, morskich i lądowych farm wiatrowych, wszechobecnej fotowoltaiki, magazynów energii, infrastruktury służącej elektromobilności i budynków zeroemisyjnych. Realny jest natomiast brak świadomych i wykształconych kadr, które w tym procesie będą odgrywały kluczową rolę – wynika to z demografii i oceny zasobów „siły roboczej”.

W zamiarze autorów niniejsza książka ma stanowić pomoc w kształceniu inżynierskim pierwszego i drugiego stopnia specjalistów elektrotechników i energetyków oraz osób reprezentujących inne specjalności, zaangażowanych w transformację energetyczną – elektroników, informatyków, specjalistów z zakresu inżynierii środowiska, inżynierii mechanicznej i logistyki. Wieloletnie doświadczenia autorów obejmujące procesy inwestycyjne w energetyce, zarówno na etapie projektowania, jak i budowy, oraz eksploatację systemu elektroenergetycznego wskazują, że biorą w nich udział także prawnicy i ekonomiści, a nawet przedstawiciele kierunków humanistycznych, którzy niezwykle szybko absorbują wiedzę specjalistyczną. Pod ich kątem przygotowano obszerne fragmenty tej książki, tak by hermetyczny język pojęć i akronimów nie stanowił bariery dla ich entuzjazmu i chęci działania w sektorze energetycznym.

Książka składa się z trzynastu rozdziałów. Rozdział 1 to krótki rys historyczny rozwoju elektroenergetyki wskazujący na znaczącą rolę inżynierów i wynalazców, która jest nieco przysłonięta nazwiskami uczonych kojarzonych z podstawowymi prawami i jednostkami elektrotechniki. Rozdział 2 to szeroki przegląd problematyki energetycznej – statystyki krajowe i światowe, technologie wytwarzania energii elektrycznej, struktura systemu elektroenergetycznego i perspektywy dla Polski wynikające z procesu transformacji. Rozdział 3 – najbardziej rozbudowany, to podstawowe informacje o elementach systemu elektroenergetycznego ze szczególnym naciskiem położonym na linie, transformatory i stacje. Rozdziały 4 oraz 5 opisują dwie najważniejsze grupy problemów związanych z pracą systemu elektroenergetycznego – kwestie napięciowe oraz straty sieciowe. Rozdział 6 zapoznaje Czytelnika z najważniejszym problemem obliczeniowym SEE – wyznaczaniem rozpływów mocy. Rozdział 7 formułuje i wskazuje metody rozwiązania problemów optymalizacji systemów elektroenergetycznych. Rozdział 8 omawia problematykę zakłóceń, ponieważ zachowanie systemu w stanach zakłóceniowych istotnie wpływa na jego właściwości i parametry. Rozdział 9 omawia problematykę przyłączania do sieci nowych źródeł, starając się wytłumaczyć tysiącom inwestorów i milionowi prosumentów, jak wpływają ich instalacje (istniejące i planowane) na system elektroenergetyczny i z jakim poziomem ryzyka zaburzeń ich pracy powinni się liczyć. Rozdział 10 omawia problemy stabilności systemu elektroenergetycznego, czyli takiej jego właściwości, która umożliwia utrzymanie jednostek wytwórczych w stanie równowagi w każdym stanie pracy. Rozdział 11 to krótki przegląd zagadnień elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej, czyli urządzeń, które zapewniają identyfikację i eliminację stanów zakłóceniowych i bezpieczeństwo pracy tej części systemu, która pozostaje poza strefą zakłócenia. Mając na uwadze właściwości niektórych urządzeń pracujących w systemie elektroenergetycznym, w rozdziale 12 omówiono problemy jakości energii elektrycznej. Ponieważ obecnie większość analiz systemu elektroenergetycznego jest wspierana za pomocą narzędzi informatycznych, w rozdziale 13 dokonano przeglądu programów komputerowych traktowanych jako standardy obliczeniowe – na świecie i w Polsce. Natomiast bibliografia zawiera blisko 300 pozycji – jest obszerna, ale i tak wiele tekstów, w szczególności wartościowych opinii prezentowanych na portalach specjalistycznych, nie znalazło w niej miejsca.

