16 октября 2017г.
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
ТНБ,
ч
|
t,
ч
|
ЗЭН
коп/кВтч
|
Экономическая плотность тока JЭК, А/мм2 для ВЛ.
110-500 кВ, сооружаемых в 1-м р-не гололёдности на деревянных, стальных и ж.б. опорах .
|
110 ст.
|
110 ж.б.
|
110 д.
|
220
|
330
|
500
|
3000
|
1575
|
3,25
|
0,915
|
0,919
|
0,796
|
0,673
|
0,689
|
0,712
|
4000
|
2405
|
2,56
|
0,834
|
0,838
|
0,725
|
0,614
|
0,628
|
0,649
|
5000
|
3411
|
2,21
|
0,753
|
0,757
|
0,656
|
0,555
|
0,567
|
0,586
|
6300
|
4980
|
1,91
|
0,671
|
0,674
|
0,584
|
0,494
|
0,505
|
0,522
|
7000
|
5948
|
1,84
|
0,626
|
0,628
|
0,544
|
0,46
|
0,471
|
0,486
|
7900
|
7318
|
1,81
|
0,569
|
0,571
|
0,495
|
0,419
|
0,428
|
0,442
|
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.