ВЫБОР СЕЧЕНИЙ ПРОВОДОВ МЕТОДОМ УНИВЕРСАЛЬНЫХ НОМОГРАММ В ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Применяемые в настоящее время при проектировании линий электропередачи методы выбора сечений проводов воздушных линий (ВЛ) по экономической плотности тока и экономическим интервалам основаны на сопоставлении вариантов по критерию минимума приведенных затрат и могут быть использованы при рассмотрении вопроса развития межсистемных связей и основной сети, а также других проблем представляющих межрегиональный или общегосударственный интерес, в частности, межсистемных ЛЭП – 220 – 500 кВ.

Выбор сечений проводов по экономической плотности тока. В основу методики определения сечения проводов по экономической плотности тока положено понятие о прямолинейности зависимости стоимости сооружения 1-го км линии К(F) от сечения провода [1, 2, 3].

К(F) = k + kF F ,                                               (1)

где k – компонента К(F), не зависящая от сечения провода F; kF – коэффициент, определяющий наклон зависимости K(F)=f(F) по отношению к горизонтальной оси. Значение kF определяется видом линии ( ВЛ или КЛ ), её номинальным напряжением Uн, значением коэффициента дефлятора, а в случае ВЛ - ещё и типом и материалом опор. Таким образом, kF концентрирует в себе  целую серию факторов, вследствие чего этот коэффициент является достаточно  изменчивым показателем.

Кроме того вводится допущение о равенстве активного r0 и омического r0ом сопротивлений:

где ρ = 30,5 Ом·мм2/км – удельное сопротивление алюминия.

При этих 2-х допущениях выражение для приведенных затрат З на воздушную линию, включающих в себя долю (Eн+P)  единовременных капитальных затрат K и ежегодные затраты на потери электроэнергии в линии, примет вид [3, 4]:

Где P=Pоб, рем+РА=0,028 - ежегодные отчисления от капитальных вложений на амортизацию и обслуживание.

Iср.кв. - расчётный ток в базисном режиме работы линии, А.

τ - продолжительность  максимальных  потерь  электроэнергии  в  линии   за  год, ч., определяемая по эмпирическому выражению:

ЗЭН - удельные замыкающие затраты на электроэнергию в приёмной

энергосистеме связанные с возмещением потерь в линии, коп/кВт.ч в расценках  1984г [5].

Если условно принять, что F меняется непрерывно то, подставляя значение K(F) в формулу (3), и приравнивая к нулю производную dЗ/dF, после преобразований получаем оптимальные значения F и JЭК:

Таким образом, получаются известные выражения для оптимальной (экономической) плотности тока, независящие от степени ограничения коронного разряда.

По формуле (5) определяем наивыгоднейшую плотность тока JЭК в проводах ВЛ для различных классов номинального напряжения. Результаты проведенного на ЭВМ расчёта ЗЭН, t, JЭК сводим в таблицу № 1.

Таблица № 1   Значения экономических плотностей тока

Из приведённых расчётов видно, что JЭК относительно слабо зависит от номинального  напряжения линии, климатических особенностей района и ряда других факторов и позволяет оценить значение JЭК без учёта зависимости конструктивной части линии от F.

Сильное влияние на JЭК   оказывают величины  t   и ЗЭН , причём ЗЭН   существенно зависят от

региона, в котором будет сооружаться новая линия [4].

Выбор сечений проводов методом экономических интервалов. Несмотря на достоинства, применение метода экономической плотности тока для выбора сечений проводов ВЛ обладает рядом недостатков.

Наиболее существенные недостатки согласно [1, 9] заключаются в следующем:

1.   Стандартная шкала сечений проводов прерывиста. При определении сечения по JЭК чаще всего получается величина, лежащая между 2мя стандартными значениями. Округление расчётного значения до ближайшего стандартного является в ряде случаев довольно сложной задачей.

2.    Выражение для экономической плотности получено в предположении линейной зависимости капитальных вложений в ВЛ от её длины. Линейная зависимость нарушается при переходе к массовому строительству воздушных линий на унифицированных опорах.

