Способы повышения пропускной способности линий электропередачи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Способы повышения пропускной способности ЛЭП

1.1 Строительство новых линий

1.2 Повышение рабочих напряжений

1.3 Повышение нагрузки действующей линии

1.4 Ограничение провеса проводов

1.5 Повышение нагрузки ВЛ с учетом метеоусловий

1.6 Замена проводов

1.7 Термостойкие провода

1.8 Провода с уменьшенным провесом

1.9 Непрерывный контроль пропускной способности ВЛ

2. Новые конструкции проводов ВЛ

2.1 Конструкции компактных проводов

2.2 Конструкции высокотемпературных проводов

3. Расчет потерь электроэнергии

3.1 Краткое описание работы программы “RASTR”

4. Механический расчет

4.1 Общие сведения

5. Экономическая часть

5.1 Цель расчета

5.2 Выбор возможных вариантов

6. Безопасность жизнедеятельности

6.1 Анализ оборудования

6.2 Выбор марки грозотроса

Приложение А

Приложение Б

Заключение

Список литературы

Введение

Устойчивое развитие электроэнергетического сектора Казахстана предполагает решение вопросов по покрытию потребности экономики и населения в энергоресурсах, снижению энергоёмкости ВВП, а также по повышению энергоэффективности. Обо всём этом отмечал в своем Послании казахстанскому народу Президент страны Нурсултан Назарбаев 28 января 2011 года [1].

Между тем в отрасли сохраняется ряд серьёзных проблем, которые могут стать сдерживающим фактором не только для устойчивого развития энергосистемы Казахстана, но и для решения важнейших задач по модернизации и диверсификации экономики страны. В частности, не в полной мере решена проблема дефицита электроэнергии в ряде регионов Казахстана (особенно на юге и западе), что может негативно отразиться на росте промышленного производства республики.

Кроме того, наблюдается значительный износ мощностей в сегментах генерации, передачи и распределения электроэнергии, что в существенной степени ограничивает выработку электроэнергии действующими электро-станциями и её доставку конечным потребителям.

Перед государством в настоящее время стоит острая задача по решению двух стратегически важных направлений развития в области генерации и передачи электроэнергии:

- модернизации действующих мощностей и линий электропередачи, т.к. многие, если не большинство, из ныне действующих объектов были построены в 70-80-х годах прошлого столетия;

- устранения дефицита электроэнергии в южных и западных регионах страны.

Следует отметить, что в современных условиях диверсификации экономики Казахстана, рост промышленности должен быть связан не только с увеличением потребления электроэнергии, но и с увеличением энергоэффективности как производства, так и потребления энергии, а также с диверсификацией самих источников энергии, что неминуемо влечёт за собой строительство новых и модернизацию существующих линий электропередачи [3].

Это повлечёт за собой серьёзные капитальные вложения со стороны государства и системного оператора KEGOC.

Альтернативой строительству новых линий является применение высокотемпературных проводников, которые позволяют увеличить пропускную способность линий электропередачи в 2-3 раза без замены опор и серьёзной модернизации арматуры.

1. Способы повышения пропускной способности ЛЭП

Анализ динамики роста производства электроэнергии в Казахстане за период с 2000 по 2013 год позволяет сделать вывод о наличии положительной динамики в отрасли - объём производства, а также потребления электроэнергии постоянно увеличивается (рисунок 1.1) [2].

Рисунок 1.1 - Динамика производства/потребления электроэнергии в РК

Повышение пропускной способности воздушных линий обусловлено быстрым ростом потребления электроэнергии во всех странах мира. Растет число городов-мегаполисов, что требует обеспечения глубокого ввода мощности в центры городов и крупных промышленных предприятий. Слишком дорогой становится земля под полосы отчуждения ВЛ, повышаются требования к экономичности и экологии, снижению сроков строительства ВЛ, безопасности и защите от электромагнитных полей и помех от них, что требует новых подходов к сооружению воздушных каналов передачи электроэнергии. Применение новых технологий в электроэнергетике и электротехнической промышленности позволяет решить эти задачи.

Важной задачей при строительстве воздушных линий электропередачи является снижение расходов при передаче электроэнергии. Этого можно достигнуть применением новых марок проводов, современных типов изоляторов, сооружением компактных ВЛ, контролем температуры и натяжения провода, строительством воздушных линий электропередачи постоянного тока(ВЛПТ).

Для повышения технико-экономических показателей ЛЭП необходимо их развитие в следующих направлениях:

? строительство компактных ВЛ с применением новых конструкций опор, позволяющих повысить пропускную способность ЛЭП;

? повышение нагрузочной способности и снижение провеса проводов ВЛ;

? повышение номинального напряжения ВЛ;

? повышение нагрузки ВЛ с учетом метеоусловий;

? замена традиционных марок проводов на провода с улучшенными эксплуатационными характеристиками(термостойкие провода, провода с уменьшенным провесом);

? непрерывный контроль пропускной способности ВЛ;

1.1 Строительство новых линий

В этом случае возможны следующие варианты: размещение дополнительной линии на существующих опорах; строительство новой линии в том же коридоре.

Предпочтительным является размещение дополнительной линии на существующих опорах из-за нехватки ширины полосы отчуждения и появления возможности повышения напряжения или увеличения числа цепей на одной опоре.

С другой стороны, простейшим и самым эффективным методом «усиления» электрической сети является прокладка новых ВЛ в существующих коридорах с использованием усовершенствованных видов проводов повышающих пропускную способность линий. Однако, в промышленно развитых странах экономически более целесообразна реконструкция действующих ВЛ.

1.2 Повышение рабочих напряжений

Значительное повышение пропускной способности линий и снижение потерь электроэнергии в них достигается применением более высоких уровней напряжения. При этом требуются усиление изоляции и расширение коридора, что связано с заменой изоляторов и изменением размещения проводов для обеспечения необходимых воздушных промежутков между ними и землей. Необходимо так же учитывать замену трансформаторного оборудования и применение более высоких опор и усиление фундаментов.

Повышение рабочего напряжения часто позволяет при замене ВЛ использовать прежнюю ширину коридора и для реконструкции существующей ВЛ требуются меньше времени на их замену, а технические решения достаточно простые. Целесообразность перевода на другой класс напряжения определяется конструкцией ВЛ и существующей шириной коридора трассы ВЛ.

