CC BY
238
УДК 621.315.1
Н. Ю. Шевченко, Ю. В. Лебедева, Г. Г. Угаров
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ, РАБОТАЮЩИХ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ МЕТЕОУСЛОВИЯХ
Приведены основные варианты реконструкции воздушных линий электропередачи, повышающие эффективность работы в сложных метеоусловиях. Для поиска оптимального варианта предложен алгоритм решения многокритериальной задачи.
Воздушные линии электропередачи, эффективность, гололедно-ветровые нагрузки, многокритериальная оптимизация
N.J. Shevchenko, J.V. Lebedeva, G.G. Ugarov
EFFECTIVITY INCREASE OF AIR ELECTRICITY TRANSMISSION SYSTEMS, WORKING UNDER EXTREME WEATHER CONDITIONS
Some variants of air electricity transmission systems reconstruction, increasing, work effec-tivity under complex weather conditions are given in this article. In order to find an optimum variant, an algorithm of multicriteria task solution is brought forward here.
Air electricity transmission systems, effective, ice-wind Load, multicriteria optimization
Главными причинами, вызывающими резкое увеличение повреждаемости высоковольтных воздушных линий электропередачи, являются старение оборудования ВЛ и климатические воздействия. Основными климатическими нагрузками, оказывающими влияние на работу ВЛ, являются давление ветра на провода и опоры, масса и размеры гололедных отложений, действующие в различных сочетаниях. Повысить надежность работы ВЛЭП в экстремальных метеоусловиях возможно путем её реконструкции и в первую очередь тех участков линии, которые находятся в эпицентре образования гололедных отложений.
Повышение эффективности работы воздушных линий электропередачи путем ее реконструкции может заключаться в уменьшении потока отказов, трудоемкости выполнения ремонта и строительства линий, снижении времени восстановления после аварии, увеличении долговечности ВЛ, снижении ущерба от недоотпуска электроэнергии и других показателей.
Рассмотрим возможные пути повышения эффективности работы реконструируемых ВЛЭП, работающих в гололедно-ветровых ситуациях:
- проведение инструментального исследования элементов ВЛЭП, эксплуатируемых более 30 лет, с целью определения объемов реконструкции или ремонта;
- совершенствование проектных решений путем использования прогрессивных технологий и материалов, повышающих безотказность, долговечность и ремонтопригодность линий электропередачи;
- применение эффективных средств защиты от климатических воздействий.
С целью увеличения сроков службы ВЛЭП (50-75лет), уменьшения потока отказов от климатических нагрузок, сокращения сроков строительства, уменьшения времени восстановления после аварий и снижения затрат на эксплуатацию целесообразна замена железобетонных или металлических решетчатых опор на многогранные металлические [1].
Так как на характер гололедных отложений влияет жесткость проводов, для уменьшения гололедообразования рекомендованы компактные провода с гладкой поверхностью марки AERO-Z. Во время интенсивных отложений односторонний осадок на данных проводах периодически обрушивается под действием собственной массы и ветра, не достигая максимально возможных значений. Если на закручивающихся проводах марки АС осадок может в
течение длительного времени расти и достигать больших значений 10-20 кг/м и более, то у провода марки АЕЯ0-2 масса гололедного осадка не превышает 0,5 кг/м. Провода имеют примерно на 30-35% меньшее аэродинамическое сопротивление ветровым нагрузкам, что приводит к резкому снижению «пляски» проводов, это облегчает работу опор и гирлянд при сильных ветрах и сокращает эксплуатационные расходы. Благодаря плотной скрутке снижаются коррозия провода и электрические потери на 10-15%, повышается механическая прочность конструкции, но при этом стоимость провода в шесть раз выше стоимости провода типа АС [2].
