CC BY
17
Латыпов И. С. Latypov I. 8.
соискатель кафедры «Электроэнергетика», ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет», ООО «Тюменский нефтяной научный центр», г. Тюмень Российская Федерация
DOI: 10.17122/1999-5458-2019-15-3-45-52
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ НЕИЗОЛИРОВАННЫХ ПРОВОДОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ В ПРОГРАММНОЙ СИСТЕМЕ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА
Основную долю воздушных линий электропередачи Российской Федерации составляют линии среднего класса напряжения 6-35 кВ, в частности, велика их протяженность в системах электроснабжения потребителей нефтегазовой отрасли. Длины воздушных линий 6-35 кВ до потребителей в данных системах могут составлять несколько десятков километров в виду отдаленности электроприемников от энергоцентра.
Нагрев проводов в процессе передачи, в том числе их перегрев за счет превышения токовой нагрузки, приводит к тепловым потерям электроэнергии при передаче, которые необходимо учитывать при разработке и эксплуатации систем электроснабжения нефтегазовых потребителей, так как систематические токовые перегрузки элементов воздушной линии могут привести к выходу из строя дорогостоящего оборудования.
В процессе эксплуатации воздушных линий электропередачи класса напряжения 6-35 кВ возникают аварийные ситуации, связанные с нарушением электроснабжения ответственных потребителей. Причиной таких аварийных ситуаций могут являться: воздействия окружающей среды, нарушения требований эксплуатации, дефекты монтажа и конструкций воздушной линии электропередачи, посторонние воздействия. Наиболее тяжелыми являются нарушения, связанные с воздействием окружающей среды (ветер и гололед), так как время ликвидации таких аварий может составлять несколько суток из-за большой протяженности воздушных линий электропередачи и труднодоступности места аварии.
Для решения указанных выше проблем в статье рассмотрены вопросы снижения температуры нагрева при передаче электрического тока и увеличения механической прочности проводов, применяемых в распределительных сетях класса напряжения 6-35 кВ системы электроснабжения потребителей нефтегазовой отрасли. Предложена и исследована энергоэффективная форма витого неизолированного провода линии электропередачи. Выполнено моделирование тепловых и механических процессов в программной системе конечно-элементного анализа (МКЭ).
Ключевые слова: неизолированный провод, моделирование, энергоэффективная форма провода, коэффициент гладкости, коэффициент заполнения, система конечно-элементного анализа.
УДК 621.592.00
MODELING AND RESEARCH OF UNINSULATED WIRE
FOR ELECTRICAL COMPLEXES OF CONSUMERS IN THE OIL AND GAS INDUSTRY IN A FINITE ELEMENT ANALYSIS SOFTWARE SYSTEM
The main share of overhead power transmission lines of the Russian Federation is made up of medium-voltage lines of 6-35 kV, in particular, their length in power supply systems of consumers in the oil and gas industry is large. The lengths of overhead lines 6-35 kV to consumers in these systems can be several tens of kilometers in view of the remoteness of power receivers from the energy center.
Heating of wires during transmission, including overheating due to exceeding the current load, leads to thermal losses of electricity during transmission, which must be taken into account when developing and operating power supply systems for oil and gas consumers, since systematic current overloads of overhead line elements can lead to exit building expensive equipment.
In the process of operating overhead power lines of a voltage class of 6-35 kV, emergency situations arise related to a violation of the power supply of responsible consumers. The cause of such emergencies can be: environmental influences, violations of operating requirements, installation defects and overhead power line structures, extraneous influences. The most severe are violations associated with environmental influences (wind and ice), since the time to eliminate such accidents can be several days due to the long length of overhead power lines and the inaccessibility of the accident site.
To solve the above problems, the article addresses the issue of lowering the heating temperature during electric current transmission and increasing mechanical strength, wires used in distribution networks of voltage class 6-35 kV of the power supply system for consumers of the oil and gas industry. An energy-efficient form of twisted uninsulated wire of a power line is proposed and investigated. The simulation of thermal and mechanical processes in the software system of finite element analysis (FEM) is performed.
