Kablowanie napowietrznych linii elektroenergetycznych

Czym jest kablowanie linii energetycznych?

Kablowanie linii energetycznych już istniejących oznacza zastąpienie ich poprzez budowę nowych linii kablowych w ziemi. Decyzje o kablowaniu obejmują mnóstwo czynników technicznych, ekonomicznych oraz przestrzennych, a realizuje się je, aby poprawić niezawodność dostaw energii, zwiększyć bezpieczeństwo ludzi oraz zmniejszyć wpływ sieci na otoczenie.

Czym są napowietrzne linie energetyczne?

Linie napowietrzne to linie elektroenergetyczne, w których przewody służące do przesyłu energii elektrycznej prowadzone są nad powierzchnią ziemi, na specjalnych konstrukcjach wsporczych – betonowych lub stalowych, a w specyficznych przypadkach na konstrukcjach drewnianych. Przewody są zawieszone na izolatorach i oddzielone od ziemi oraz innych obiektów odpowiednio dużą odległością zależną głównie od napięcia linii.

Czytaj też: Kable podmorskie energetyczne – charakterystyka, realizacje i ochrona

Dlaczego realizuje się kablowanie linii energetycznych?

Linie napowietrzne stosuje się na wszystkich poziomach napięć – od niskiego przez średnie aż po wysokie – głównie ze względu na niższe koszty budowy i łatwiejszą eksploatację w porównaniu z liniami kablowymi. Jednak ich wadą jest większa podatność na warunki atmosferyczne, oddziaływanie na krajobraz oraz konieczność utrzymywania odpowiedniego pasa technologicznego pod linią. Z kolei linie kablowe są mniej podatne na awarie spowodowane wichurami, oblodzeniem czy upadającymi drzewami. Dodatkowo kablowanie linii energetycznych poprawia estetykę krajobrazu, umożliwia lepsze zagospodarowanie terenu oraz ogranicza ryzyko pożarów i wypadków, co ma szczególne znaczenie w miastach i na obszarach gęsto zabudowanych.

Kablowanie napowietrznych linii energetycznych a rozwój miast

W przypadku istniejących linii napowietrznych o złym stanie technicznym, które wymagają modernizacji, obowiązujące wymogi planistyczne coraz częściej nakazują realizację nowych sieci w formie linii kablowych. Ma to szczególne znaczenie na terenach miejskich oraz w aglomeracjach, gdzie przestrzeń jest ograniczona i intensywnie zagospodarowana. Kablowanie linii energetycznych umożliwia odzyskanie terenów zajmowanych dotychczas przez pasy linii napowietrznych, które mogą zostać przeznaczone pod zabudowę, infrastrukturę drogową lub zieleń miejską. Dodatkowo rozwiązanie to pozwala na istotną poprawę estetyki krajobrazu oraz lepsze dostosowanie infrastruktury elektroenergetycznej do współczesnych wymagań urbanistycznych. Coraz częściej obserwuje się kablowanie linii napowietrznych wysokiego napięcia o napięciu 110 kV, zlokalizowanych na terenach dużych miast. Działania te są podejmowane przede wszystkim w celu uwolnienia cennych obszarów miejskich spod pasów technologicznych linii napowietrznych, które dotychczas uniemożliwiały ich zabudowę. Dzięki zastąpieniu linii napowietrznych kablowymi możliwe stają się lokowanie nowych osiedli mieszkaniowych, budowa dróg dojazdowych, centrów handlowych oraz obiektów użyteczności publicznej, co sprzyja rozwojowi przestrzennemu miast i racjonalnemu wykorzystaniu dostępnych terenów.

Kablowanie linii energetycznych na terenach o trudnych warunkach atmosferycznych

Na obszarach, na których występują specyficzne, ekstremalne zjawiska pogodowe, w szczególności intensywne opady marznącego deszczu i śniegu, dochodzi do bardzo częstych awarii linii napowietrznych. Pod wpływem oblodzenia przewody i konstrukcje ulegają uszkodzeniom, co prowadzi do przerw w dostawie energii. W związku z tym operatorzy systemów dystrybucyjnych decydują się w takich rejonach na kablowanie praktycznie wszystkich linii energetycznych, aby zapewnić ciągłość dostaw energii elektrycznej, co ma szczególne znaczenie dla bezpieczeństwa publicznego oraz funkcjonowania infrastruktury krytycznej.