1.3 Повышение нагрузки действующей линии

Наиболее оптимальное решение при повышении пропускной способности действующих линий - сохранение имеющихся проводов, так как замена проводов связана с большим перерывом в работе ВЛ. При сохранении прежних проводов требуется изменить для них верхнюю рабочую температуру в пределах, допустимых по статистике погодных условий, при этом дополнительный нагрев проводов ограничивается их провесом и техническими условиями старения материала проводов.

Стандартные алюминиевые сплавы могут продолжительно работать при температурах 90°-100°С. При долгосрочном повышении нагрузочной способности, простейший выход - увеличение нагрузки на существующие провода, но при этом необходимо учитывать увеличение провеса в пролетах и возможности соединительных зажимов. Наибольшие ограничения связаны с условием увеличения провеса проводов и соответственно уменьшения расстояния до земли в пролете. При этом необходимо оценивать возможные значения температуры провода, особенно в пролетах с критическим провесом. Такие линии при повышении номинальной нагрузки должны проверяться визуально с вертолета.

1.4 Ограничение провеса проводов

Для ограничения провеса провода при увеличении нагрузки применяются следующие меры:

- повышение натяжения провода;

- изменение конструкции подвески;

- укорочение изолирующей подвески без уменьшения ее электрической прочности.

Увеличение провеса провода может быть допущено путем подъема точки подвеса провода - замена поддерживающей гирлянды на натяжную.

Возможность повышения нагрузки с помощью увеличения провеса провода на существующей линии зависит от максимально допустимой температуры, длины пролета и типа провода.

Снижение провеса провода с помощью увеличения его натяжения возможно при условии, что этот провод находится в хорошем состоянии, а имеющееся его натяжение относительно низкое. Увеличение натяжения может привести к снижению надежности провода и системы его подвески. При этом возрастает риск воздействия эоловой вибрации на срок службы провода и возможность усиления механических воздействий при гололеде или штормовом ветре (установка дополнительных гасителей вибрации).

Натяжение провода может быть снижено уменьшением длины пролета в критических зонах, установкой подпорок в середине пролета или критических местах линии (длинный пролет, неудобный рельеф местности, участки с повышенной солнечной радиацией).

1.5 Повышение нагрузки ВЛ с учетом метеоусловий

Повышение средней рабочей температуры провода на основе статистических данных о погодных условиях на трассе линии (или многих линий) позволяет значительно увеличить нагрузку линии, если среднее значение ветра и температуры, принимаемые при проектировании линии, выбраны с большим запасом. Статистическое повышение нагрузки для увеличения пропускной способности ВЛ обуславливает минимальные затраты, но неопределенность реальных условий сохраняет некоторый риск сверхдопустимого провеса проводов.

При использовании динамического метода, обеспечивающего контроль и регулирование нагрузки на основании данных(от датчиков температуры и провеса проводов вдоль линии), исключаются опасные режимы работы ВЛ. Контроль в реальном времени метеоусловий или температуры провода позволяет диспетчеру оперативно повышать нагрузку линии, но при этом должна быть обеспечена возможность некоторого изменения режима и соответствующее его планирование.

Динамический контроль позволяет увеличить допустимую нагрузку на 5-20%, а изменение структуры пролета (обеспечение допустимого провеса) на 20-50%. Использование проводов с малым провесом и нагревостойких проводов позволяет поднять нагрузку на 50-100% (с увеличением потерь). Еще большие кратности могут быть достигнуты с применением проводов большего сечения (но с усилением опор), а применение динамического контроля в дополнение к этим мерам позволяет ещё увеличивать нагрузку.

1.6 Замена проводов

Наиболее эффективный метод повышения пропускной способности ВЛ - применение усовершенствованных типов проводов. Конструкции проводов с высокой термостойкостью и малым весом позволяют без какой-либо реконструкции опор повысить пропускную способность линии вдвое и более.

Наиболее эффективно применение проводов с улучшенными характеристиками при соблюдении следующих условий: провод работает на пределе термической нагрузки; провес провода в пролетах находится в пределах допустимого; конструкция линии позволяет использовать более тяжелый провод (без усиления ее элементов).

Применение обычных типов проводов большого сечения - наиболее простой способ. Основное ограничение в этом случае - рост массы провода, это требует усиливать конструкцию линии (опоры, фундаменты, изолирующую подвеску).

Другим ограничивающим фактором являются ветровая и гололедная нагрузка, усиливающаяся из-за увеличения поверхности провода. Применение трапецеидальных Z-образных проволок проводящей части вместо круглых (при том же сечении - меньшая поверхность провода) позволяет уменьшить ветровую и гололёдную нагрузку. Такой провод имеет малое аэродинамическое сопротивление и сниженные потери энергии на корону, а также обладает повышенной нагрузочной способностью (сечение проводящей части в 1,5 раза больше, чем у провода АС при том же внешнем диаметре) и уменьшенным на 50% коэффициентом лобового сопротивления ветру.

1.7 Термостойкие провода

Виды термостойких проводов определяются свойствами сердечника и токопроводящих жил (алюминий и его сплавы), а их применение целесообразно при условии, что их стоимость не превышает расходы на усиление конструкции линии. Обычные провода имеют пре-дел по нагреву 90-100°С из-за потери механических свойств алюминия при более высоких температурах.

Алюминий после отжига становится мягким, его прочность снижается, но растяжимость увеличивается, это снижает риск обрыва провода. Провод с отожженным алюминием и стальными сердечниками типа ACSS имеет сниженную на 30% прочность по сравнению с проводом АС. Конструкция, масса и диаметр этих проводов одинаковы, но провод ACSS меньше растягивается и имеет меньший провес. Алюминий в проводеACSS работает до температуры 250°С - предельное значение для проволоки сердечника с гальваническим покрытием и узлов крепления провода.

Высокую температуру провода допускают сплавы алюминия с цирконием типа TAL и Z TAL. Комбинации такого провода с сердечниками из специальной стали имеют такие же массу и диаметр, как провод AC, но выдерживают более высокие температуры. Провес такого провода в пролете больше.