Key words: uninsulated wire, simulation, power-efficient configuration of wire, coefficient of filling of full section, coefficient of a wire with material, finite element analysis.
Распределительные сети системы электроснабжения потребителей нефтегазовой отрасли относятся к классу напряжения 6-35 кВ и представлены преимущественно неизолированными проводами электропередачи [1]. Применение неизолированных проводов связано, прежде всего, с ориентированностью нефтегазового сектора на оборудование и материалы, которые зарекомендовали свое применение в данной отрасли, а также наличием большой базы продукции на рынке [2].
В настоящее время в распределительные сети класса напряжения 6-35 кВ системы электроснабжения потребителей нефтегазовой отрасли широко внедряются самонесущие изолированные провода (СИП) [3].
К основным преимуществам применения СИП в сравнении с неизолированными проводами, относят [4]:
— резкое снижение (до 80 %) эксплуатационных затрат, вызванное высокой надежностью и бесперебойностью энергообеспече-
46 -
Electrical and
ния потребителей, т.к. исключены короткие замыкания из-за схлестывания при вибрационной пляске проводов, обрывы из-за падения деревьев, гололедообразования и снего-налипания;
— снижение реактивного сопротивления изолированных проводов по сравнению с неизолированными;
— простота монтажных работ, возможность подключения новых потребителей электроэнергии под напряжением, без отключения остальных от энергоснабжения и, как следствие, сокращение сроков ремонта и монтажа.
К недостаткам применения СИП относятся:
— высокая цена на продукцию — разница в цене между неизолированным проводом и СИП достигает порядка 20 % в зависимости от номинального сечения, поэтому не всегда экономически обосновано применение изолированных проводов;
— большое значение активного сопротивления СИП в сравнении с неизолированным проводом равного номинального сечения. Связан данный недостаток с ограничением теплообмена с поверхности провода при передаче электрического тока за счет наличия изоляции провода;
— меньшее разрывное усилие проводов СИП в сравнении с применяемыми витыми неизолированными проводами в распределительной сети класса напряжения 6-35 кВ системы электроснабжения потребителей нефтегазовой отрасли — наибольшую применимость получили провода типа АС [5] с несущей (стальной) и токопроводящей (алюминиевой) частями.
Для увеличения механической прочности линии электропередачи применяют неизолированные провода высокой прочности типа АСВП, АААС, АССС, Аего^ и др. [6-8]. При передаче электроэнергии с использованием данных проводов не учитываются (или учитываются лишь косвенно) вопросы, связанные со снижением потерь электроэнергии в проводниках и повышением энергоэффективности распределительных сетей 6-35 кВ нефтегазовой отрасли.
Таким образом, поиск технического решения, позволяющего совместить преимущества выпускаемых в нашей стране неизолированных и самонесущих изолированных проводов, является актуальной научно-технической задачей.
В данной работе авторами предлагается энергоэффективный неизолированный провод с увеличенной механической прочностью (в сравнении с проводами типа АС и СИП) для распределительных сетей класса напряжения 6-35 кВ, применение которых возможно в энергосистемах потребителей нефтегазовой отрасли [9, 10].
Рассмотрим основные результаты исследования.
В работе [11] были представлены результаты моделирования нагрева провода, а также распределения векторов теплового потока в зависимости от формы поперечного проводника (рассматривался цельный провод). По аналогии выполнено моделирование нагрева проводов, представленных на рисунке 1. Результаты моделирования сопоставлены с аналитическими расчетами, выполненными по формулам, представленными в работах [9, 12], и отражены в таблицах 1, 2.
а) б) в)
а) самонесущий изолированный провод (СИП); б) неизолированный сталеалюминевый провод (АС);
в) неизолированный энергоэффективный провод Рисунок 1. Провода ВЛ 6-35 кВ
Таблица 1. Сравнение аналитических расчетов с результатами моделирования (исходные данные)
Исходные данные
Вариант Номинальное сечение сердечника, мм2 Номинальное сечение алюминиевой части, мм2 Периметр в сечении, мм Коэффициенты Электрический ток, А Ном. напряжение сети, кВ
заполнения полного сечения материалом Хзт гладкости поверхности провода ттр.