Замена опор, их усиление или установка дополнительных являются распространенным мероприятием на отдельных участках ВЛЭП, подверженных гололедообразованию. Необходимо оценить эффективность данных мероприятий и выбрать оптимальный вариант реконструкции ВЛЭП по многокритериальной модели. Предлагается следующий алгоритм решения данной задачи:
- составляются альтернативные варианты реконструкции воздушной линии электропередачи, с целью повышения эффективности работы в сложных метеорологических условиях;
- производится механический расчет проводов для выбранных вариантов по методу допускаемых напряжений;
- проверяется эффективность мероприятий по условиям 77,(76,73) < (Гдоп, Н/мм ,
где а - напряжение провода при сочетании условий: <73 - нагрузка провода от собственной массы и массы гололеда; 76 - результирующая нагрузка от массы провода и давления ветра без гололеда; 77 - результирующая нагрузка от массы провода, массы гололеда и давления ветра.
- обосновываются частные критерии эффективности;
- определяются коэффициенты важности критериев;
- методом аддитивной свертки находится оптимальный вариант реконструкции воздушной линии электропередачи.
Так как надежная работа воздушной линии электропередачи в гололедно-ветровых условиях лимитируется либо обрывом провода, либо его габаритом, для составления альтернативных вариантов реконструкции необходимо проанализировать пути создания запаса по габариту и по увеличению разрывающей нагрузки.
Наименьшее расстояние от проводов до поверхности земли определяется из уравнения
Ь г = Ь п - ^шах , (1)
где Ь п - высота подвеса провода;
у • I2 О I2
^шах = ~-= —п— - максимально допустимая стрела провеса провода ВЛ; О п (у1)-
87+40 8Тш1п
нагрузка от веса провода, Н/м; 1 - длина пролёта, м; ТМп (7+40) - тяжение (напряжение) в низшей точке провисания провода ВЛ при высшей температуре воздуха, Н.
Уравнение изменения состояния провода при постоянной нагрузке О п основано на равенстве изменения длины цепной линии А1 и результирующей деформации провода в относительных единицах:
о212 О2]2 Т Т
А1 = —^-^ = а(1х _ 1 м) + -х----------м, (2)
24Тх2 24Тм2 х м БпЕп
где а(1х _ 1 м) - температурная деформация провода, мм/м, при изменении его температуры от монтажной в исходном состоянии до 1х; а - температурный коэффициент удлинения Т _ Т
провода, 1/ С; —------м - изменение упругой относительной деформации провода, мм/м, при
Б Е
п п
изменении тяжения, Н, из-за изменения температурной деформации; Бп - площадь поперечного сечения провода, мм2 ; Еп - модуль упругости провода, Н/мм2 [3].
Уравнение (2) можно выразить через стрелу провеса:
12
f _ G п12 _ 3Тх
G nf,. , Tx - Т..
+ a(tx - tм ) + '
x
. . (3)
х ''■'гт"' х м ^ т—1 т—1 ^ '
Из уравнения (3) следует, что при уменьшении длины пролета 1 , температурного коэффициента удлинения провода а, веса провода О п и увеличении упругой деформации про-
Тх _ Тм
вода —-----м возможно создать запас по габариту провод-земля.
^Еп
Работоспособность ВЛЭП в сильно гололедных условиях оценивается эксплуатационным коэффициентом запаса прочности кэ.
Эксплуатационный коэффициент запаса прочности пэ показывает, во сколько раз разрушающая внешняя нагрузка ув провода без собственного веса ух больше наибольшей расчетной нагрузки унб [4]:.
п э =^_^ (4)
Унб _ ?1
Расчет эксплуатационного коэффициента запаса прочности сводится к нахождению удельных нагрузок, при которых напряжение материала достигает временного. Для этого необходимо учесть и неупругие деформации:
Yв _°в
24sn У2
12 [<б ]
2 + r=f^ (5)
£п =£в _Р[7доп ] - относительное удлинение провода при растяжении его от состояния, соответствующего допустимому напряжению до временного сопротивления. Из формулы (5) следует, что с уменьшением длины пролета разрушающая нагрузка и эксплуатационный коэффициент запаса прочности увеличиваются.