Wiele treści zawartych w książce to wynik doświadczeń autorów, którzy od ponad 20 lat pracują na styku zakresów działania operatorów systemów elektroenergetycznych oraz inwestorów planujących przyłączanie do sieci nowych źródeł – zarówno największych bloków węglowych oraz farm OZE, jak i małych instalacji czy prosumentów. Z przedstawicielami tych wszystkich podmiotów autorzy odbywali mnóstwo dyskusji, z których czerpali inspirację co do zakresu przedstawianych treści. Dlatego też autorzy kierują wyrazy podziękowania dla przedstawicieli PSE S.A. oraz spółek operatorskich OSD, jak również reprezentujących inwestorów przedstawicieli stowarzyszeń – Polskiego Stowarzyszenia Energetyki Wiatrowej i Polskiego Stowarzyszenia Fotowoltaiki oraz fundacji Forum Energii i Instytutu Energii Odnawialnej za wieloletnią inspirującą współpracę. Dodatkowo autorzy kierują słowa podziękowania dla spółki Polskie Sieci Elektroenergetyczne S.A. – Operatora Systemu Przesyłowego oraz dla Politechniki Lubelskiej, za finansowe wsparcie wydania prezentowanego podręcznika. W książce autorzy wykorzystali materiały ilustracyjne i informacje opracowane przez wybitnych specjalistów: profesora Józefa Paskę z Politechniki Warszawskiej (w zakresie wytwarzania energii elektrycznej) oraz profesora Waldemara Dołęgę z Politechniki Wrocławskiej (w zakresie sieci przesyłowych i dystrybucyjnych oraz stacji), za co również przekazują wyrazy wdzięczności.

Szczególne wyrazy wdzięczności i szacunku autorzy kierują pod adresem profesora Jana Machowskiego z Politechniki Warszawskiej za ukierunkowanie ich rozwoju naukowego i wieloletni życzliwy mentoring.

