Recenzja rozprawy doktorskiej mgra inż. Pawła Kubka pt. Analiza zwiększenia zdolności przesyłowej eksploatowanych linii napowietrznych wysokiego i najwyższego napięcia

K A T E D R A SIE C I E L E K T R Y C Z N Y C H I Z A B E Z P IE C Z E Ń

P O L I T E C H N I K A L U B E L S K A

W Y D Z I A Ł E L E K T R O T E C H N I K I I IN F O R M A T Y K I

te l.(+ 4 8 81) 53 84 360, f a x (+ 48 81) 538 43 19 http://w eii.pollub.pl e-m ail: w e.kseiz@ pollub.pl

Lublin, 22 czerwca 2015 r.

dr hab. inż. Piotr M iller p.m iller@ pollub.pl tel. 502 180 550

R e ce n zja ro zp ra w y doktorskiej

mgr inż. Pawła Kubka

Podstaw ą opracow ania niniejszej recenzji jest uchw ała Rady W ydziału Eklektycznego Politechniki Śląskiej z dnia 28 kw ietnia 2015 r. oraz pism o Dziekana W ydziału Elektrycznego Politechniki

Śląskiej Pana Profesora Paw ia Sowy z dnia 29 kwietnia 2015 r.

R e cen zja ro zp ra w y doktorskiej

„Analiza zwiększenia zdolności przesyłowej eksploatowanych linii napowietrznych

wysokiego i najwyższego napięcia”

1

W y b ó r tem atu ro zp ra w y

A utor we w stępie rozpraw y zw rócił uwagę na dwie główne przyczyny zm ienności rozpływów m ocy w K rajow ym System ie Elektroenergetycznym . Przyczyny te to rozwój rynku energii oraz rozwój lokalnych źródeł wiatrowych. Biorąc pod uwagę, że wiele krajowych linii napowietrznych zbudowano przed kilkudziesięciu laty, oraz że były one projektow ane z przyjęciem niskiej tem peratury granicznej roboczej, należy się spodziewać, że obie powyżej wskazane przyczyny będą prowadziły do występow ania przeciążeń linii elektroenergetycznych. Poszukiw anie m ożliw ości zwiększenia zdolności przesyłowej krajow ych sieci przesyłow ych i dystrybucyjnych jest więc ja k najbardziej uzasadnione. A le m ożna także wskazać inne aspekty potwierdzające trafność w yboru tematu.

Operatorzy sieci dystrybucyjnych zobligow ani są m ocą ustawy do prezentow ania tzw. dostępnych m ocy przyłączeniow ych. W w ielu przypadkach w ykazują oni zerow e m ożliwości przyłączania nowych wytw órców energii. N ie podejrzew ając ich o niechęć do źródeł rozproszonych zakładam, że taka ocena

ich m ożliwości przyłączeniowych w ynika z obawy o infrastrukturę sieciową. Fakt, że m ożna bardziej efektywnie wykorzystać infrastrukturę ju ż istniejącą, bądź przy stosunkowo niewielkich nakładach podwyższyć jej param etry powinna sprawić, że ich polityka „ochrony sieci” przed źródłami rozproszonym i ulegnie złagodzeniu.

Obciążalność linii elektroenergetycznych to jed en z głównych param etrów wpływających na wnioski z tzw. ekspertyz przyłączeniowych. W ram ach takich ekspertyz opracowuje się m.in. wykaz niezbędnych inwestycji związanych z przyłączeniem analizow anego źródła energii, np. farmy wiatrowej, do K rajow ego Systemu Elektroenergetycznego (także innych źródeł przewidzianych do w łączenia w analizow anym okresie). Przyjęcie do obliczeń statycznego, sezonowego m odelu obciążalności linii elektroenergetycznych może prowadzić do wyraźnego przeszacow ania wym aganych kosztów inwestycyjnych, a koszty te na pewno pojaw ią się w dokum entach precyzujących warunki przyłączenia oraz w um owach przyłączeniowych. Sposób szacowania tych kosztów oraz ich cedowanie na podm ioty przyłączane są często kością niezgody pom iędzy operatorami sieci dystrybucyjnych i inwestorami. Także w tym przypadku zastosow anie dynamicznych modeli obciążalności linii i proponowanie mniej kosztow nych sposobów popraw y ich param etrów może zm ienić tą sytuację.

