Выбор основных констуктивных элементов ВЛ УВН постоянного тока

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ
ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА СВЕРХВЫСОКОГО
НАПРЯЖЕНИЯ
Владимирский Лев Львович (НИИПТ, Санкт-Петербург, Россия)
Введение
В Генеральной схеме размещения объектов электроэнергетики до 2020 г.
/1/, а также в Целевом видении стратегии развития электроэнергетики России на
период до 2030 г. /2/ рассматривается применение в России воздушных линий
электропередачи постоянного тока напряжением 500 и 750 кВ, как средство
транспортирования по этим линиям больших потоков электроэнергии на дальние
расстояния.
Всего рекомендуется сооружение трех ППТ 500 и пяти  750 кВ,
расположенных в Сибири, на Урале, центре Европейской части России и на
Дальнем Востоке, суммарной мощностью 22 ГВт и общей протяженностью 9000
км. Перспектива сооружения ППТ в России соответствует мировой тенденции в
технологии передачи электроэнергии на большие расстояния с помощью
воздушных линий электропередачи постоянного тока.
Из опубликованных материалов фирмы АВВ /3/ следует, что в настоящее
время в мире рассматриваются порядка 50 потенциальных проектов ВЛ
постоянного тока 800 кВ с суммарным объемом передаваемой мощности 320
ГВт и общей протяженностью около 44 тыс. км. Эти потенциальные проекты
размещены в четырех развивающихся странах: Бразилии (120 ГВт), ЮАР (50
ГВт), Индии (50 ГВт), Китае (100 ГВт). На новом стенде 850 кВ в Швеции
проводятся обширные испытания оборудования для ППТ 800 кВ (вводы,
ограничители перенапряжений, сглаживающие реакторы, делители напряжения,
емкостные фильтры, разъединители и другое оборудование).
Первый в Китае проект ППТ ±800 кВ номинальной мощностью 6,4 ГВт
планируется ввести в эксплуатацию в 2011 г. Инвестиции в проект составили
примерно 2,5 млрд.долл.США. Передача от преобразовательной подстанции
Фулонг (провинция Сычуань) до преобразовательной подстанций Фенхиань в
Шанхае будет выполнена двумя биполярными ВЛ, проходящими параллельно на
расстоянии от 100 м до 2000 м в зависимости от типа местности. Длина первой
ВЛ ±800 кВ 1916 км, второй – 2093 км (строительство второй ВЛ планируется
закончить в 2013 г.).
Выбор основных элементов ВЛ (500800) кВ в Китае производится на
основании исследований, которые выполняются в новом высоковольтном
испытательном центре. Испытательный центр оснащен современными
высоковольтными установками для исследования широкого круга вопросов,
связанных с разработкой ВЛ ППТ  (500800) кВ.
В настоящее время ведутся также работы по созданию испытательных
центров ультравысокого напряжения в ЮАР и Бразилии (для проведения
исследований по воздушной линии), а также в Швеции (для испытаний
высоковольтного оборудования ППТ 800 кВ).
Оценка сравнительной стоимости объема передаваемой мощности 3, 6 и 12
ГВт с помощью ВЛ переменного и постоянного тока (при соизмеримых потерях)
2
однозначно дает преимущество ППТ /4/. При передаче мощности 3 ГВт на
расстояние примерно 1000 км наиболее экономичным является вариант с
использованием одной ППТ  500 кВ, а 6 и 12 ГВт на расстояние 2000 км одной
или двух ППТ 800 кВ соответственно. Кроме того, для ВЛ постоянного тока
требуется значительно меньшая полоса отчуждения под трассу линии, что также
дает значительный экономический эффект по сравнению с территорией,
занимаемой несколькими ВЛ переменного тока.
В /5/ приводится информация о новой концепции развития
электроэнергетической системы США на период от 2010 до 2030 гг. В этой
концепции реализация межсистемных связей предусматривается при помощи
магистральных линий электропередачи постоянного тока на основе
использования сверхпроводимости. Отмечается, что создание высоковольтных
линий передачи постоянного тока с высокотемпературными сверхпроводящими
проводниками, позволяет резко снизить потери энергии при ее передаче на
расстояние тысячи километров. Однако эта технология в настоящее время не
имеет промышленного освоения и требуется ее значительное удешевление для
широкого практического применения.
В то же время в /6/ сделан вывод, что ряд технологий, в том числе воздушные
линии электропередачи ультравысокого напряжения переменного и постоянного
тока, которые сейчас начали развиваться и осваиваться в промышлено развитых
странах, в России были созданы и освоены намного раньше /7, 8, 9/, и в
ближайшей перспективе их нужно улучшать, воспроизводить и использовать в
больших масштабах.