Lublin, lipiec 2024

Piotr Kacejko, Paweł PijarskiOZNACZENIA

Wykaz najważniejszych oznaczeń

A – energia

a, a² – operatory obrotu

B – susceptancja

bśr – średnia odległość między przewodami

C – pojemność

cosφ – współczynnik mocy

cp – ciepło właściwe materiału przewodnika

E – wartość skuteczna siły elektromotorycznej

f – częstotliwość

G – konduktancja

i – wartość chwilowa prądu

I – wartość skuteczna prądu

I₀ – składowa zerowa prądu

ICw – prąd własny linii

– początkowy prąd zwarcia

Im – część urojona liczby zespolonej

Irs – składowa okresowa prądu rozruchowego silnika

IzC – całkowity prąd zwarcia doziemnego

j – operator liczby urojonej

kb – współczynnik bezpieczeństwa

kc – współczynnik czułości

kp – współczynnik powrotu

ks – współczynnik schematowy mocy granicznej

l – długość

L – indukcyjność

m – masa jednostkowa przewodu

ni – przekładnia przekładników prądowych

nu – przekładnia przekładników napięciowych

P – moc czynna

Q – moc bierna

r – promień przewodu

R – rezystancja

Re – część rzeczywista liczby zespolonej

rz – promień zastępczy przewodu

S – moc pozorna

s – pole przekroju części czynnej przewodu

– moc zwarciowa

t – czas

T – temperatura, czas lub elektromechaniczna stała czasowa

Ts – czas użytkowania mocy szczytowej

u – wartość chwilowa napięcia

U – wartość skuteczna napięcia

U₀ – składowa zerowa napięcia

X – reaktancja

Y – moduł admitancji

Z – moduł impedancji

γ – konduktywność

ϑ – przekładnia transformatora

τ – stała czasowa

τS – czas trwania maksymalnych strat

φ – kąt fazowy

χ – współczynnik udaru

ω – pulsacja

Γ, T, Π – oznaczenia czwórników odpowiednio gamma, te, pi

Wykaz najważniejszych skrótów

AFD – ang. Active Frequency Drift

APKO – automatyka przeciwkołysaniowo-odciążająca

APP – automatyka przeciwprzepięciowa

ARCM – automatyczna regulacja mocy czynnej i częstotliwości

ARNE – automatyczna regulacja napięć elektrowni

ARST – automatyczna regulacja stacji transformatorowej

AWSC – automatyka wymuszania składowej czynnej

BESS – ang. Battery Energy Storage System

CIGRE – fr. Conseil International des Grands Reseaux Electriques

DFIG – ang. Double Fed Induction Generator

EAZ – elektroenergetyczna automatyka zabezpieczeniowa

ED – ang. Economic Dispatch

ERO – ekonomiczny rozdział obciążeń

FACTS – ang. Fexible AC Transmission Systems

FC – ang. Full Converter

FPV – farma fotowoltaiczna

FSR – ang. Fixed Shunt Reactor

FW – farma wiatrowa

GPZ – główny punkt zasilający

GR – generacja rozproszona

HVDC – ang. High Voltage Direct Current

IEEE – ang. Institute of Electrical and Electronics Engineers

KSE – Krajowy System Elektroenergetyczny

LoM – ang. Loss of Mains

NC ER – ang. a network code on electricity emergency and restoration

NN – najwyższe napięcia

nn – niskie napięcie

OPF – ang. Optimal Power Flow

OSD – Operator Systemu Dystrybucyjnego

OSP – Operator Systemu Przesyłowego

OZE – odnawialne źródło energii

PCC – ang. Point of Common Coupling

PLC – ang. Power Line Carrier lub Power Line Communication

PPE – punkt poboru energii

PSE – Polskie Sieci Elektroenergetyczne S.A.

PSS – ang. Power System Stabiliser

RFT – ang. Ride Fault Through

RoCoF – ang. Rate of Change of Frequency

RS – rozdzielnica sieciowa

SCADA – ang. Supervisory Control And Data Acquisition

SCO – samoczynne częstotliwościowe odciążanie

SCOPF – ang. Security Constrained Optimal Power Flow

SEE – system elektroenergetyczny

SFS – ang. Sandia Frequency Shift

SGU – ang. Significant Grid User

SN – średnie napięcie

SNO – samoczynne napięciowe odciążanie

SO – szyna obejściowa, pomocnicza

SOPF – ang. Special Optimal Power Flow

SPZ – samoczynne ponowne załączenie

SVS – ang. Sandia Voltage Shift

SZR – samoczynne załączenie rezerwy

THD – ang. Total Harmonic Distortion

UC – ang. Unit Commitment

UE – Unia Europejska

URE – Urząd Regulacji Energetyki

V2G – ang. Vehicle to Grid

VSR – ang. Variable Shunt Reactor

WN – wysokie napięcie

Wykaz najważniejszych indeksów

Indeksy dolne

_ – dolne podkreślenie przy wielkości oznacza liczbę zespoloną

0 – dotyczący wartości początkowej w przebiegu czasowym

0, 1, 2 – dotyczące odpowiednio składowej zerowej, zgodnej, przeciwnej

AC, DC – dotyczące składowej okresowej i nieokresowej prądu zwarcia

avg – średni

Cu – odnoszący się do miedzi

d, q – dotyczący osi podłużnej i poprzecznej wirnika generatora

E – dotyczący ziemi (ang. earth)

f – dotyczący uzwojenia wzbudzenia

Fe – odnoszący się do żelaza

G – dotyczący generatora

i, u – dotyczy przekładni przekładników odpowiednio prądowych i napięciowych

K – dotyczący zwarcia

K1 – dotyczący zwarcia jednofazowego

K2 – dotyczący zwarcia dwufazowego

K2E – dotyczący zwarcia dwufazowego z ziemią

K3 – dotyczący zwarcia trójfazowego

L – dotyczący linii elektroenergetycznej

L1, L2, L3, N – dotyczący przewodów fazowych i przewodu (punktu) neutralnego w systemie trójfazowym

m – dotyczący wielkości maksymalnej lub szczytowej przebiegu sinusoidalnego

M – dotyczący silnika

Q – dotyczący źródła zastępczego

S – dotyczący systemu lub sieci

T – dotyczący transformatora

th – cieplny

Indeksy górne

″ – odnoszący się do stanu podprzejściowego

′ – odnoszący się do stanu przejściowego

b – dotyczący składowej biernej prądu

c – dotyczący składowej czynnej prądu1
ELEKTROENERGETYKA – POCZĄTKI ODLEGŁE, ALE TERMINOLOGIA ZNAJOMA