Od lat zajm uję się obliczeniam i technicznym i prowadzonym i na różnych m odelach sieci SEE. W obliczeniach rozpływow ych przyjm uje się zazwyczaj statyczny, tzw. sezonowy model obciążalności prądowej linii. W różnych program ach rozpływow ych stosowany jest różny sposób zadaw ania tych param etrów i nie zaw sze jest to podział na dwa sezony: letni i zim owy. W program ie PSLF można w param etrach linii podać 8 różnych wartości obciążalności (rate A, rate B, itd.) i w czasie obliczeń wybrać, z której wartości program ma korzystać (wybór dotyczy całego modelu). W program ie PLANS m ożna podać 4 wartości obciążalność, przy czym w najnowszych wersjach programu m ożna te param etry interpretować zarów no jak o wartości sezonowe, ja k i opis liniowej zależności obciążalności od tem peratury. W trakcie obliczeń w ybiera się, dla jakich tem peratur prowadzone są obliczenia. Opracowanie dynam icznego m odelu obciążalności linii i jego implem entacja w programach obliczeniowych byłoby znaczącym wzm ocnieniem narzędzi tego typu.

O wadze i aktualności tem atu świadczyć może również projekt, którego opis dostępny jest na stronie internetowej http://sdzp.pl. Projekt p.t. ”Dynamiczne zarządzanie zdolnościami przesyłowymi sieci elektroenergetycznych przy wykorzystaniu innowacyjnych technik pomiarowych” finansowany jest

przez N C BiR oraz Fundusz O chrony Środowiska i jest zbieżny z tem atem opiniowanej rozprawy doktorskiej.

Biorąc powyższe pod uwagę uznaję tem atykę rozprawy za ważną, aktualną oraz wybraną prawidłowo, zarów no pod względem naukowym ja k i praktycznym.

2

O gó ln a ocena ro zp ra w y

O piniow ana rozpraw a zaw iera 113 stron tekstu wraz z ilustracjami, wzorami oraz spisem literatury obejm ującym 99 pozycji. Uzupełniona jest pięciom a załącznikam i, które w m oim odczuciu stanowią integralną i w ażną część pracy. Całość dokum entu liczy więc 170 stron.

Część głów na rozpraw y podzielona została na pięć rozdziałów plus rozdział podsumowujący. W pierwszym rozdziale, wprow adzającym , postaw iono tezę rozprawy, która brzmi następująco:

„Możliwe je s t zastosowanie nowych, niskonakładowych metod zwiększenia zdolności przesyłowych

istniejących krajowych linii napowietrznych 110 i 220 k V \

Sposób sform ułow ania tezy jest niezw ykle prosty, uważam jednak, że jest on prawidłowy, tym bardziej, że w pracy Autorowi udało się udowodnić praw dziw ość tej tezy.

Przegląd literatury, obejm ujący zagadnienia związane z m eteorologią i klimatologią, m ateriałoznaw stw em , a także z technicznym i aspektami projektowania, konstrukcji i badania elektroenergetycznych linii napow ietrznych został przeprow adzony rzetelnie. Daje się zauważyć faktycznie zaznajom ienie się D oktoranta z treścią om aw ianych publikacji. W wykazie literatury znalazły się także pozycje dotyczące statystyki, procesów w ym iany ciepła, analizy system ów elektroenergetycznych oraz m odelowania. O sobną grupę stanow ią normy, broszury techniczne i raporty. N ajstarsza pozycja w wykazie literatury datow ana jest na 1929 rok, najnow sza pochodzi z roku 2012. Dziesięć pozycji literaturow ych pow stało przy w spółudziale Autora rozprawy.