Jaki jest wpływ napowietrznych linii energetycznych na środowisko?

W przypadku napowietrznych linii energetycznych można wyróżnić dwa główne rodzaje oddziaływania na środowisko – wpływ pola elektromagnetycznego oraz oddziaływanie wizualne, związane z ingerencją w krajobraz.

Oddziaływanie pola elektromagnetycznego

Wokół przewodów zawieszonych nad ziemią powstaje pole elektryczne, którego natężenie zależy przede wszystkim od napięcia znamionowego linii oraz odległości pomiędzy przewodami fazowymi. Pole magnetyczne jest z kolei generowane przez prąd płynący w przewodach, a jego natężenie zależy głównie od natężenia prądu oraz odległości między przewodami.

Przepisy prawne określają dopuszczalne wartości natężeń pól elektromagnetycznych w środowisku:

• dla miejsc ogólnodostępnych:
  – pole elektryczne – do 10 kV/m,
  – pole magnetyczne – do 60 A/m;
• dla terenów przeznaczonych pod zabudowę mieszkaniową:
  – pole elektryczne – do 1 kV/m,
  – pole magnetyczne – do 60 A/m.

W praktyce pod liniami napowietrznymi o napięciach 110, 220 i 400 kV natężenie pola elektrycznego często przekracza poziom 1 kV/m. Oznacza to, że tereny znajdujące się bezpośrednio pod takimi liniami nie mogą być przeznaczone pod zabudowę mieszkaniową. Szerokość pasa oddziaływania linii napowietrznych, czyli obszaru, w którym przekroczone są dopuszczalne wartości pola elektrycznego – zależy przede wszystkim od napięcia znamionowego linii, liczby torów prądowych, rozstawu skrajnych przewodów, a także wysokości zawieszenia przewodów nad ziemią. Dodatkowo, im wyższe napięcie linii oraz im większa odległość między przewodami, tym większy jest obszar jej oddziaływania.

Oddziaływanie wizualne na krajobraz

Nieodłącznym elementem wpływu linii napowietrznych na środowisko jest również ich ingerencja w krajobraz. Ma to szczególne znaczenie w przypadku linii energetycznych wysokiego i najwyższego napięcia, zwłaszcza linii 400 kV. Przewody fazowe i odgromowe podwieszane są na specjalnie zaprojektowanych słupach kratowych lub rurowych, których wysokość zazwyczaj wynosi od około 50 do 75 m. W przypadku gdy linia 400 kV prowadzona jest nad lasami lub przecina duże rzeki, wysokość słupów może przekraczać nawet 100 m. Tak imponujące konstrukcje stają się istotnym, często dominującym elementem krajobrazu. Mogą również wpływać na migrację ptaków oraz stanowić przeszkodę dla lotnictwa. Z tego względu w niektórych lokalizacjach konieczne jest zastosowanie odpowiednich środków bezpieczeństwa i oznakowania, takich jak spirale ornitologiczne montowane na przewodach odgromowych, które zwiększają ich widoczność dla ptaków, a także lotnicze kule ostrzegawcze w barwach białej i czerwonej, umieszczane na przewodach odgromowych w miejscach szczególnie istotnych dla bezpieczeństwa ruchu lotniczego.

Dlaczego kablowanie linii energetycznych jest bardziej korzystne dla otoczenia?