Pomimo że wielu naukowców jako swoją specjalność badawczą wymienia elektroenergetykę, to z historycznego punktu widzenia elektroenergetyka wydaje się dyscypliną inżynierską stworzoną na podstawach teoretycznych elektrotechniki, która z kolei wyodrębniła się z nauk ścisłych. Oprócz elektrotechniki, elektroenergetyka korzysta także z osiągnięć fizyki, matematyki, mechaniki, techniki cieplnej, inżynierii materiałowej, teorii regulacji oraz ekonomii. Obejmuje całokształt problemów związanych z różnymi technologiami wytwarzania energii elektrycznej, z problemami jej przesyłania i dystrybucji do odbiorców korzystających z odbiorników, których sprawność i efektywność jest co prawda coraz wyższa, ale jest ich coraz więcej.

Generację energii elektrycznej poprzedziło wytwarzanie energii mechanicznej w procesie konwersji energii chemicznej zawartej w paliwie. Symbolem tych rozwiązań jest maszyna parowa oraz szkocki wynalazca James Watt (1736–1819), który w 1763 r. w sposób zasadniczy usprawnił silnik parowy Thomasa Newcomena (1664–1729). Konieczne jest przypomnienie wynalezienia ponad sto lat później tłokowego silnika spalinowego (Carl Benz – 1878 r.) oraz silnika wysokoprężnego (Rudolf Diesel – 1893). Wykorzystanie energii wody znane było już w starożytności, a XIX wiek przyniósł wiele rozwiązań turbin wodnych, których nazwy pochodzą od ich wynalazców (Banki-Michella, Peltona, Francisa, Kaplana, Deriaza) i które są wykorzystywane także dzisiaj. Opanowanie wytwarzania energii mechanicznej w postaci ruchu obrotowego było impulsem do poszukiwania rozwiązania kolejnego problemu – jej konwersji do postaci energii elektrycznej.

Jako Europejczycy przyjmujemy, że pierwszy układ wytwarzania i przesyłu energii elektrycznej został zademonstrowany na Wystawie Elektrotechnicznej we Frankfurcie w 1891 roku. Liczył aż 175 km, linia napowietrzna pracowała na napięciu 20 kV, w układzie zainstalowano dwa transformatory – podwyższający napięcie i obniżający napięcie potrzebne do zasilania silnika o mocy 74 kW. Pomimo tak dużej odległości sprawność przesyłu wyniosła 75%. Osiągnięcie to nie byłoby możliwe, gdyby nie zastosowanie prądu przemiennego oraz związanych z nim urządzeń – generatora, transformatorów i silnika. Wynalazki te przypisywane są inżynierowi polskiego pochodzenia – Michałowi Doliwo-Dobrowolskiemu (1862–1919). Urodzony w Rosji syn polskiego szlachcica przybył z rodzicami do Niemiec w 1881 r., a po ukończeniu Politechniki w Darmstadt skupił się na projektowaniu i konstruowaniu trójfazowych urządzeń prądu przemiennego, czego zwieńczeniem był wspomniany wyżej układ przesyłowy. Do końca swojego niezbyt długiego życia Doliwo-Dobrowolski uczestniczył w projektowaniu i budowie komercyjnych elektrowni wykorzystujących energię wody (na Renie) oraz pary wodnej (w Zabrzu i Chorzowie). Należy także wspomnieć o poprzedzających te osiągnięcia wynalazkach wiążących się z prądem stałym. Belgijski inżynier Zenobe Gramme (1826–1901) wynalazł w 1871 r. komutator, co pozwoliło na rozwój maszyn prądu stałego. Niemiecki wynalazca i konstruktor Werner von Siemens (1816–1892) skonstruował szereg układów napędowych wykorzystujących ten rodzaj maszyn. Wykorzystując prąd stały, francuski inżynier Marcel Deprez (1843–1918) zademonstrował w 1882 r. układ przesyłowy Miesbach – Monachium o długości 50 km (z prądnicą i silnikiem skonstruowanym według wynalazku Gramme’a, o napięciu 2000 V). Niestety wykorzystanie przewodów stalowych o małych przekrojach (linia telegraficzna) nie pozwoliło na uzyskanie satysfakcjonującej sprawności (była poniżej 50%).