1.8 Провода с уменьшенным провесом

Для снижения провеса разработаны провода с сердечником из инвара (ферромагнитный сплав железа с 36% никеля), имеющего малый коэффициент линейного расширения. В этом проводе механическая нагрузка на алюминиевые жилы при расширении провода снимается с помощью механического отделения их от провода - сердечника путем введения зазора.

Высокая прочность сердечника в сочетании с малым коэффициентом линейного расширения достигается также использованием неметаллических материалов(матриц из металлооксидов или стеклопластиков, армированных углеродными волокнами).

Преимущества таких проводов - меньшая масса, высокая прочность и снижение провеса в пролете. С ростом температуры увеличивается сопротивление провода и потери в нем, поэтому линия должна работать преимущественно с равномерным графиком нагрузки.

Особенности конструкции и допустимые температуры некоторых типов проводов, обладающих высокой нагревостойкостью и механической прочностью, приведены в таблице 1.1, в которой используются следующие обозначения:

TW - провод с алюминиевыми проволоками трапецеидального сечения;

AW - провод с проволоками сердечника, покрытыми алюминиевым сплавом;

Z - сверхтермостойкий сплав алюминий-цирконий ZTAL;

T - термостойкий алюминиевый сплав TAL;

По сравнению с обычным сталеалюминевым проводомACSR проводACSS дороже на 20-50%. Он может работать при повышенной температуре, но с большим провесом. Провода с малым провесом и зазором между сердечником и жилами GTACSR вдвое дороже AC. Провода с сердечником из инвара(Z) или армированного пластика(ACCC, ACCR) стоят в 3-6 раз дороже AC.

Другой способ уменьшения провеса при нагревании провода - увеличение его натяжения с ростом температуры. Устройство SLiM (Sagging Line Mitigator) разработанное инстиутом EPRI, принцип работы которого заключается в принудительном изменении длины провода в пролете при его нагреве или охлаждении. В настоящее время в ряде случаев традиционные методы увеличения расстояния проводов до земли(подъём проводов и повышние опор) дешевле применения устройства SLiM.

Таблица 1.1- Характеристика проводов

Марка провода	Материал сердечника	Материал провода	Макс температура
АААС, Aero-Z	-	Алюминиевый сплав проволоки с Z-образным сечением	90
ААС (А)	-	Алюминий	90
АС, AW, TW	Стальная проволока	Алюминий	90
AACSR	Стальная проволока	Алюминиевый сплав	90
ACAR	Алюминиевый сплав	Алюминий	90
ACSS,AW, TW	Высокопрочная стальная проволока с покарытием Al-Zn-La-Ce	Отожженный алюминий, круглые или трапецеидальные проволоки	200
TACSR	Стальная проволока	Термостойкий сплав TAL	150
Z	-	Сплав Al-Zr, ZTAL	210
ACFR	Пластик армированный стекловолокном	Алюминий	100
T	То же	Термостойкий сплав TAL	150
Z	То же	Сплав Al-Zr, ZTAL	210
ACCR, TW	Пластик, армированный волокнами углерода	Сплав Al-Zr, ZTAL	210
ACCC, TW	Пластик, армированный волокнами углерода, в трубке из стекловолокна	Отожженный алюминий, трапецеидальные жилы	200
TACIR	Высокопрочный инвар	Термостойкий сплав TAL	150
Z	Fe - 36%Ni	Сплав Al-Zr, ZTAL	210
GTACSR	С зазором, стальная проволока	Термостойкий сплав TAL	150
Z	То же	Сплав Al-Zr, ZTAL	210

1.9 Непрерывный контроль пропускной способности ВЛ

Под руководством института электроэнергетики СШАEPRI разработана система непрерывного слежения за термической нагрузкой ВЛ в динамике, потребность в которой вызвана необходимостью «предсказания» нагрузки ВЛ при наличии независимых производите-лей энергии. Система DTCR (Dynamic Thermal Circuit Rating) осуществляет в реальном времени наблюдение за нагрузкой ВЛ и погодой. Данные от датчиков, размещенных в критических точках ВЛ, передаются через систему телеизмерений телеуправления SCA-DA/EMS. Часть информации поступает с метеостанций.

Согласно полученным данным система рассчитывает пропускную способность ВЛ с учетом ветра, осадков, температуры воздуха, натяжения проводов. В расчеты включаются и силовые трансформаторы, питающие линию. По температуре масла в баке и условиям охлаждения определяется температура наиболее нагретых конструктивных частей внутри обмоток. С учетом тепловых постоянных времени достигается наиболее полное использование нагрузочной способности оборудования в динамике. Система DTCR непрерывно следит за нагрузкой, а также определяет допустимую перегрузку в течение 4ч., 1ч. и 15мин.

Эффективность управления загрузкой ВЛ в динамике высокая (обычно линия загружена на 70-90%). Дозагрузка силовых трансформаторов в продолжительных режимах не столь эффективна в результате ограничений по охлаждению, а в динамических - из-за больших тепловых постоянных времени. Однако такую систему можно успешно использовать в качестве диагностической [4].

2. Новые конструкции проводов ВЛ

В настоящее время наблюдается резкое увеличение потребления электрической энергии как в промышленной, так и в социальной сферах. Это требует от передающих и распределительных электросетевых компаний вести поиск новых решений при реконструкции и строительстве линий электропередачи. Создание новых технологий и инновационных решений в области проводов для ЛЭП направлено на реализацию следующих насущных задач сетевиков:

- увеличение количества передаваемой электроэнергии за счёт использования существующих высоковольтных линий;

- уменьшение стрелы провеса и увеличение расстояния между опорами при строительстве новых линий электропередачи;

- ограничение обледенения ЛЭП в районах с высокой влажностью и резкими перепадами температур;

- повышение стойкости проводов к воздействию больших механических нагрузок;

- обеспечение более высокого уровня надёжности передачи электрической энергии при минимизации общих капиталовложений в строительство и реконструкцию линий.

Для решения этих задач инновационные виды проводов можно классифицировать по 3 группам (рисунок 2.1) [5].