Эксплуатационный коэффициент запаса прочности провода связан с конструктивными параметрами сооружения (высотой опоры, сечением провода, материалом провода, расположением проводов на опоре).
Выражение (5) можно записать в виде
У В =7
24е у2б. S2
~^т~ + ^2р2— (6)
ТДОП
Из выраже2ия (6) следует, что разрывающая 2агрузка и эксплуатацио22ый коэффици-е2т запаса пр0420сти проводов замет20 повышается при увеличе2ии сече2ия и уме2ьше2ия дли2ы пролета, а также о2 зависит от материала провода.
Для противодействия разрушающей 2агрузки при условии сохра2е2ия 2ормирова2-2Ь1Х вертикаль2^1х расстоя2ий между проводом и землей, к рассмотре2ию мож2о предложить следующие вариа2ты реко2струкции воздуш2ой ли2ии электропередачи:
- уме2ьше2ие дли2ы пролета за счет подста2овки промежуточ2ых опор без заме2ы провода;
- заме2а опор 2а более высокие;
- заме2а железобето22ых или металлических решетчатых 2а м2огогра22ые опоры;
- заме2а проводов действующей ВЛ 2а провода с большим сече2ием алюми2ия.
- заме2е проводов действующей ВЛЭП 2а провода с ме2ьшим температур2ым коэффи-цие2том удли2е2ия провода -а и большим 2аче2ием РпЕп :
а) 2а провода с большим сече2ием стали;
б) 2а специаль2ые типы проводов. Например, мож2о использовать высокотемпера-тур2ый провод с зазором G(Z)TACSR фирмы J-Power Systems, высокотемператур2ый про-
вод классического исполнения ^)ТАСБЯ фирмы ЬишрьБегпёогГ композитный провод Аего-7 (Бельгийская компания «МБХАМ^») [5].
Далее необходимо выбрать частные критерии эффективности Гэф. п., где п - число критериев. Показателям до реконструкции присвоим индекс Гисх, а показателям после реконструкции - Грек.
Так как самые тяжелые последствия вызывают гололедно-ветровые нагрузки, можно коэффициент запаса прочности кп рассчитать как отношение предельной толщины стенки гололеда впр, разрывающей провод при максимальной скорости и температуре воздуха -5 С,
к расчетной толщине стенки вр гололеда до реконструкции (Г = кп = —). Другими показа-
Ь„
телями могут служить снижение потокоотказов Г2 = Люисх - Юрек; уменьшение времени вос становления поврежденного участка Г3 = Л1 в = \
в в.исх
-t
; увеличение эксплуатационного
п
коэффициента запаса прочности f4 =Anэ =—-— , снижение математического ожидания
п_
ущерба Г5 = АМу = Уисх - Урек; снижение трудозатрат на восстановление после аварии и строительство линии Г5 = ЛТз = Т3исх - Тзрек; увеличение долговечности линии
ґ7 = ЛД = Дрек - Дисх ; снижение потерь электроэнергии ^ ^ = Wисх - WреK .
Матрицы значений частных критериев Гр={ (ґд)іп} по рассматриваемым вариантам реконструкции фj представлены в таблице.
Матрица значений частных критериев эффективности вариантов реконструкции
Вариант ф] fl = кп о.е. f 2 = Аю, отказ/год f 3 = Аів, час f 4 = АПэ, о.е. f5= МУ, тыс.руб. f 6 = АТз, чел. ч f 7 = АД, лет f 8 =AW, кВтч
1 Fii Fl2 F13 F14 F15 F16 F17 F18
2 F21 F22 F23 F24 F25 F26 F27 F28
i Fii Fi2 Fi3 Fi4 Fi5 Fi5 Fi7 Fi8
Для получения результатов и последующего определения наилучшей стратегии из матрицы оценочного функционала разнородные величины преобразуются в относительные единицы по формуле
Г =Г /Г . (7)
Ч Ч Чшах К ;
При многокритериальном выборе необходимо произвести свертку нескольких частных критериев в единый оценочный функционал. Аддитивный способ свертки частных критериев в оценочный функционал имеет вид
F = Zfq i ^ max’ ZЯi = 1
q=1 i=1
где fq - нормированный q-й частный критерий; n - число частных критериев;
(8)
X - коэффициент важности, оценивающий значимость г-го частного критерия.