а - 150 45,56 0,91 1,00 370 10
б 19 120 57,30 0,89 0,82
в 19 120 69,20 0,99 0,61
- 47
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 3, т. 15, 2019
tiplodc Fadan
«rfArtotoHI
ДзцжЬу Cinter * I _
iß SS- Й&РтоЬв D«ptay Scoped Bofll« -»
Filttfi Mime ai reject
^ н£3 -t"- a £j
Ä Hödel (M)
iTl v% SMffiéffy Ш ^J^ Cwrdhei» 6ïil*B4»
ф Gomeedofl«
ф-
% tamed SHediorls В Sie«*?-State Tliemwl-fiectric Conduction (C5J
уЛ Analysé 5e1fangs Current
Д MolLiöe
Temperalue
a ыалюп (ci)
J ♦ i SAJfcrt Lifermàtai Totsi Htat Fi» Température
Tab* Qectrc (тей intensity СвпишгмкДОО
Details af ' I «nperatuie Outline
Ci РМЧС1 препод*
Typt; Temperatur«
Unit! *C Типе- iÛSft Î5.0L30U Tiftï
Ci d,!»lC M« 58,903 54.291 49,678
45.005 40.452 35,039 31.226
26.6 U WWn
'■■.бяивейу/. Print PrrrëwÀ Itepprt P»wi*w/
V Idbutst Data
Mellaril Graphits. Annotations Ü raph
© 1 Mestage
Metric (mm, leg, Ц, \ mV, mA) Degrees rad/ï Се*йл
Рисунок 2. Интерфейс программы Ansys — моделирование нагрева провода под воздействием электрического тока
Таблица 2. Сравнение аналитических расчетов с результатами моделирования (расчетные величины)
Расчетные величины
Вариант Коэффициент теплоотдачи аТ Температура провода (аналит.) 4Р., °С Температура провода (моделиров.) tm, °С Сальдо аналит. — моделир. At, °С
а 14,2 75,4 76,8 -1,4
б 9,8 65,7 63,5 2,2
в 9,6 55,6 57,3 -1,7
На рисунке 2 представлен нагрев провода АС номинальным сечением 120/19 мм2 в программной среде конечных элементов АйБуБ.
Анализ таблиц 1 и 2 показывает:
— увеличение боковой поверхности охлаждения позволяет отводить с поверхности провода большее количество теплоты — разница между вариантами б и в (неизолированные провода) достигает 20 %;
— большая температура нагрева провода СИП обусловлена наличием изоляции из све-тостабилизированного сшитого полиэтилена, которая ограничивает теплообмен между проводом и окружающей средой;
— энергоэффективный провод позволяет передавать больший электрический ток, следовательно и электрическую мощность, тем самым увеличивается пропускная способность электрической сети.
Моделирование механических процессов (сжатие, растяжение, кручение) витого неизолированного провода линии электропередачи показало, что более плотное сопряже-
ние проволок позволяет увеличить механическую прочность провода более чем на 15 %.
На рисунках 3, 4 для примера приведены эквивалентные деформации (ESTRN) проводов различной формы поперечного сечения (исходные данные по моделированию представлены в таблице 3).
Анализ рисунков 3 и 4 показывает, что провод типа АС при растягивающей нагрузке 40 кН деформируется больше, то есть разрывное усилие, следовательно и запас прочности такого провода, меньше (разница составляет 15 %).
Провода ВЛ, подвешенные на опорах воздушной линии, находятся под постоянным действием равномерно распределенной по длине вертикальной статической нагрузки от собственного веса. Кроме того, на них могут действовать внешние силы, направленные вертикально (гололедно-изморозевые образования) и горизонтально (давление ветрового потока).