Рисунок 2.1 - Виды неизолированных проводов

2.1 Конструкции компактных проводов

2.1.1 Компактный провод Aero-Z

Надежная система электроснабжения ? основа для перевода Казахстанской экономики на путь инновационного развития. На сегодняшний день темпы развития энергохозяйства Казахстана не соответствуют потребностям экономики. По мере возможного обеспечивается должное электроснабжение потребителей всех категорий, но существуют серьезные проблемы, связанные, прежде всего, с транспортировкой электроэнергии. Устаревшие провода марки АС в существующих линиях электропередач (ЛЭП) имеют низкую проводимость, низкую механическую прочность, плохо противостоят погодным явлениям и дают большие потери при передаче. Устранить данные недостатки могут новые провода, разработанные зарубежными специалистами.

Концерн Nexans предлагает новые высокотехнологичные провода для линий электропередачи 110-1150 кВ. Провод представляет собой полностью связанные между собой проводники, состоящие из одного или нескольких концентрических слоев круглых проволок (внутренние слои) и проволок в виде буквы «Z» (внешние слои). Каждый слой провода имеет скрутку по длине, выполненную с определенным шагом [6].

Внутренняя часть провода (рисунок 2.2) аналогична обычному проводу типа АС за исключением того, что внутренние проводники могут быть изготовлены не только из стали, но и из алюминия или алюминиевых сплавов. Более того, один или несколько проводников могут быть полыми и содержать внутри оптические волокна. Внешние же слои провода выполняются из алюминиевых проводников, имеющих форму буквы «Z», причем проводники очень плотно прилегают друг к другу.

Рисунок 2.2 - Конструкция провода Aero-Z

Таким образом, за счет более плотной скрутки проводников и более гладкой внешней поверхности возможно использование более тонких и более легких проводов (без стального сердечника). Это, в свою очередь приводит к снижению электрических потерь в проводах (на 10-15 %), в том числе потери на корону, и повышению механической прочности конструкции.

Лабораторный тест на воздействие удара молнии показал, что при повреждении до 5 Z-образных проводников сохраняется полная механическая прочность данного провода. Также, благодаря плотной скрутке практически исключается проникновение во внутренние слои воды и загрязнений, следовательно, снижается коррозия внутренних слоев провода. Более гладкая, чем у обычного провода, внешняя поверхность Aero-Z существенно снижает потери на корону (напряженность электрического поля, при которой возникает коронный разряд, у Aero-Z примерно на 15 % выше, чем у обычного провода).

За счет более гладкой внешней структуры провод Aero-Z имеет примерно на 30-35 % меньшее аэродинамическое сопротивление ветровым нагрузкам по сравнению с обычным проводом, что приводит к резкому уменьшению так называемой «пляски» проводов как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении, что в свою очередь значительно облегчает работу опор и гирлянд изоляторов при сильных ветрах.

Особого внимания заслуживает поведение провода в условиях налипания снега. Для традиционного провода характерна схема, представленная на рисунке 2.3. По мере накопления мокрого снега на проводе центр тяжести смещается (2), и провод в пролете поворачивается (3). Однако снег продолжает падать, и цикл продолжается сначала. В результате традиционный провод получает дополнительные крутящие моменты или начинает расплетаться (в зависимости от направления ветра). Провод Aero-Z, обладая более высоким сопротивлением кручению, в этих условиях практически не поворачивается, что приводит к самосбросу излишнего снега под действием силы тяжести (рисунок 2.4).



Рисунок 2.3 - Схема налипания снега на обычный провод

Рисунок 2.4 - Схема налипания снега на провод Aero-Z

Сравнительные характеристики провода АС-240/39 и аналогичного ему провода AERO-Z типа 301-2Z приведены в таблице 2.1

Таблица 2.1 - Сравнительные характеристики проводов

Параметр	Провод марки АС	Провод марки Aero-Z
Удельное сопровтиление, Ом/км	0,1222	0,1094
Удельная масса, кг/км	952	844
Диаметр, мм2	21,6	21
Усилие на разрыв, кг	80895	99500

Таким образом, удельное сопротивление провода Aero-Z на 10,5% меньше, соответственно, на столько же меньше тепловые потери в проводе при транспортировке электроэнергии. Удельная масса Aero-Z на 12% меньше, чем у провода АС, диаметр - на 3%. Значение величины «усилие на разрыв» отличается на 23%.

Таким образом, использование проводов марки AERO-Z обусловлено: необходимостью увеличения пропускной способности существующих линий; снижением механических нагрузок, прикладываемых к опорам ЛЭП из-за «пляски» проводов; повышением коррозионной стойкости проводов и тросов; снижением риска обрыва провода при частичном повреждении нескольких внешних проволок из-за внешних воздействий, в том числе в результате удара молнии; улучшенными механическими свойствами проводов при налипании снега или образовании льда.

Следовательно, явными преимуществами провода Aero-Z по сравнению с обычным марки АС будут:

? возможность при том же сечении передавать большие токи;

? возможность при том же весе провода использовать большие сечения, тем самым снизить тепловые потери при передаче электроэнергии и решить проблему перегрузок линии;

? значительное снижение обледенения и налипания снега на провода за счет компактности внешнего слоя проволок;

? значительное снижение аэродинамического сопротивления, уменьшение «пляски» проводов в районах с большими ветровыми нагрузками и, как следствие, снижение уровня усталости металла в проводе и увеличение жизненного цикла за счет самогашения колебаний;

? улучшение эксплуатационных показателей ЛЭП, включая снижение уровня шума в населенных районах;

? предотвращение внутренней коррозии провода, снижение вероятности обрыва при внешних воздействиях, что обеспечивает более длительные сроки эксплуатации провода (45 лет и более) по сравнению с обычными проводами для ЛЭП [7].

2.1.2 Компактный провод АСк2у

Компактированный провод состоит из сердечника, обеспечивающего механическую прочность провода, и нескольких концентрических повивов профилированных алюминиевых проволок трапециевидной формы.

Провода марки АСк2у изготавливаются по ТУ 16.К03-53-2012 и предназначены для передачи электроэнергии в воздушных электрических сетях на напряжение 35-750 кВ.