 3.    При определении значений JЭК не учтено влияние на выбор  сечений проводов изменений передаваемой мощности с момента ввода линии в эксплуатацию до момента, когда нагрузка достигнет расчетного  значения.

4. Методика выбора сечений проводов по экономической плотности тока JЭК требует прогнозирования расчетных нагрузок по ВЛ-220 кВ с точностью до 60-100 A. (при применяемой номенклатуре проводов с интервалом 30-100 мм2), что совершенно  нереально.

5.   Зависимость стоимости линий от сечения проводов принята одинаковой для линий всех номинальных напряжений и опор любой конструкции.

Метод выбора сечений проводов свободный от указанных выше недостатков получил название метода экономических интервалов.

Согласно этому методу для воздушных и кабельных линий разных напряжений и исполнений определяются приведённые  затраты З в зависимости от тока максимума нагрузки Iнб для различных сечений на единицу длины линии:

З = (Ен+Ра)·К0 + ЗI2нб R0 t Зэн,                                                               (6)

Так как оценка стоимости электроэнергии в сопоставляемых проектных вариантах по замыкающим затратам Зэн не адекватна новым экономическим отношениям [1, 2, 4], поэтому в выражении (6) вместо Зэн будем использовать средневзвешенный тариф Ц=2,00 руб/кВт.ч. Eн – коэффициент эффективности капиталовложений, значение которого при фиксированном токе нагрузки не оказывает существенного влияния на величину приведенных  затрат. Так, например, при изменении  Ен от 0,1  до 0,7 –  величина отклонения затрат приведенных З составляет не более 0,6%, что позволяет нам принять в качестве Ен какую- либо усреднённую величину, не противоречащую проведенным в [3] расчётам простого срока окупаемости ТОК.П. Принимая, например, Ен=0,34 год-1, получаем ТОК.П.=1/0,34=2,94 года, что соответствует значениям ТОК.П. рассчитанным в [3]. Коэффициент дефлятора (средневзвешенное значение коэффициента пересчета цен 1984 г. к ценам 2014 г.) принимаем равным – 100 [1].

Активные потери электроэнергии на корону и в линейной изоляции ВЛ 110-220 кВ составляют весьма значительную долю, в общих технических потерях, достигающую, в зависимости от нагрузки и номинального напряжения линии 28,8-54% [7, 8]. В связи с этим, предлагается в формуле 1 учитывать стоимость потерь электроэнергии приходящиеся на корону и в изоляции линии. Тогда формулы (1, 6) с учётом потерь на корону и в линейной изоляции ВЛ примет вид:

где: ΔPКОР – годовые потери активной мощности на корону кВт/км; Nиз – число изоляторов в фазе, Твл – продолжительность в расчётном периоде влажной погоды, ч; Nгир – число гирлянд изоляторов [7, 8].

Принимая, что одноцепная ВЛ-220 кВ сооружается на ж/б опорах в 1-ом районе гололёдности и 3-м районе по СЗА в европейской части СНГ, построим экономические интервалы для сталеалюминевых проводов сечением 240 – 600 мм2 , при Твл = 1640 ч/год и τ = 3411 ч/год.

Результаты расчетов представлены в таблице 2. По  полученным  в таблице 2 значениям З=f(I), строим серию пересекающихся параболических кривых (рис 1). Точки их пересечения определяют значение тока при котором экономически целесообразен переход от одного сечения к другому. Нижняя ломанная кривая (AbcdF) является кривой минимальных приведенных затрат, то есть соответствует наивыгоднейшим сечениям [9]. Аналогичные кривые могут быть получены также и для других районов гололёдности, типов опор при варьируемом значении τ.

Для выбора экономически целесообразного сечения  провода  достаточно отложить на оси   абсцисс (рис.1) значение расчетного тока Iрасч. и визуально определить в какой из интервалов это  значение попадает.

Значение наибольшего  расчетного  тока линии Iрасч. в месте пересечения кривых определяется из выражения:

Зл1=Зл2                                                               (8)

где ЗЛ1  и ЗЛ2  - приведенные затраты для сравниваемых смежных сечений, зависящими от тока линии и будет:

Таким образом, ток Iрасч, вычисляемый по (9), является функцией полной совокупности выше рассмотренных экономических параметров: Ен, pа, KЛ1, KЛ2, Ц.