Электротехнические комплексы и системы
Тип эпюры; Статическая деформация Деформация1 Шкал» деформации; 5,13015
Рисунок 3. Эквивалентная деформация энергоэффективного провода [9] при растягивающей нагрузке
в программе SolidWorks
Тмп эпогьиСтычес^А дефсрччцмадчфор^^шиа! Ш кала дефо рмации: 1
Л
Рисунок 4. Эквивалентная деформация провода типа АС [5] при растягивающей нагрузке
в программе SolidWorks
Таблица 3. Исходные данные, принятые при моделировании
Исходные данные
Материал проволоки Простая углеродистая сталь
Тип модели Линейный, упругий, изотропный
w Предел текучести 2,20594е+008, Н/м2
s и Предел прочности при растяжении 3,99826е+008, Н/м2
F <D Модуль упругости 2,1е+011, Н/м2
ft <D Коэффициент Пуассона 0,28
Массовая плотность 7800 кг/м3
Модуль сдвига 7,9е+010, Н/м2
Коэффициент теплового расширения 1,3е-005 1/К
-a Материал проволоки Алюминиевый сплав
H У Тип модели Линейный, упругий, изотропный
F Предел текучести 2,75742е+007, Н/м2
3 Предел прочности при растяжении 3,99826е+008, Н/м2
Модуль упругости 6,9е+010, Н/м2
« о Коэффициент Пуассона 0,33
Ii Массовая плотность 2700 кг/м3
S £ Модуль сдвига 2,7е+010, Н/м2
H Коэффициент теплового расширения 2,4е-005 1/К
Вертикальная нагрузка от гололедно-изморозевых образований вызывает наибольшие усилия в проводах и действует не постоянно, а лишь при неблагоприятных сочетаниях атмосферных условий. Такая нагрузка может существовать на поверхности проводов длительное время, поэтому ее считают основной при расчете механической прочности проводов. Нарастание гололедного образования при этом происходит постепенно и не сопровождается динамическим изменением приложенной силы, поэтому нагрузку от гололеда при расчетах принимают статической [13]. Динамическим действием справедливо можно считать внезапный сброс гололеда при сильных порывах ветра или обрыва провода в смежных пролетах. Горизонтальная нагрузка от ветра, как и вертикальная нагрузка от гололеда, вызывает большие усилия в проводе.
Моделирование парусности проводов в зависимости от формы поперечного сечения выполнялось в работе [14], основные выводы по которой следующие:
— динамическое сопротивление ветровому потоку зависит от принятой формы провода (коэффициентов гладкости поверхности
провода и заполнения полного сечения материалом);
— наибольшее влияние оказывает коэффициент гладкости поверхности провода, изменение которого в сторону увеличения теплоотдачи приводит к повышению парусности провода в пролете;
— предложенный энергоэффективный провод [9, 10] имеет меньшую парусность (разница составляет 10 %) в сравнении с наиболее часто применяемым проводом типа АС в распределительной сети класса напряжения 6-35 кВ системы электроснабжения потребителей нефтегазовой отрасли.
Выводы
Предлагаемые энергоэффективные формы проводов позволяют снизить тепловые потери электроэнергии в распределительной сети до 20 % за счет большой боковой поверхности охлаждения, увеличивают механическую прочность (разрывное усилие) до 15 %, снижают воздействие ветрового потока до 10 % в сравнении с наиболее часто применяемыми проводами в распределительной сети системы электроснабжения нефтегазовой отрасли типа АС [5].
Список литературы 2. Абрамович Б.Н., Сычев Ю.А., Усти-
1. Макиенко Г.П. Кабели и провода, нов ДА Электр°снабжение нефтегазовых применяемые в нефтегазовой индустрии. предприятий. СШ.: Садет-Пет^ургс™ Пермь: Стиль-МГ, 2004. 518 с. государственный горный институт, 2008.
81 с.
50 -
Electrical and data processing facilities and systems. № 3, v. 15, 2019
3. ГОСТ Р 31946-2012. Провода самонесущие изолированные и защищенные для воздушных линий электропередачи. Общие технические условия. М.: Стандартинформ,
2013. 24 с.
4. Хайрисламов Д.С., Андрианова Л.П. Перспективы внедрения и особенности проектирования воздушных линий электропередач с самонесущими изолированными проводами // Повышение надежности и энергоэффективности электротехнических систем и комплексов: межвуз. сб. науч. тр. / Отв. ред. В.А. Шабанов. Уфа: УГНТУ, 2016. С. 276-280.