Можно полагать, что в настоящее время и на ближайшую перспективу
наиболее актуальным в области передачи электроэнергетики на большие
расстояния является создание воздушных линий электропередачи постоянного
тока.
Ниже рассмотрены принципиальные положения выбора основных элементов
современных ВЛ постоянного тока напряжением  (500800) кВ с учетом
результатов, изложенных в /10/.
1. Выбор гирлянд изоляторов
Специфика работы линейных тарельчатых изоляторов при постоянном
напряжении предъявляет к ним дополнительные требования, обусловленные
электрокоррозией металлических деталей (стержня, шапки) и, в случае
применения изоляторов из стекла, ионной электропроводностью стеклянной
изоляционной детали. Перечисленные особенности требуют применения на ВЛ
постоянного тока специального изолятора. На зарубежных ВЛ постоянного тока,
как правило, применяются тарельчатые изоляторы (в основном стеклянные, реже
фарфоровые), а в Китае и длинностержневые полимерные изоляторы. При
выборе тарельчатых изоляторов для ВЛ  (500800) кВ целесообразно
ориентироваться на специальные стеклянные изоляторы, устойчивые к старению
при постоянном напряжении, которые по сравнению с фарфоровыми не требует
инструментальных методов проверки во время эксплуатации.
Показатель надежности для стеклянных тарельчатых изоляторов по
механической прочности должен быть не менее 10-7 в год, а в отношении
электрической прочности не менее 10-6 в год (с сохранением механической
прочности).
3
Перспективными для применения на ВЛ постоянного тока являются
длинностержневые фарфоровые изоляторы (ДФИ) второго поколения,
обладающие рекордными показателями надежности 10-7 отказов в год по
механической прочности, зафиксированными при эксплуатации на ВЛ
переменного тока, в электрическом отношении эти изоляторы непробиваемы.
Кроме того, ДФИ имеют существенное преимущество по сравнению с
тарельчатыми изоляторами как в отношении разрядных напряжений в условиях
загрязнения, так и в устойчивости к электрокоррозии при постоянном
напряжении.
Применение полимерных изоляторов на ВЛ 800 кВ должно быть
обосновано исследованиями, учитывающими специфику работы и скорость
старения (деградации) полимерных изоляторов при постоянном напряжении.
В настоящее время, как в России, так и за рубежом отсутствуют специально
разработанные нормативные документы для выбора линейной изоляции
воздушных линий электропередачи постоянного тока. Такая работа в настоящее
время ведётся в ТК 36 МЭК «Изоляторы».
Как и для ВЛ переменного тока изоляция ВЛ (500800) кВ должна
выбираться по нормальному эксплуатационному режиму (НЭР), т.е.
воздействию рабочего напряжения в сочетании с загрязнением и увлажнением
поверхности изоляторов.
В качестве параметра при выборе уровней внешней изоляции
электропередачи постоянного тока следует принять удельную длину пути утечки
dc, т.е. длину пути утечки по поверхности внешней изоляции, приходящуюся на
1 кВ наибольшего эффективного значения рабочего напряжения полюс–земля.
Удельная длина пути утечки dc выбирается в зависимости от степени
загрязнения (СЗ) в месте расположения воздушной линии. Определение СЗ
производится на основании составления карт степеней загрязнения (КСЗ), по
методике, достаточно хорошо отработанной при выборе изоляции ВЛ
переменного тока.
Выбор длины пути утечки гирлянды изоляторов L производится по
требуемому значению удельной длины пути утечки dc, наибольшему рабочему
напряжению Uн и полученных в НИИПТ поправочных коэффициентов kdc , kL, kн
и kк, учитывающих специфику работы изоляции при постоянном напряжении в
условиях увлажнения и загрязнения:
L = dc  Uн  kdc  kL kн. kк,
(1)
где kdc – коэффициент, учитывающий разницу между разрядным
напряжением изоляторов при постоянном и переменном напряжении при
одинаковом уровне загрязнения, kL – коэффициент, учитывающий
эффективность использования длины пути утечки при постоянном напряжении,
kн – коэффициент, учитывающий нелинейность разрядного напряжения с
увеличением длины гирлянды изоляторов при постоянном напряжении и kк –
коэффициент, учитывающий влияние конструктивных особенностей гирлянды
изоляторов на разрядное напряжения при постоянном напряжении.
Критерием оценки работы изоляторов в НЭР является удельное число
отключений (n), приходящихся на 100 км длины ВЛ в год, вызванных
перекрытиями гирлянд изоляторов вследствие их загрязнения. Учитывая, что
значительная протяженность трасс ВЛ постоянного тока (500800) кВ будет
расположена в более удаленных и труднодоступных для ремонтных работ
4
регионах, целесообразно выбирать изоляцию, удовлетворяющую требованию
n0,05, т.е. не более одного отключения в год ВЛ протяженностью 2000 км.