W rozdziale drugim A utor rozpraw y poddał analizie warunki pogodowe (tem peraturę, siłę i kierunek w iatru oraz nasłonecznienie) decydujące o prądowej obciążalności linii napowietrznych. A nalizie podlegały zarów no dane pogodowe dostępne na stronie internetowej M inisterstw a Infrastruktury i Rozw oju ja k również dane zarejestrow ane przez system CAT-1 i zgrom adzone w ram ach program u badaw czego realizowanego, m.in. przez Politechnikę Śląską (nie jest do końca jasne, czy także z udziałem A utora rozprawy). Porównanie dwóch, a nawet trzech zestawów danych (pod uwagę wzięto także dane pochodzące bezpośrednio z IMGW ) pozw oliło stwierdzić, że dane pogodowe pochodzące z bezpośrednich pom iarów są reprezentatyw ne i m ogą zostać wykorzystane do badań związanych z realizacją rozprawy. Taki sposób przygotow ania pola do badań należy uznać za słuszny. N a uwagę zasługują, poruszone przez A utora w końcówce rozdziału (kontynuow ane następnie w rozdziale czwartym) zagadnienia zw iązane z poprzecznym rozkładem tem peratury wewnątrz przew odu bim ateriałow ego (np. przew odu AFL). Często pom ijany w analizach obciążalności prądowej poprzeczny rozkład tem peratury, w ystępujący m iędzy rdzeniem a zew nętrzną powierzchnią przewodu m oże m ieć, ja k wykazał Autor, istotny wpływ na rzeczywiste zw isy przew odów w linii, szczególnie

w przypadku przew odów niskozw isowych. M oże to prowadzić do błędnych wniosków przy stosowaniu dynamicznych obciążalności linii. Uważam tą część rozprawy za jedno z jej osiągnięć.

W nioski z analizy w arunków pogodowych i ich wpływu na obciążalność prądow ą linii napow ietrznych stały się podstaw ą do opracow ania m odelu obciążalności linii opisanego w rozdziale trzecim . A utor skonfrontował w nim proponowany przez siebie model obciążalności prądowej wykorzystujący pom iary tem peratury otoczenia i prędkości wiatru z modelami statycznymi (sezonowym i) oraz dynam icznym i, ale wykorzystującym i tylko pom iar temperatury. Autor zaobserw ow ał bardzo silny wpływ prędkości wiatru na obciążalność prądow ą przewodów linii napowietrznej. Zauw ażył również dużą korelację prędkości wiatru i tem peratury otoczenia, która z kolei charakteryzuje się dodatkow o dużą stabilnością w czasie i przestrzeni. Uzasadnia także brak konieczności ciągłego m onitorow ania pozostałych param etrów pogodowych (nasłonecznienia i kąta natarcia wiatru). Tutaj przyznam, że przystępując do lektury rozpraw y spodziewałem się, że w tym rozdziale otrzym am końcow ą zależność, na podstaw ie której będzie m ożna obliczyć obciążalność prądow ą linii napowietrznej w określonych warunkach pogodowych, czyli uzależnioną od wszystkich czterech param etrów pogodowych. Zależność analityczną A utor podał, ale jest zupełnie inna niż się spodziewałem . Doktorant, dzięki tem u że jego m odel ma charakter probabilistyczny, um ożliwiający zadanie określonego poziom u ryzyka, w yelim inow ał z m odelu niestabilne i trudne do zm ierzenia param etry pogodowe, jakim i są nasłonecznienie i kąt natarcia wiatru. Uważam to za kolejne, ważne osiągnięcie rozprawy. N atom iast analityczny zapis rozkładu obciążalności prądowej opracowany na podstawie m odelu znacznie podniesie jego użyteczność.