Выбор сечений проводов методом универсальных номограмм. Так как величина и положение экономических интервалов (рис. 1) зависит от τ, то для выбора сечений проводов рассматриваемым методом необходимо для каждого нового значения τ строить новое семейство кривых З(I), что практически нереально. Так, например, в [5] (таблица 7.8) даже не указывается для какого конкретного значения τ построены приведенные там экономические интервалы. В связи с этим предлагается для каждого стандартного сечения провода по формуле (9) построить кривые Iрасч.=f( t ), каждая из которых представляет собой границу, разделяющую области применения проводов смежных сечений (рис. 2). Таким образом, для любого τ выделяются универсальные номограммы (обобщённые экономические интервалы), расположенные между соответствующими кривыми.

Для выбора оптимального сечения проводов проектируемой ВЛ достаточно, при заданных значениях максимальной токовой нагрузки τIнб и времени максимальных потерь τ, отложить по осям номограммы их значения и визуально определить в какую из областей попадает точка пересечения прямых,  соответствующих отложенным на осях значениям этих параметров. Значение сечения, указанное внутри области, и будет оптимальным при заданных   исходных   условиях.   Так,    например,   если  Iнб = 250 А, а τ = 3500 ч, то указанная точка (т. А рис. 2) попадает в сектор соответствующий сечению 400 мм2.

Выводы

1.   Большой объём исходной информации и возможных пределов изменения влияющих параметров предопределяет значительный разброс предельных экономических токовых нагрузок, что в современных условиях требует внедрения в практику проектирования программного обеспечения, позволяющего осуществить выбор сечения проводов на основе метода универсальных токовых номограмм для конкретного состава технико-экономических параметров линии.

2. Предложенная методика определения экономического сечения проводов, основанная на построение обобщённых экономических интервалов для любого τ, позволяет более достоверно выбирать оптимальное сечение проводов ВЛ 220 – 500 кВ. Помимо удобства в работе, она может быть использована при любой ценовой политике в области тарифов на электроэнергию.

Список литературы

1. Зуев Э.Н. Ефентьев С.Н. Задачи выбора экономически целесообразных сечений проводов и жил кабелей М.: Издательство МЭИ 2005 г.86 с

2. Зуев Э.Н. К вопросу об экономической плотности тока в современных условиях. Электро. 2000. № 1. С. 44 – 47.

3.    Повышение эффективности электрических сетей 110-1150 кВ. Под ред. Н.Н. Тиходеева. Л. Энергоатомиздат 1990г.

4.       Федотов А.И.,      Абдуллазянов Э.Ю. Геркусов А.А Экономические основы выбора сечений проводов и кабелей в рыночных условиях. Проблемы энергетики – 2001 N 8 –9 c. 67 – 82.

5.   Справочник по проектированию электроэнергетических систем. Под ред. С.С.  Рокотяна  и М.Н. Шапиро. М. Энергоатомиздат, 1985г.

6.     Федотов  А.И.  ГеркусовА.А.  Проблема  энергосбережения  при  выборе сечений  проводов воздушных линий 110 – 500 кВ. Проблемы энергетики – 2000. N 11 – 12 C. 54 – 61.

7.  Железко  Ю.С.,  Артемьев  А.В.,  Савченко  О.В.  Расчёт,  анализ  и  нормирование  потерь электроэнергии в электрических сетях М. “Издательство НЦ ЭНАС”, 2005 г. 277 с.

8.   Афанасьев Д.А. Зарудский Д.К. К методике оценки потерь активной мощности на корону на воздушных линиях электропередачи сверхвысокого напряжения // Электро 2001 N 1. С. 11-13.

9.        Блок     В.М.      “Электрические     сети     и     системы”      Учебное     пособие     для     студентов электроэнергетических специальностей вузов. М.: “Высшая школа” 1986 г. – 430 c.

10. Правила устройства электроустановок 6-е издание М.: Энергоатомиздат 1985 г. – 630 с.