2. Выбор изоляционных воздушных промежутков на опоре и
габарита до земли
Амплитуда и форма напряжений, воздействующих на изоляцию линии
постоянного тока в переходных режимах, определяют габариты воздушных
промежутков на линии, таких как «провод-опора» и «провод-земля» в середине
пролета. Экономически целесообразно при координации и выборе воздушной
изоляции исходить из длины гирлянд и воздушных промежутков, выбранных по
условиям их надежной работы в нормальном эксплуатационном режиме.
Исследования, выполненные в НИИПТ, показали, что такой выбор возможен при
ограничении уровня коммутационных перенапряжений до 1,5-1,6 от номинального
рабочего напряжения, что в настоящее время технически вполне достижимо.
Основные коммутационные и аварийные режимы в ППТ, принимаемые в
качестве расчетных, при выборе воздушной изоляции следующие:
•
коммутационные операции включения и отключения полуцепи;
•
периодические нарушения или сбои в работе преобразователей;
•
короткие замыкания на землю одного из полюсов линии,
представляющие особенную опасность для длинных линий.
Основные габариты воздушных промежутков, задающих геометрию опор,
определяются следующими условиями:
•
вертикальный промежуток «провод-траверса опоры» – длиной гирлянды,
выбранной по наибольшему рабочему напряжению полюса, и степенью
загрязнения в районе трассы ВЛ;
•
горизонтальный промежуток «провод-опора» – наибольшим рабочим
напряжением ВЛ с учетом отклонения гирлянды максимальным боковым
ветром; воздействием коммутационного перенапряжения при расчетном
ветровом напоре и безопасным производством работ на ВЛ под напряжением;
•
промежуток между проводами полюсов в пролете – рабочим напряжением,
конструктивными параметрами ВЛ и климатическими условиями (пляска и
схлестывание проводов под действием ветра и гололеда
при рабочем
напряжении);
•
промежуток
«провод-земля» (в пролете) – коммутационными
перенапряжениями, экологическими аспектами и допустимой напряженностью
электрического поля под линией при рабочем напряжении.
3. Выбор проводов и оценка влияния ВЛ на окружающую среду
Минимальное сечение провода полюса ВЛ постоянного тока определяется
требованиями к экономической плотности тока, ограничению коронного
разряда, обеспечения допустимого уровня радиопомех и механической
прочности проводов.
На ВЛ постоянного тока условия ограничения уровня радиопомех и
коронного разряда допускают более высокую напряженность электрического
поля на поверхности проводов, чем на ВЛ переменного тока. Это
предопределяет применение на этих ВЛ расщепления полюсов на меньшее число
составляющих при бóльшем сечении каждого провода. При этом большое
сечение составляющих проводов делает допустимым применение на ВЛ
постоянного тока сталеалюминевых проводов с пониженным содержанием
5
стали. Уменьшение числа составляющих проводов при неизменном суммарном
сечении полюса целесообразно также с точки зрения уменьшения вертикальных
(обусловленных гололедом) и горизонтальных (обусловленных давлением ветра)
нагрузок на провода, что позволяет снизить стоимость линии за счет
уменьшения нагрузок на опоры и фундаменты.
Учет электромагнитного влияния ВЛ на окружающую среду также влияет на
выбор конструкции полюса ВЛ постоянного тока и ее габариты. Любые
изменения конструкции, ведущие к увеличению эквивалентного радиуса полюса
(увеличение радиуса расщепления, увеличение числа составляющих проводов),
приводят к увеличению погонной емкости провода и его заряда на единицу
длины и, следовательно, к возрастанию напряженности электрического поля
(ЭП) под полюсом.
Таким образом, при выборе конструкции полюса ВЛ постоянного тока
следует исходить из минимального возможного количества проводов в полюсе,
обеспечивающего при соответствующем суммарном сечении полюса
допустимые уровни радиопомех, отсутствие общей короны и допустимое
влияние электромагнитного поля на окружающую среду.
Диапазон суммарных сечений полюса ВЛ постоянного тока может быть
определен значениями плотности тока 0,6 – 1,3 А/мм2.
Интенсивность коронирования проводов, и, соответственно, уровень радиопомех
и потерь мощности на корону, зависит от напряженности ЭП на поверхности
составляющих проводов. Максимальная напряженность ЭП на поверхности
проводов ВЛ Emax и отношение Emax/Е0 на каждом расщепленном проводе (Е0 –
напряженность начала общей короны) являются основными характеристиками
расщепленных проводов ВЛ по условиям короны.