Рисунок 2.5 - Конструкция провода марки АСк2у: 1 - сердечник из высокопрочных стальных проволок, 2 - повивы из алюминиевых проволок

Особенности конструкции

В проводах марки АСк2у используются алюминиевые проволоки трапециевидной формы, их применение позволяет сделать внешнюю поверхность провода практически гладкой и уменьшить диаметр провода. По сравнению с традиционным проводом марки АС с такой же площадью поперечного сечения, диаметр провода марки АСк2у меньше в среднем на 10%. Меньший диаметр провода способствует уменьшению аэродинамической и гололедной нагрузки, а также снижению самой вероятности образования наледи на проводе.

Рисунок 2.6 - Сравнение диаметров проводов АС и АСк2у

Применение высокопрочной стальной проволоки

Сердечник провода АСк2у состоит из высокопрочных стальных проволок с цинкоалюминиевым покрытием, изготовленных по стандарту ASTM B 958-08. Прочность применяемых проволок на 20% выше по сравнению с проволокой традиционно применяемой в проводах марки АС. С применением высокопрочной стальной проволоки увеличивается механическая прочность сердечника и провода в целом.



Рисунок 2.7 - Сравнение механической прочности проводов АС и АСк2у

Использование провода АСк2у при реконструкции существующих ЛЭП позволит уменьшить стрелы провеса провода, уменьшить вероятность обрыва проводов в результате стихийных природных воздействий.

Рисунок 2.8 - Сравнение стрелы провеса проводов АС и АСк2у

Применение проводов АСк2у при сооружении новых ЛЭП будет способствовать уменьшению числа промежуточных опор за счет увеличения расстояния между ними, сокращая тем самым капитальные затраты на строительство и его время.

Энергосбережение

Фактическое электрическое сопротивление проводов марки АСк2у в среднем на 2-5% меньше соответствующих значений электрического сопротивления проводов марки АС одинакового сечения. За расчетный период эксплуатации провода (45 лет) на ЛЭП экономятся миллионы кВт*ч электрической энергии. Расчеты показывают, что экономический эффект для ЛЭП протяженностью несколько десятков километров составляет десятки миллионов тенге [8].

Применяемые материалы

Для изготовления проводов применяются следующие материалы:

- катанка алюминиевая по ГОСТ 13483-78

- Высокопрочная стальная проволока по ASTM B 958-08.

Рисунок 2.9 - Сравнение длины пролета проводов АС и АСк2у

2.2 Конструкции высокотемпературных проводов

2.2.1 Высотемпературный провод ACCR

Этот провод способен передавать в два - три раза больше мощности (таблица 2.9), чем обычный провод такого же сечения при одновременном улучшении механических и прочностных характеристик [9]. Помимо повышенной нагрузочной способности провод ACCR обладает меньшей массой, большей прочностью, более высокой теплостойкостью и устойчивостью к провисанию по сравнению с применяемыми в настоящее время проводами.

Таблица 2.2 - Сравнение основных показателей проводов ACCR Hawk и AC

Тип провода	Диаметр, мм	Прочность, Н	Вес, кг/км	Токовая нагрузка, А
АС 240/39	21,6	75050	921	610
АСCR Hawk 477-T16	21,6	85348	793	1167

Провод более устойчив к коррозии, обладает повышенным сопротивлением к усталости и безвреден для окружающей среды. Это изобретение является поистине революционным и считается первым важным прорывом в области транспортировки электроэнергии по воздушным ЛЭП с тех пор, как в начале XX века появился широко применяемый и сегодня сталеалюминевый провод.

Провод ACCR имеет традиционную конструкцию, состоящую из сердечника и внешних токоведущих жил (рисунок 2.10).

Рисунок 2.10 - Конструкция проводника ACCR

Уникальные свойства провода обеспечиваются за счёт использования достижений современной науки в области наноматериалов. Композитный сердечник образован из нескольких проволок диаметром от 1,9 до 2,9 мм. Каждая проволока изготовлена из алюминия высокой чистоты, в который внедрены более 20000 непрерывных продольных нановолокон оксида алюминия (Al2O3). Эти волокна придают материалу сверхвысокую прочность [10].

Внешне композитный сердечник выглядит как обыкновенный алюминиевый провод, но его механические и физические свойства значительно превосходят алюминиевые и стальные аналоги:

- прочность композитного сердечника сравнима со стальным и в 8 раз выше алюминиевого;

- масса в 2 раза меньше стального и всего на 20% больше массы чистого алюминия;

- электропроводность в 4 раза выше электропроводности стального сердечника;

- коэффициент теплового расширения в 4 раза меньше, чем у алюминиевого, и в 2 раза меньше, чем у стального;

- жёсткость в 3 раза выше, чем у алюминиевого сердечника.

Таким образом, механические и физические свойства данного провода позволяют выполнять одиночные пролёты длиной 1,5 - 2 км. Примером служит проект перехода через реку линии 230 кВ в штате Ванкувер (Канада) длиной 1,8 км.

Внешние токоведущие жилы провода ACCR изготавливаются из теплостойкого высокопрочного сплава алюминий-цирконий (Al-Zr) с наночастицами Al3Zr. Сплав Al-Zr имеет прочность, аналогичную стандартному алюминию 1350-H19, но его микроструктура сформирована так, что он сохраняет эту прочность при высоких температурах. Если обычный алюминий при температуре 120-150єC отжигается и резко теряет прочность, то сплав Al-Zr сохраняет свои свойства до 210єC, с пиковыми нагрузками до 240єC. Эффект упрочнения достигается за счёт образования наночастиц (дисперсоидов) Al3Zr , равномерное распределение которых достигается при оптимальном выборе концентрации циркония в сплаве (0,3-0,4%Zr), а также за счёт термомеханической обработки в процессе литья, прокатки и волочения. Следует отметить, что размеры дисперсиодов (около 10 нанометров) не изменяются в процессе последующей деформации при волочении и отжиге катанки [11].

Провод ACCR поставляется сечением от 120 до 1600 ммІ. Разделка, сращивание и оконцевание провода производятся традиционными методами. Провод ACCR обладает малым весом - он всего на 20 % тяжелее провода из чистого алюминия. Провод достаточно легко монтируется на имеющиеся опоры, в результате продлевается жизнь старых конструкций, что даёт значительный экономический эффект. Пример ниже отражает затраты электросетевой компании на строительство параллельной линии для существующей с целью увеличения передаваемой мощности по сравнению с затратами на реконструкцию существующей линии с помощью провода ACCR (рисунок 2.11) . Данная схема отражает лишь общий принцип образования экономии при использовании провода ACCR. В каждом конкретном случае размер той или иной составляющей общей стоимости может варьироваться в значительных пределаx[10].