W rozdziale czwartym A utor poddał bardzo dokładnej analizie m echanikę przew odów linii napowietrznej. W analizie tej uw zględnił nieliniowość charakterystyki rozciągania przewodów, poprzeczny rozkład tem peratury w przewodach b¡materiałowych a także wpływ długoterminowego pełzania m etalurgicznego przew odów na ich m echanikę. W rozdziale tym zbadany został także wpływ łańcuchów izolatorów odciągow ych na zwis przew odów linii napowietrznej. Uw zględnienie tych wszystkich elem entów znacznie w ykracza poza stosowaną dotychczas praktykę prezentow ania tego typu analiz.

Rozdział piąty to przegląd m etod zwiększania zdolności przesyłowej istniejących linii napowietrznych. W śród wym ienionych m etod Autor zwrócił uwagę na m ożliw ość zastosowania m onitoringu (pośredniego lub bezpośredniego) i wykorzystania dynamicznego m odelu obciążalności linii w celu efektywnego w ykorzystania tej obciążalności. W przypadku niewystarczalności tej m etody można, zdaniem Doktoranta, zastosować inne, niskonakładowe metody, których zadaniem jest podniesienie granicznej tem peratury roboczej linii. Najprostsze polegają na regulacji zwisów i naprężeń, przeprow adzeniu drobnych ingerencji w konstrukcje wsporcze czy też osprzęt, nieco

bardziej skom plikow ane prow adzą do w ym iany przew odów linii na tzw. przew ody niskozw isowe (HTLS). W szystkie w iążą się ze znacznie m niejszym i nakładam i finansowym i niż wybudowanie nowych linii.

Ostatnie rozdziały rozpraw y to podsum ow anie i wnioski, w których znalazła się także inform acja o planach realizacji dalszych zadań badawczych, wykaz literatury oraz zestaw pięciu załączników, w których znalazł się opis m odeli m atem atycznych służących do w yznaczania obciążalności prądowej linii, tablice obciążalności prądowej wyznaczone dla linii z przewodam i AFL- 6 240 m m 2 w oparciu o m odel obciążalności opisany w rozdziale 3 rozprawy, analiza czynników pogodow ych w ystępujących w na obszarze południowej Polski oraz przykłady zastosow ań przewodów niskozw isow ych w KSE.

Podsum owując, ogólna ocena rozpraw y jest w moim odczuciu bardzo pozytywna.

3

U w agi szczegółowe i krytyczn e

A utor rozpraw y nie ustrzegł się niestety błędów redakcyjnych. N a stronie 4 w w ykazie oznaczeń mamy:

a a - naprężenie w oplocie przewodu,

a r - naprężenie w oplocie przewodu,

Praw dopodobnie w tym drugim przypadku chodzi o naprężenie w rdzeniu przewodu.

N a stronie 67 w ystępuje niew łaściw e odwołanie do rys.4.4. Moim zdaniem powinno to być odwołanie do rysunku 4.1.

N a stronie 100 (dw a w iersze nad rysunkiem 5.6 oraz w podpisie pod rysunkiem 5.6) oraz na stronie 101 (pierwszy wiersz) bardzo „niesforne” okazało się słowo „niskozw isow ych”.

N a stronie 102 (tuż pod rys. 5.8) A utor niew łaściw e odwołał się do rys. 5.6 i 5.7. M oim zdaniem powinno to być odw ołanie do rysunków 5.7 i 5.8.

Istnienie podrozdziału 5.3.1. na stronie 96 sugeruje, że gdzieś dalej znajdzie się podrozdział 5.3.2. Tym czasem dalej je s t ju ż tylko punkt 5.4. Jakie je st więc uzasadnienie podziału treści zawartych w punkcie 5.3?

W tytułach załączników A. 1 i A.2 pojaw iło się nadm iarow e „do” : „M odel m atem atyczny do służący

załącznika A .ł został popraw iony. M yślę, że w tym przypadku A utor stał się „ofiarą” łatwości korzystania z opcji kopiuj-wklej edytora tekstów.