5. ГОСТ 839-80 1980. Провода неизолированные для воздушных линий электропередачи. Технические условия. М.: Стандартинформ, 2002. 32 с.
6. Кувшинов А.С. Инновационные конструкции проводов для высоковольтных линий электропередачи // Кабели и провода.
2014. № 2 (345). С. 14-16.
7. Федоров Н.А. Энергоэффективность и энергосбережение в электросетевом хозяйстве страны за счет применения инновационных проводов нового поколения // Воздушные линии. 2012. № 1. С. 31-34.
8. Aero-Z — провод для линий электропередачи // Новости Электротехники. 2004. № 4 (28). URL: http://news.elteh.ru/ arh/2004/28/40.php (дата обращения: 16.07.2019).
9. Латыпов И.С., Хмара Г.А., Сушков
B.В. Подход к обоснованию выбора энергоэффективной формы витого неизолированного провода воздушной линии электропередачи класса напряжения 6-35 кВ // Промышленная энергетика. 2017. № 4.
C. 8-12.
10. Пат. 2631421 РФ, МПК H 01 B 5/08. Провод для воздушных линий электропередачи / И.М. Богачков, И.С. Латыпов. 2016114397; Заявлено 13.04.2016; Опубл. 22.09.2017. Бюл. 27.
11. Латыпов И.С., Сушков В.В., Хмара Г. А., Ефремова И.А. Система интеллектуального мониторинга гололедообразования в распределительной сети класса напряжения 6-35 кВ // Нефть. Газ. Новации. 2018. № 12. С. 93-97.
12. Гиршин С.С., Бубенчиков А.А., Горюнов В.Н., Левченко А.А., Петрова Е.В.
Анализ распределения температуры по сечению самонесущих изолированных проводов // Омский научный вестник. 2009. № 3 (83). С.171-175.
13. Дьяков А.Ф., Левченко И.И. Диагностика, реконструкция и эксплуатация воздушных линий электропередачи в гололедных районах. М.: Издательский дом МЭИ,
2007. 448 с.
14. Латыпов И.С., Сушков В.В. Сравнение неизолированных проводов воздушной линии электропередачи различной формы поперечного сечения по различным критериям // Энергосбережение и инновационные технологии: матер. Всеросс. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов, молодых учёных и специалистов / отв. ред. А Н. Халин. Тюмень: ТИУ, 2018. С. 273-277.
References
1. Makienko G.P. Kabeli i provoda, prime-nyaemye v neftegazovoi industrii [Cables and Wires used in the Oil and Gas Industry]. Perm, Stil'-MG Publ., 2004. 518 p. [in Russian].
2. Abramovich B.N., Sychev Yu.A., Ustinov D.A. Elektrosnabzhenie neftegazovykh predpriyatii [Power Supply of Oil and Gas Enterprises]. Saint-Petersburg, Sankt-Peter-burgskii gosudarstvennyi gornyi institut Publ.,
2008. 81 p. [in Russian].
3. GOST R 31946-2012. Provoda samo-nesushchie izolirovannye i zashchishchennye dlya vozdushnykh linii elektroperedachi. Obshchie tekhnicheskie usloviya [State Standard R 31946-2012. Insulated and Protected Wires for Overhead Power Lines. General Specifications]. Moscow, Standartinform Publ., 2013. 24 p. [in Russian].
4. Khairislamov D.S., Andrianova L.P. Perspektivy vnedreniya i osobennosti proek-tirovaniya vozdushnykh linii elektroperedach s samonesushchimi izolirovannymi provodami [Prospects of Implementation and Design Features of Overhead Power Lines with Self-Supporting Insulated Wires]. Mezhvuzovskii sbornik nauchnykh trudov «Povyshenie nadezhnosti i energoeffektivnosti elektro-tekhnicheskikh sistem i kompleksov» [Inte-runiversity Collection of Scientific Papers «Improving the Reliability and Energy Efficiency of Electrical Systems and Complexes»]. Managing Ed. V.A. Shabanov.
Ufa, UGNTU Publ., 2016, pp. 276-280. [in Russian].