Kable stosowane w liniach kablowych znacząco różnią się swoją budową od gołych przewodów używanych w liniach napowietrznych. Kluczową różnicą jest zastosowanie izolacji z tworzywa sztucznego (najczęściej polietylenu usieciowanego – XLPE) zamiast konieczności zachowania dużych odstępów powietrznych między przewodami. Żyła robocza kabla, wykonana z miedzi lub aluminium, jest otoczona warstwą izolacyjną, której grubość zależy od napięcia znamionowego linii. Na tej izolacji umieszczona jest tzw. żyła powrotna. Dzięki takiej konstrukcji pole elektryczne zamyka się całkowicie wewnątrz przekroju kabla i nie wydostaje się na zewnątrz, co oznacza, że linie kablowe nie generują oddziaływania pola elektrycznego na środowisko. Z kolei ze względu na niewielkie odległości między żyłami roboczymi pole magnetyczne pomiędzy kablami jest silnie tłumione, co powoduje, że oddziaływanie pola magnetycznego na otoczenie w przypadku kablowania linii energetycznych jest znacznie mniejsze niż w przypadku linii napowietrznych. Dodatkowo, dzięki temu, że linie kablowe są umieszczane pod ziemią, nie wpływają na krajobraz.

Każda linia kablowa składa się z trzech kabli jednożyłowych, które mogą być układane:

• w układzie trójkątnym, gdy kable leżą blisko siebie;
• w układzie płaskim, gdzie odległości między kablami wynoszą od kilku do kilkudziesięciu centymetrów – zależnie od napięcia znamionowego, przekroju żyły roboczej i wymaganej obciążalności prądowej.

Takie ułożenie kabli powoduje, że linie kablowe zajmują znacznie węższy pas terenu niż linie napowietrzne. Trzeba jednak pamiętać, że bezpośrednio nad kablami i w ich sąsiedztwie nie powinno się lokalizować obiektów budowlanych ani sadzić drzew czy dużych krzewów, ponieważ ich korzenie mogłyby uszkodzić kabel. Z tego względu w obszarach miejskich linie kablowe prowadzi się przede wszystkim pod terenami trawiastymi, chodnikami lub skwerami.

W jaki sposób buduje się linię kablową?

Linie kablowe, niezależnie od poziomu napięcia, buduje się zasadniczo w podobny sposób. Różnica polega na tym, że im wyższe napięcie linii, tym głębiej umieszcza się kable. Stosuje się dwie główne metody budowy linii kablowych: wykopu otwartego oraz rozwiązania bezwykopowe.

Metoda wykopu otwartego

Sposób ten polega na wykonaniu rowu kablowego o odpowiedniej głębokości i szerokości, a następnie ułożeniu kabli na podsypce piaskowej – w przypadku linii średniego napięcia lub w warstwie betonitu – w przypadku kabli 110 kV i wyższych, co poprawia warunki odprowadzania ciepła. Kablowanie linii energetycznych metodą wykopu otwartego stosuje się głównie w miejscach, gdzie linia kablowa nie krzyżuje się z istniejącą infrastrukturą, taką jak drogi, cieki wodne, gazociągi, wodociągi, kanalizacja czy inne linie energetyczne lub telekomunikacyjne. Jest to rozwiązanie stosunkowo proste i szybkie, jednak wymaga czasowego zajęcia dodatkowego terenu na składowanie urobku z wykopu.

Metody bezwykopowe

Kablowanie linii energetycznych można prowadzić również w sposób niewymagający wykopu. Metody takie stosuje się tam, gdzie konieczne jest skrzyżowanie trasy kabli z elementami zagospodarowania terenu, w szczególności z drogami i torami kolejowymi, ciekami wodnymi, kanalizacją deszczową, gazociągami i innymi sieciami podziemnymi. Najpowszechniejszą metodą bezwykopową jest przewiert sterowany lub przecisk. Polega on na użyciu specjalistycznej wiertnicy, która wykonuje przewiert pod krzyżowanym obiektem na określonej głębokości. Następnie przeciągane są rury ochronne, których liczba i średnica zależą od typu i napięcia kabli elektroenergetycznych oraz ewentualnych kabli teletechnicznych. Po wykonaniu przewiertu przez rury przeciąga się właściwe kable. Metody bezwykopowe są bardziej skomplikowane, wymagają użycia specjalistycznego sprzętu i charakteryzują się dłuższym czasem realizacji niż metoda wykopu otwartego. W trakcie przewiertu stosuje się również płuczkę – wodę pod wysokim ciśnieniem, która usuwa urobek z przewiertu, co dodatkowo komplikuje cały proces.