O ile w Europie przejście od prądu stałego do prądu przemiennego nastąpiło w sposób naturalny, o tyle w Stanach Zjednoczonych wojna AC versus DC może być porównana do współczesnych zmagań zwolenników i przeciwników energetyki wiatrowej. Pionierem zastosowania prądu przemiennego był Nikola Tesla (1856–1943) inżynier narodowości serbskiej, absolwent Politechniki w Gratzu, który po przybyciu do Ameryki w 1882 roku opatentował silnik prądu przemiennego. Początkowa współpraca Tesli z genialnym wynalazcą Thomasem Edisonem (1847–1931) zakończyła się wieloletnim konfliktem, w którym Edison odrzucał sens i bezpieczeństwo układów AC, uznając za możliwy do stosowania wyłączenie prąd stały. Jego przekonania i wpływy biznesowe oraz polityczne doprowadziły okresowo do wprowadzenia zakazu stosowania prądu przemiennego jako niebezpiecznego dla ludzi. Edison już trzy lata po wynalezieniu przez siebie żarówki (1879) wybudował w Nowym Jorku elektrownię na prąd stały, a sprzedaż tych źródeł światła sięgała tysięcy sztuk. Pomimo wcześniejszych prób wykorzystywania prądu przemiennego, jako rok uruchomienia pierwszej dużej amerykańskiej elektrowni przyjmuje się 1895, kiedy to powstała elektrownia wykorzystująca energię wodospadu Niagara. Zainstalowano tam dziesięć hydrogeneratorów o mocy 3,7 MW każdy, a głównych ich projektantem był Nikola Tesla pracujący dla spółki Westinghouse Electric Company. Jej właścicielem był George Westinghouse (1846–1914) – wynalazca, samouk i przedsiębiorca wspierający i wykorzystujący pomysły Tesli. Podsumowując ten krótki rys historyczny rozwoju elektroenergetyki, należy wspomnieć, że najbardziej znana w Polsce warszawska elektrownia cieplna na Powiślu powstała w 1904 r., a zainstalowane w niej trzy turbogeneratory miały łączną moc 1,5 MW. Do wybuchu II wojny światowej elektrownia warszawska osiągnęła moc 83 MW. Pierwsze tramwaje elektryczne w Warszawie zostały uruchomione już w 1908 r., a do ich zasilania wybudowano osobną elektrownię o mocy 3,6 MW. Historię światowej i polskiej elektroenergetyki opisuje wiele pozycji literatury, m.in. , , , w których uwidacznia się jej związek z rozwojem gospodarczym i społecznym wielu państw i regionów.

Wynalazki i rozwiązania techniczne związane z elektroenergetyką nie byłyby możliwe bez podstaw teoretycznych, które już w XVIII tworzyli wybitni uczeni. Ich nazwiska są dobrze znane, wykorzystano je bowiem do zdefiniowania jednostek miar stosowanych w elektrotechnice lub związanych z nią podstawowych pojęć i praw. Najważniejsze z tych postaci przedstawiono poniżej:

Luigi Galvani – włoski lekarz i fizyk (1737–1798), Alessandro Volta – włoski fizyk (1745–1827), Andre Amper – francuski matematyk i fizyk (1775–1836), Hans Christian Oersted – duński fizyk (1777–1851), Michael Faraday – angielski fizyk i chemik (1791–1867), Georg Ohm – niemiecki fizyk (1789–1854), Gustaw Kirchhoff – niemiecki fizyk (1824–1887), James Clerk Maxwell – szkocki fizyk i matematyk (1831–1879).