Новый провод превосходно показал себя в экстремальных условиях, таких как режимы чрезвычайно низких или высоких температур, повышенная влажность, воздействие солёной воды, сильные ветры, вибрация, ультра-фиолетовое излучение. Применение провода ACCR в этих условиях позволяет значительно сократить затраты на ремонт линий и замену подвергающихся коррозии участков. Провод прошёл масштабные лабораторные и линейные испытания и с 2005 г. введён в коммерческую эксплуатацию. В настоящее время семь основных энергетических сетей общего пользования США используют провод ACCR либо строят линии с его использованием. В мире ACCR уже используется более чем в 20 электросетевых компаниях, в частности, в Канаде, Бразилии, Китае, Индии, Франции. С 2008 года было осуществлено несколько проектов с использованием провода 3М ACCR в России, и российские сетевые компании смогли убедиться в выгоде применения такого специализированного решения.

Таким образом, использование проводника ACCR в электросетях Казахстана является необходимым фактором устойчивого развития электроэнергетики республики, позволит реализовать программу по модернизации электроэнергетического сектора в кратчайшие сроки с наименьшими капитальными вложениями, что положительно скажется на развитии экономики страны в целом.

Рисунок 2.11 - Экономическая эффективность применения проводника ACCR

2.2.2 Высотемпературный провод АСТ

Воздушная линия работает в естественных климатических условиях и подвергается ветровым и гололедным нагрузкам, изменениям температуры окружающего воздуха, воздействию грозы. Все климатические условия фиксируются на метеостанций вся территория РК разделена на районы:

Провода марки АСТ состоят из стального сердечника и проволок из алюминиевого термостойкого сплава, скрученных концентрическими повивами поверх стального сердечника.

Провода марки АСТ изготавливаются по ТУ 16.К03-49-2009 и предназначены для передачи электрической энергии в воздушных электрических сетях напряжением 35-750 кВ.

Провода марки АСТ соответствуют требованиям ГОСТ 839-80, МЭК 61089, МЭК 60888, МЭК 60889, МЭК 61284, техническим требованиям ОАО «ФСК ЕЭС». Вид климатического исполнения УХЛ, категория размещения 1 и 2 по ГОСТ 15150.

Пример условного обозначения провода сечением токопроводящей части

240 мм² и стального сердечника 39 мм² при заказе и в документации изделия: провод АСТ 240/39 ТУ 16.К03-49-2009.

Рисунок 2.12 - Конструкция провода марки АСТ: 1 - стальной сердечник, 2 - алюминиевый сплав

История создания провода

В 2008 г. ОАО «Кирскабель», первым из российских кабельных заводов, совместно с национальным исследовательским технологическим университетом «МИСиС» начали разработку неизолированного провода, способного противостоять обледенению, а главное, способного в режимах пиковых нагрузок, аварийных и после-аварийных режимах работы ВЛ передавать большие мощности по сравнению с обыкновенными сталеалюминиевыми проводами при сохранении одинакового эффективного сечения провода, тем самым повышая общую надежность работы линий электропередач.

Результатом совместной работы стало создание высокотемпературного Al-Zr сплава, разработка конструкции нового термостойкого провода АСТ, проведение многочисленных исследований и испытаний в лабораториях «МИСиС», ОАО «Кирскабель» и ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС».

Основные преимущества:

- обладают повышенной механической и термической стойкостью;

- провода марки АСТ способны передавать бульшие токи, а, значит, и подводить бульшие мощности к потребителям;

- благодаря одинаковой конструкции с традиционными проводами АС, не требуют глобальной перестройки линии, специального оборудования и арматуры или обучения персонала;

- благодаря высокой термической стойкости провода, необходимое время на плавку гололеда, а также связанные с этим процессом издержки и затраты сокращаются;

- при работе в области высоких температур способны противостоять обледенению без применения средств борьбы с гололедом;

- применение провода способно существенно снизить капитальные затраты при строительстве новых линий и модернизации существующих участков;

- обеспечивают бесперебойную работу линий электропередач в режимах пиковых нагрузок, аварийных и послеаварийных режимах работы;

- повышают надежность передачи электроэнергии и электроснабжения потребителей.

Таблица 2.3 - Основные отличия провода АСТ от АС

Характеристика	АС	АСТ
Рабочая температура, (С)	90	210
Краткосрочный нагрев, до 30 мин, (С)	120	240
Допустимая температура при КЗ < 1c, (C)	220	300
Токонесущая способность, (А)	Iраб	Iраб+50%
Передаваемая мощность, (Вт)	Wраб	1,5 *Wраб

Применяемые материалы

Для изготовления проводов применяются следующие материалы:

- проволока из алюминиевого сплава АЦр1Е по ТУ 16.К03-51;

- проволока из алюминиевого сплава АТ3 по МЭК 62004;

- проволока из алюминиевого сплава по ASTM B 941-05;

- стальная проволока с цинкоалюминиевым покрытием по нормативной документации фирмы «Bekaert».

3. Расчет потерь электроэнергии

3.1 Краткое описание работы программы “RASTR”

электроэнергия казахстан линия провод

Приведем краткое описание расчетной части программы “RASTR”. Комплекс программы RASTR предназначен для расчета и анализа установившихся режимов электрических систем на ПЭВМ IВМ РС и совместимых с нею. RASTR позволяет производить расчет, эквивалентирование и утяжеление режима, обеспечивает возможности экранного ввода и коррекции исходных данных, быстрого отключения узлов и ветвей схемы, имеет возможности районирования сети, также предусмотрено графическое представление схемы или отдельных ее фрагментов вместе с практически любыми расчетными и исходными параметрами.

RASTR не имеет программных ограничений на объем рассчитываемых задач. Захват оперативной памяти определяется размером рассчитываемой схемы, и в настоящее время предельный объем схемы составляет 1200-1500 узлов (в зависимости от конфигурации схемы) при минимальном числе резидентных программ.