При условии равенства коэффициентов важности X { оценочный функционал примет
вид
Fj = 0,125^ fq • ^ max .
(9)
q=i
Предложенный алгоритм решения многокритериальной задачи, позволяет определить оптимальный вариант реконструкции воздушной линии электропередачи, повышающий эффективность её работы в экстремальных метеорологических условиях.
п
ЛИТЕРАТУРА
1. Линт Н.Г. Линии электропередачи на стальных многогранных опорах / Н.Г. Линт, С.Е. Казаков, О.В. Семенко // Электро. 2007. №5. С. 12-17.
2. Куликов А.С. AERO-Z - Высокотехнологичные провода для высоковольтных линий электропередач / А.С. Куликов // Линии электропередачи 2008: Проектирование, строительство, опыт эксплуатации и научно-технический прогресс: 3 Рос. науч.-практ. конф. с междунар. участием. Новосибирск, 2008. С. 97.
3. Никофоров Е.П. Об увеличении нагрузочной способности действующих ВЛ по току / Е.П. Никофоров // Электрические станции. 2008. №11. С. 33-37.
4. Глазунов А. А. Основы механической части воздушных линий электропередачи / А. А. Глазунов. М.: Госэнергоиздат, 1959. 274 с.
5. Алексеев Б.А. Повышение пропускной способности воздушных линий электропередачи и применение проводов новых марок / Б. А. Алексеев // Электро. 2009. №3. С. 45.
BIBLIOGRAPHY
1. Lint, N.G. Lines of electricity transmission on steel many-sided supports / N.G. Lint S.E. Kazakov, O.V. Semenko // Electro. 2007. №5. S. 12-17.
2. Kulikov, A.S. AERO-Z is the Hi-tech wires for the high-voltage lines of electrisity transmission / A.S. Kulikov // of Line of electricity transmission 2008: Planning, building, experience of exploitation and scientific and technical progress. Third Russian with international participation science-practical conference. Novosibirsk, 2008. S. 97.
3. Nikoforov, E.P. About the increase of loading ability of operating VL on electrisity / E.P. Ni-koforov // the Electric stations. 2008. №11. S. 33-37.
4. Glazunov A.A. Bases of mechanical part of open-wires of electricity transmission / A.A. Glazunov. M.: Gosenergoizdat, 1959. 274 s.
5. Alekseev B.A. Increase of carrying capacity of open-wires of electricity transmission and application of wires of new brands // Electro. 2009. №3. S. 45.
Шевченко Наталья Юрьевна -
преподаватель кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» ГОУ ВПО «Камышинский технологический институт (филиал) Волгоградского государственного технического университета»
Лебедева Юлия Витальевна-ведущий инженер кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» ГОУ ВПО «Камышинский технологический институт (филиал) Волгоградского государственного технического университета»
Угаров Геннадий Григорьевич -доктор технических наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета
Shevchenko Nataliya Jurievna -
teacher of the Department of «“Electric supply of industrial enterprises” of Kamyshin Institute of Technology (branch) of state educational institution of higher professional education Volgograd State Technical University.
Lebedeva Julia Vitalievna -leading engineer of the Department of “Electric supply of industrial enterprises” of Kamyshin Institute of Technology (branch) of state educational institution of higher professional education Volgograd State Technical University Ugarov Gennadiy Grigoryevich -Doctor of Technical Sciences. Professor of the Department of «“Electric supply of industrial enterprises” of Saratov State Technical University