5. GOST 839-80 1980. Provoda neizo-lirovannye dlya vozdushnykh linii elektro-peredachi. Tekhnicheskie usloviya [State Standard 839-80 1980. Uninsulated Wires for Aerial Power Lines. Specifications]. Moscow, Standartinform Publ., 2002. 32 p. [in Russian].
6. Kuvshinov A.S. Innovatsionnye konstruktsii provodov dlya vysokovol'tnykh linii elektroperedachi [The Innovative Design of Cables for High-Voltage Power Lines]. Kabeli i provoda — Cables and Wires, 2014, No. 2 (345), pp. 14-16. [in Russian].
7. Fedorov N.A. Energoeffektivnost' i energosberezhenie v elektrosetevom khozyaistve strany za schet primeneniya innovatsionnykh provodov novogo pokoleniya [Energy Efficiency and Energy Saving in the Power Grid Sector of the Country Through the Use of Innovative Wires of the New Generation]. Vozdushnye linii — Air Line, 2012, No. 1, pp. 31-34. [in Russian].
8. Aero-Z — provod dlya linii elektroperedachi [Aero-Z — Wire for Power Lines]. Novosti Elektrotekhniki — The News of Electrical Engineering, 2004, No. 4 (28). Available at: http://news.elteh.ru/arh/2004/ 28/40.php (accessed 16.07.2019). [in Russian].
9. Latypov I.S., Khmara G.A., Sushkov V.V. Podkhod k obosnovaniyu vybora energo-effektivnoi formy vitogo neizolirovannogo provoda vozdushnoi linii elektroperedachi klassa napryazheniya 6-35 kV [Approach to the Justification of the Choice of Energy Efficient Form of Twisted Uninsulated Wire Overhead Power Line Voltage Class 6-35 kV]. Promysh-lennaya energetika — Industrial Power Engineering, 2017, No. 4, pp. 8-12. [in Russian].
10. Bogachkov I.M., Latypov I.S. Provod dlya vozdushnykh linii elektroperedachi [Wire for Overhead Power Lines]. Patent RF, No. 2631421, 2017. [in Russian].
11. Latypov I.S., Sushkov V.V., Khmara G.A., Efremova I.A. Sistema intellektual'nogo monitoringa gololedoobrazovaniya v raspre-delitel'noi seti klassa napryazheniya 6-35 kV [System of Smart Monitoring with 6-35 kV Power Distribution Nets Icing]. Neft'. Gaz. Novatsii — Oil. Gaz. Novation, 2018, No. 12, pp. 93-97. [in Russian].
12. Girshin S.S., Bubenchikov A.A., Goryunov V.N., Levchenko A.A., Petrova E.V. Analiz raspredeleniya temperatury po secheniyu samonesushchikh izolirovannykh provodov [Temperature Distribution Analysis by Sectioning of Self-Bearing Insulated Wires]. Omskii nauchnyi vestnik — Omsk Scientific Bulletin, 2009, No. 3 (83), pp. 171-175. [in Russian].
13. Dyakov A.F., Levchenko I.I. Diag-nostika, rekonstruktsiya i ekspluatatsiya vozdushnykh linii elektroperedachi v golo-lednykh raionakh [Diagnostics, Reconstruction and Operation of Overhead Power Lines in Icy Areas]. Moscow, Izdatelskii dom MEI Publ., 2007. 448 p. [in Russian].
14. Latypov I.S., Sushkov V.V. Sravnenie neizolirovannykh provodov vozdushnoi linii elektroperedachi razlichnoi formy poperechnogo secheniya po razlichnym kriteriyam [Comparison of Uninsulated Overhead Power Line Wires of Different Cross-Section Shapes According to Different Criteria]. Materialy Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konfe-rentsii studentov, aspirantov, molodykh uchenykh i spetsialistov «Energosberezhenie i innovatsionnye tekhnologii» [Materials of the All-Russian Scientific and Practical Conference of Students, Postgraduates, Young Scientists and Specialists «Energy Saving and Innovative Technologies»]. Managing Ed. A.N. Khalin. Tyumen, TIU Publ., 2018, pp. 273-277. [in Russian].