Формат данных "Узлы":

1) Район - номер района, к которому относится узел;

2) Номер - номер узла на схеме замещения;

3) N - номер статической характеристики;

4) О - не заданы;

5) 1.2 - стандарты (зашиты в программу);

6) Название - название узла (0-12 символов);

7) Uном - номинальное напряжение узла или модуль узла (определяется по стандартной шкале напряжения);

8) Рнаг, Qнаг - активная и реактивная нагрузка узла (определяется по контрольным замерам, либо используются расчетные данные);

9) Рген, Qген - активная и реактивная генерация узла, задаются также по контрольным замерам для тех узлов, где есть генерация;

10) Qmin, Qmax - минимально и максимально возможные пределы изменения генерации реактивной мощности узла (определяются по техническим возможностям оборудования). Задание пределов позволяет программе определить оптимальную генерацию по реактивной мощности для данного узла.

Формат данных "Ветви":

1) Nнач , Nкон - номера узлов ограничивающих линию;

2) R, X - сопротивление;

3) B - проводимость (мкСм) для ЛЭП - полная проводимость шунтов "П"-образной схемы (< 0) , для трансформатора - проводимость "Г" - образной схемы (> 0);

4) Кт в Кт/м - вещественная и мнимая составляющая коэффициента трансформации;

Сопротивление ветви должно быть приведено к напряжению Uнач, а коэффициент трансформации определяется как отношение Uкон/Uнач.

Формат данных "Районы":

Номер - номер района;

Название - название района;

Команда "Результат"

Подкоманда "Узлы"

Результаты расчета представляются в форме таблицы, при просмотре которой пользуемся клавишами PGUP, PGDN для листания таблицы вперед и назад по страницам, стрелками для перемещения по одному узлу. На экране всегда показываются все связи узла (если они не умещаются на экране, то узел не показывается целиком). Для прямого перехода на интересующий узел необходимо набрать его номер и нажать Enter (номер > па высвечивается на первой строке экрана).

Подкоманда "Потери"

Предназначена для вывода структурного анализа потерь активной мощности по заданному району или по всей сети. Для печати таблицы - F8.

Технические характеристики программы RASTR не имеет программных ограничений на объем рассчитываемых задач. Захват оперативной памяти определяется размером рассчитываемой схемы. Расчет памяти сделан в предположении, что не установлены резидентные программы, использующие расширенную память. В процессе работы программой могут создаваться три типа файлов:

1) *.rge содержат информацию об исходных данных и режиме схемы и требуют 1 Кбайт дисковой памяти на 10 узлов схемы;

2) *.uk содержат информацию о траектории утяжеления;

3)*.cxe содержат информацию о графическом образе схемы.

Описание расчетной части пакета программ RASTR.

Главное меню:

После загрузки RASTR Вы попадаете в главное меню комплекса, в котором отображаются основные команды. Для перемещения по меню используйте:

а) клавиши перемещения курсора, <ENTER> - для входа в выбранную команду, <ESC> - для выхода.

б) функциональные клавиши - нажатие клавиши ALT одновременно с выделенной цветом буквой горизонтального меню приводит к попаданию в это меню, где бы Вы не находились.

Нажатие выделенной цветом буквы вертикального меню приводит к началу выполнения этой команды (используйте клавиши на которые нанесены русские буквы независимо от наличия кириллицы и регистра). Например: ALT_Д /В/У - приведет к попаданию в таблицу "Узлы" из любого места программы. Клавиши F1 - F10 используются для выполнения команд, не входящих в меню, справка по ним - последняя строка экрана, справка по клавишам ALT_F1 - F10 может быть получена путем нажатия клавиши ALT.

в) мышь - используется двухкнопочная мышь с инверсным курсором (выделенное цветом знакоместо), перемещение курсора мыши и нажатие левой клавиши мыши приводит к перемещению программного курсора в заданное место, быстрое двойное нажатие левой клавиши ("клик") приводит к выполнению выбранной команды (аналогично ENTER) нажатие левой клавиши в последней строке экрана приводит к выполнению соответствующей команды (в зависимости от нажатия кнопки ALT). Правая клавиша мыши используется как клавиша ESC. Работа с мышью имеет свои особенности в экранном редакторе и выдаче результатов.

Для расчета сети была взята схема участка сети АО АЖК. Параметры сети

Рисунок 3.1 - Участок сети 220 кВ АО АЖК

Для расчета сети использовались провода марки АС, компактные и высокотемпературные провода. Характеристики проводов представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Параметры проводов

Марка провода	l, км	R, Ом	X, Ом	b, м	R+jX
АС-240/39	74,88	0,1222	0,405	2,62	9,150+j30,326
ACCR-477-T15	74,88	0,1134	0,3022	2,62	8,491+j22,629
Aero-Z 301-2Z	74,88	0,1072	0,2755	2,62	8,027+j20,629
АС-240/40	17,72	0,1222	0,405	2,62	2,126+j7,177
ACCR-477-T16	17,72	0,1134	0,3022	2,62	2,009+j5,355
Aero-Z 301-2Z	17,72	0,1072	0,2755	2,62	1,9+j4,882

Расчет был произведен в программе RastrWin и представлен в приложении А

Результаты расчета представлены в таблице 3.2

Таблица 3.2 - Сравнение потерь мощности в линии

Марка провода	P, МВт	P, %
АС-240/39	5,22
Aero-Z 301-2Z	4,663	10,67
Accr-477-T16	4,933	5,51

4. Расчет проводов на механическую прочность

4.1 Общие сведения

Воздушная линия работает в естественных климатических условиях и подвергается ветровым и гололедным нагрузкам, изменениям температуры окружающего воздуха, воздействию грозы. Все климатические условия фиксируются на метеостанций вся территория РК разделена на районы:

- по толщине стенки гололеда;

- скоростным напорам ветра;

- среднегодовой продолжительности гроз;

- пляске проводов - колебаниям проводов с большой амплитудой и малой частотой под воздействием ветровых и гололедных нагрузок.

Карты районирования территории страны приводятся в ПУЭ.

В каждом районе фиксируются значения температур при максимальной скорости ветра, интенсивном гололедообразовании, грозе, рассчитывается среднегодовая температура.

При проектировании ВЛ необходимо учитывать климатические условия района, где будет сооружаться линия.