Są to tylko przykłady zauw ażonych przeze m nie błędów redakcyjnych. Było ich więcej, należy jednak stwierdzić, że nie są to bardzo rażące błędy i nie w pływ ają na odbiór całości rozprawy. Pracę czyta się dobrze, nie m a w niej błędów stylistycznych czy rzeczowych a wykład prowadzony przez Autora jest jasny i zrozum iały.

Poniżej kilka uwag o charakterze dyskusyjnym:

• W ydaje się, że w tytule rozpraw y brakuje słowa „m ożliw ości”. Czyli tytuł brzm iałby wówczas: „A naliza m ożliw ości zw iększenia zdolności przesyłowej eksploatowanych linii napowietrznych wysokiego i najw yższego napięcia” . Tym bardziej, że słowo „m ożliw e” w ystępuje w tezie rozprawy. Teza rozprawy zakłada, że możliwe je st zastosowanie nowych, niskonakładowych metod zwiększenia zdolności przesyłowych istniejących krajowych linii napowietrznych 110

i 220 kV i taką m ożliw ość Autor analizuje i udowadnia.

• Uważam, że podpis pod rys. 1.1. nie jest do końca skorelowany z tym, co ten rysunek prezentuje. Przede wszystkim brakuje mi tutaj oznaczenia osi wykresów, co m ogłoby nieco pomóc w jego zrozum ieniu. Tym czasem o ile oś rzędnych jest w m iarę oczywista, o tyle trzeba się chwilę zastanowić nad tym, co przedstaw ia oś odciętych, ale na pewno nie m ożna się posiłkować podpisem pod rysunkiem, bo na pewno nie jest to stopień obciążenia krajowych linii 110 kV. • Także w przypadku tablicy 2.2 jej tytuł nie odpowiada zawartości. W tablicy nie m a „kolejnych

m iesięcy” ja k sugeruje tytuł, natom iast je st ja k rozum iem przyporządkowanie wybranych param etrów pogodow ych do przedziałów tem peratury otoczenia. N ie potrafię niestety zinterpretow ać tych danych i tutaj prosiłbym o wyjaśnienie.

• We wzorze (3.4) 7m ax w ystępuje po prawej stronie zależności, tym czasem zwykle wielkość obliczaną (wyznaczaną) na podstawie innych wielkości um ieszczam y po lewej stronie zależności. Czy to przestaw ienie m a jakieś wytłum aczenie?

• W kilku m iejscach, np. str. 15 i str. 19, D oktorant przeprowadza testy zgodności uzyskanego rozkładu praw dopodobieństw a z układem normalnym (w przypadku tem peratury otoczenia) lub z układem logarytm iczno-norm alnym (w przypadku prędkości wiatru). Negatyw ny wynik testów tłum aczy zbyt dużą liczebnością próby. Czy faktycznie istnieje jakaś „m asa krytyczna” wielkości próby, po przekroczeniu której testy zgodności zawodzą? W ydaje się, że im większa próba, tym łatwiej rozpoznać jej właściwości. A m oże nie tyle wielkość próby jest problemem

r

ile fakt, że wraz ze w zrostem wielkości próby rośnie relatyw nie liczba pom iarów błędnych czy brakujących, co m oże wpływ ać na w ynik testów zgodności?

• Załączniki A .l oraz A.2 zostały opracow ane na podstaw ie raportu zawartego w Broszurze Technicznej nr 207 CIGRE. A utor w spom niał tylko, że podobne wyniki m ożna uzyskać przy zastosow aniu am erykańskiego standardu IEEE Std. 738-1993. Standard amerykański m a już now ą wersję: IEEE STANDARD 738-2012 - IEEE Standard fo r Calculating the Current- Temperature Relationship o f Bare Overhead Conductors”, którą warto byłoby umieścić

w wykazie literatury, a być m oże także dokładniej zbadać i porównać różnice w podejściu do m odelow ania procesów cieplnych zachodzących w linii prezentow ane w obydwu normach. • Opracow any i opisany w rozdziale 3 dynam iczny m odel obciążalności prądowej linii nie

uw zględnia w szystkich param etrów pogodow ych uwzględnianych w norm ach CIGRE oraz IEEE. Czy pom inięcie nasłonecznienia, kąta natarcia wiatru, ale także wysokości i kąta azymutu dla słońca, gęstości pow ietrza oraz lepkości bezwzględnej pow ietrza nie podnosi ryzyka błędnego oszacow ania obciążalności linii?