Jak dobrać odpowiednie kable?

Na dobór typu kabla przeznaczonego do zastosowania w linii kablowej wpływa szereg czynników. Do najistotniejszych z nich należą:

• napięcie znamionowe linii,
• wymagana obciążalność prądowa,
• parametry zwarciowe systemu elektroenergetycznego,
• sposób ułożenia kabli w gruncie,
• rodzaj gruntu.

Sposób ułożenia linii kablowej w gruncie w istotnym stopniu wpływa na jej końcową obciążalność prądową. Zasadniczo kable układane w wykopie otwartym, w układzie płaskim i na niewielkiej głębokości charakteryzują się większą obciążalnością prądową niż ten sam kabel ułożony w przewiercie sterowanym, w układzie trójkątnym, w rurach osłonowych na głębokości kilku metrów. W związku z tym istniejące zagospodarowanie terenu oraz lokalne warunki gruntowe mogą mieć znaczący wpływ na dobór odpowiedniego typu kabla.

Co wpływa na koszt kablowania linii energetycznych?

W przypadku linii kablowych koszty budowy są wyraźnie wyższe niż linii napowietrznych. Wynika to przede wszystkim z konieczności wykonania robót ziemnych, zastosowania kabli o odpowiedniej izolacji oraz elementów dodatkowych, takich jak głowice kablowe, mufy łączeniowe, rury osłonowe czy studnie kablowe.

• Linie niskiego napięcia – koszty budowy tego rodzaju linii kablowych są zauważalnie wyższe niż linii napowietrznych. Linie napowietrzne niskiego napięcia charakteryzują się prostszą konstrukcją, mniejszym nakładem materiałowym oraz krótszym czasem realizacji, co przekłada się na niższe koszty inwestycyjne.
• Linie średniego napięcia – w tym przypadku różnice kosztowe pomiędzy rozwiązaniami kablowymi i napowietrznymi ulegają dalszemu zwiększeniu. Kable średniego napięcia są znacznie droższe od przewodów stosowanych w liniach napowietrznych, a ich układanie wymaga spełnienia rygorystycznych wymagań technicznych oraz wykonania bardziej zaawansowanych robót ziemnych. Dodatkowo w przypadku kablowania linii wzrastają koszty głowic, muf oraz zabezpieczeń kablowych. Linie napowietrzne średniego napięcia, mimo większych wymagań konstrukcyjnych niż w przypadku niskiego napięcia, nadal pozostają rozwiązaniem bardziej ekonomicznym pod względem kosztów budowy.
• Linie wysokiego napięcia – największe dysproporcje kosztowe występują przy liniach wysokiego napięcia. Kablowanie linii kablowych wysokiego napięcia wiąże się z bardzo wysokimi nakładami inwestycyjnymi, obejmującymi nie tylko koszt samych kabli, lecz także skomplikowane roboty ziemne, systemy odprowadzania ciepła, rozbudowaną infrastrukturę towarzyszącą oraz specjalistyczny montaż. Z tego względu linie kablowe wysokiego napięcia stosowane są zazwyczaj jedynie w szczególnych przypadkach, takich jak obszary silnie zurbanizowane lub objęte ochroną środowiskową. Linie napowietrzne wysokiego napięcia, mimo dużych wymagań terenowych i konstrukcyjnych, są wielokrotnie tańsze w realizacji i stanowią podstawowe rozwiązanie dla przesyłu energii na duże odległości.

Podsumowując, na wszystkich poziomach napięć linie kablowe charakteryzują się wyższymi kosztami budowy w porównaniu do linii napowietrznych. Wybór konkretnego rozwiązania jest zatem kompromisem pomiędzy kosztami inwestycyjnymi, uwarunkowaniami terenowymi, wymaganiami środowiskowymi oraz estetyką przestrzeni. Decyzja dotycząca kablowania istniejących linii napowietrznych lub realizacji nowych linii kablowych powinna być poprzedzona szczegółową analizą wielokryterialną, najczęściej przeprowadzaną w formie studium wykonalności dla danej inwestycji.