Одним из важных моментов проектирования ВЛ является расчет проводов и тросов на механическую прочность. Расчет опор и других элементов ВЛ (изоляторов, арматуры), как правило, не производится. Эти элементы, в частности опоры, выбираются из унифицированного ряда с учетом климатических условий района сооружения ВЛ. Для каждой унифицированной опоры в справочных материалах указываются ее размеры и область применения.

Под расчетом проводов и тросов ВЛ на механическую прочность понимается определение механического напряжения в проводах и тросах при различных сочетаниях климатических условий и сопоставление этих напряжений с допустимыми значениями.

Основными факторами, влияющими на механическое напряжение в проводе, являются:

- температура окружающего воздуха;

- гололедные нагрузки;

- ветровые нагрузки.

При изменении температуры воздуха меняется внутреннее механическое напряжение в проводе за счет изменения длины провода в пролете. Гололед и ветер влияют на механическое напряжение в проводе за счет внешнего механического воздействия.

Для ВЛ применяются, главным образом, сталеалюминиевые провода. Физико-механические характеристики, приведенные к проводу в целом:

- модуль упругости Е;

- температурный коэффициент линейного удлинения б;

- механическое напряжение у.

Характеристики сталеалюминиевых проводов различного сечения приведены в справочных материалах.

ПУЭ устанавливают допустимые механические напряжения в проводе для трех режимов:

- режима низшей температуры [у_tmin];

- режима среднегодовой температуры [у_tср];

- режима наибольшей внешней нагрузки [у_рmax];

Основной задачей механического расчета провода является определение таких условий его монтажа, чтобы в процессе эксплуатации линии механические напряжения в проводе в режимах низшей температуры у_tmin, среднегодовой температуры у_tср и наибольшей внешней нагрузки у_рmax не превышали допустимых значений.

Таким образом, условия проверки провода на механическую прочность имеют следующий вид:

Расчет производился по программе разработанной ТОО КазСельЭнергопроект. Исходные данные и результаты вычислений приведены в приложении 1 и 2. Полученные графики приведены ниже.

Рисунок 4.4 - Зависимость напряжения от длины пролета при максимальной температуре

Рисунок 4.5 - Зависимость напряжения от длины пролета при минимальной температуре



Рисунок 4.6 - Зависимость напряжения от длины пролета при средней температуре

Рисунок 4.7 - Зависимость стрелы провеса от длины пролета при максимальной температуре

Рисунок 4.8 - Зависимость стрелы провеса от длины пролета при минимальной температуре

Рисунок 4.9 - Зависимость стрелы провеса от длины пролета при средней температуре

5. Экономическая часть

5.1 Цель расчета

В данном проекте рассмотрен участок линии (рисунок 4.1) АО АЖК напряжением 220 кВ. Цель расчета определить экономически выгодную марку провода. Эффективность определяется по методу минимальных приведенных затрат:

(5.1)

где - суммарные капиталовложения

- суммарные эксплуатационные издержки

- нормативный коэффициент эффективности капитальных вложении

5.2 Выбор возможных вариантов

Рассматриваются следующие марки проводов:

1. АС-240/39

2. Компактированный провод Aero-Z 301-2Z

3. Высокотемпературный провод 3M ACCR Hawk 277-T16

Для каждого из данных вариантов распишем капитальные вложения на развертывание и эксплуатацию.

5.2.1 Расчет приведенных затрат для I варианта

Расчет капитальных вложении по I варианту

Суммарные капитальные вложения:

 (5.2)

где - капиталовложения на покупку оборудования

- капиталовложения на транспортировку оборудования

- капиталовложения на монтаж оборудования

Капиталовложения на опоры:

где - стоимость одной опоры марки П-220-2

n₁ - количество опор

Капиталовложения на провода:

где - стоимость провода марки АС-240/39 км/тенге

l - длина линии

Капиталовложения на арматуру:

Капиталовложения на покупку оборудования:

Капиталовложения на транспортировку:

Капиталовложения на монтаж:

Суммарные капитальные вложения:

Расчет эксплуатационных издержек по I варианту:

Суммарные эксплуатационные издержки:

(5.3)

где - эксплуатационные издержки на заработную плату

- эксплуатационные издержки на социальный налог

- эксплуатационные издержки на амортизацию

- эксплуатационные издержки на обслуживание и ремонт

- материальные эксплуатационные издержки

- эксплуатационные издержки на потери электроэнергии

- эксплуатационные издержки на начисления в пенсионный фонд

Эксплуатационные издержки на заработную плату:

где - средняя месячная заработная плата работника (70000 тенге);

- штат работников (30 человек);

12 - количество месяцев в году;

- коэффициент, учитывающий дополнительную заработную плату

Эксплуатационные издержки на начисление в пенсионный фонд:

Эксплуатационные издержки на социальный налог:

Эксплуатационные издержки на амортизацию:

где К_{а лэп} - коэффициент амортизационных издержек ЛЭП, %/год

Эксплуатационные издержки на обслуживание и ремонт:

где б_об/рем - нормы отчислений на обслуживание электрических сетей и ремонты, %/год

Материальные эксплуатационные издержки:

Эксплуатационные издержки на потери электроэнергии

где - цена за 1 кВт/час электроэнергии;

- потери электроэнергии

Суммарные эксплуатационные издержки:

Приведенные затраты:

5.2.2 Расчет приведенных затрат для II варианта

Расчет капитальных вложений по II варианту

Капиталовложения на опоры:

где - стоимость одной опоры марки П-220-2

n₂ - количество опор

Капиталовложения на провода:

где - стоимость провода марки Aero-Z 301-2Z, км/тенге

l - длина линии

Капиталовложения на арматуру:

Капиталовложения на покупку оборудования:

Капиталовложения на транспортировку:



Капиталовложения на монтаж:

Суммарные капитальные вложения:

Расчет эксплуатационных издержек по II варианту:

Эксплуатационные издержки на заработную плату:

Эксплуатационные издержки на начисление в пенсионный фонд:

Эксплуатационные издержки на социальный налог:

Эксплуатационные издержки на амортизацию:

где К_{а лэп} - коэффициент амортизационных издержек ЛЭП, %/год

...