• Czy A utor rozpraw y zetknął się z projektam i zakładającym i zastosow anie przetworników optoelektronicznych w ykorzystujących siatki B ragg’a do pom iarów tem peratury i naprężenia przew odów linii napowietrznych? Jeżeli tak, to ja k D oktorant ocenia przydatność tego typu rozwiązań.

Pow yższe uw agi traktuję jak o dyskusyjne i pozostające bez w pływ u na moją, pozytyw ną ocenę rozprawy. W szystkie ew entualne błędy i nieścisłości należy uznać za zrozum iałe, biorąc pod uwagę złożoność problem u badawczego.

4

U w agi końcowe, podsum ow anie, spełnienie w ym ogów ustawowych

Ustawa o stopniach naukow ych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (art. 13) wym aga, aby rozpraw a doktorska stanow iła oryginalne rozw iązanie problem u naukowego. Jestem przekonany o tym, że opiniow ana rozpraw a spełnia to wym aganie. Sposób rozwiązania problem u naukow ego przedstaw iony w rozpraw ie daje ponadto m ożliw ość jego praktycznego wykorzystania. Zgodnie z oczekiwaniam i U staw y Doktorant, m gr inż. Paw eł Kubek, wykazał się wiedzą, um iejętnością sam odzielnego prow adzenia pracy naukowej oraz um iejętnością przedstaw ienia jej wyników.

Lista istotnych osiągnięć rozprawy, które pow inny być uznane za oryginalny dorobek Doktoranta zaw iera następujące, najistotniejsze elementy:

• opracow anie m odelu obciążalności prądowej wykorzystującego informacje o bieżącej tem peraturze otoczenia i prędkości wiatru; m odelu o charakterze probabilistycznym , który um ożliw ia założenie poziom u ryzyka przekroczenia dopuszczalnej tem peratury przewodu i elim inujący dzięki tem u konieczność ciągłego m onitorow ania niestabilnych i trudnych do zm ierzenia param etrów pogodowych (nasłonecznienia i kąta natarcia wiatru),

• wyprow adzenie analitycznej postaci zależności opisującej rozkład obciążalności prądowej linii opracowanej na podstaw ie powyższego modelu,

• zastosow anie w analizach m echanicznych przew odów m odeli uwzględniających nieliniową charakterystykę rozciągania przewodu, w ydłużenia przewodu oraz wpływu m etalurgicznego pływ ania przewodu na końcowy zwis,

• analiza wpływu łańcuchów izolatorów odciągow ych na zwis przewodów,

• uwzględnienie poprzecznego rozkładu tem peratury w przewodach bim ateriałowych w analizach m echanicznych przewodów.

Doktorant w rozprawie konsekwentnie realizuje jej cel udowadniając postaw ioną we wstępie tezę. Pom im o drobnych potknięć w ykład jest jasny i czytelny oraz zawiera wszystkie istotne elementy: genezę, tezę, przegląd aktualnej wiedzy, sform ułowanie problemu, jeg o rozwiązanie, prezentację wyników, podsum ow anie oraz wykaz literatury.

Biorąc pod uwagę przedstaw ioną powyżej ocenę stwierdzam, że opiniow ana rozprawa m gr inż. Pawła Kubka odpowiada wym aganiom ustaw owym stawianym przed rozprawami doktorskimi (Ustawa o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki z dnia 14 marca 2003 r. - Dz. U. z 2003 r. nr 65, poz. 595 ze zm.) i wnoszę o dopuszczenie jej Autora do publicznej obrony.