На ВЛ постоянного тока уровень радиопомех определяет стримерная корона
на положительном полюсе. При одинаковых уровнях радиопомех от ВЛ
переменного и постоянного тока качество радиоприема выше в случае ВЛ
постоянного тока. Поэтому допускаемые радиопомехи от короны на ВЛ
постоянного тока в первом приближении можно принимать такими же как и на
ВЛ переменного тока. Следует учитывать также, что в отличие от ВЛ
переменного тока уровни радиопомех от ВЛ постоянного тока при осадках
уменьшаются по сравнению с уровнем помех в хорошую погоду.
Потери на корону на ВЛ постоянного тока определяются потоками
дрейфующих
ионов,
образующихся
при
коронировании
проводов.
Характеристики потерь на корону подвержены большому разбросу и зависят,
главным образом, от напряженности ЭП на проводе, его диаметра, состояния
поверхности, метеорологических условий по трассе. Наиболее сильное влияние
на уровень потерь на корону оказывают погодные условия, что необходимо
учитывать при конкретных расчетах.
Основными факторами биологического влияния ВЛ постоянного тока
являются электрическое поле, которое характеризуется напряженностью, и
плотность объемного заряда ионов, создаваемых при коронировании проводов.
Особенность ВЛ постоянного тока связана с протеканием от каждого полюса к
земле униполярных ионных токов.
Униполярные ионные токи оказывают следующее влияние:
– существенно увеличивают напряженность ЭП у земли;
6
– увеличивают концентрацию положительных и отрицательных ионов у
земли;
– способствуют накоплению электрических зарядов на крупных
изолированных объектах, находящихся вблизи ВЛ (например, на машинах на
резиновом ходу).
При проектировании биполярных ВЛ постоянного тока НИИПТ рекомендует
принимать для населенной местности предельно допускаемые значения
напряженности электрического поля с учетом объемного заряда ионов
Emax40 кВ/м; плотность ионного тока jmax  100 нА/м2, а концентрация ионов
при этом значении jmax не должна превосходить n  3105 см-3.
4. Выбор системы грозозащиты
При ударах молнии в опору и при прорывах молнии на провода в
неблагоприятных условиях оказывается изоляция положительного полюса ВЛ
постоянного тока. Это вызвано возникновением встречного лидера от провода
положительной полярности, что наиболее вероятно по сравнению с проводом
отрицательной полярности.
Учитывая, что на ВЛ постоянного тока УВН при более высокой импульсной
прочности линейной изоляции отключения из-за перекрытий изоляции при
ударах молнии в опору маловероятны даже на положительном полюсе, основное
внимание при разработке схемы грозозащиты ВЛ постоянного следует уделять
тросовой защите.
Выбор системы тросовой защиты УВН постоянного тока базируется на двух
основных положениях:
 разряд молнии в большинстве случаев (90 %) имеет отрицательную
полярность;
 рабочее напряжение полюса влияет на вероятность прорыва молнии на
провода.
Расчеты, выполненные в НИИПТ, при положительном и отрицательном
углах () защиты тросом показали:
Угол защиты
Число отключений от прорывов молнии
на провода на 100 км и 50 грозовых часов
Использование отрицательного угла
грозоупорность ВЛ постоянного тока УВН.
положительный отрицательный
>0
<0
0,08
0,02
позволяет
обеспечить
высокую
5. Выбор конструкций опор
Одним из актуальных вопросов, связанных с выбором конструкции опор для
ВЛ (500800) кВ, является их механическая прочность. Уровень
повреждаемости опор, связанный со снижением их механической прочности,
определяется особенностями конструкций опор и условиями эксплуатации:
использованием материалов с различными характеристиками, снижением
характеристик надежности в результате воздействия внешних факторов,
7
подверженностью механическим нагрузкам, в том числе превышающих
расчетные, протяженностью трассы ВЛ.
При выборе типа промежуточных опор для ВЛ (500800) кВ можно
рассматривать 2 варианта: свободностоящие и с оттяжками. Основное
преимущество свободностоящих опор заключается в том, что они занимают
меньшую площадь отчуждаемых под них земель по сравнению с опорами на
оттяжках. Применение таких опор особенно целесообразно в районах с ценными
землями и в стесненных условиях. Опоры с оттяжками обеспечивают
существенную (на 15-20%) экономию стали, они просты в сборке и установке,
что дает таким опорам преимущество в районах с труднодоступной и
ненаселенной местностью.
При выборе типа промежуточных опор необходимо также учитывать
удельные (т.е. в расчете на 100 км ВЛ и 1 год эксплуатации) показатели
надёжности по повреждению опор.
Из обобщения опыта эксплуатации опор с оттяжками, используемых на ВЛ
УВН, с некоторым запасом можно принять показатель надёжности 510-3.
Принято считать, что надежность ВЛ, выполненных с использованием
свободностоящих опор, выше, чем при использовании опор на оттяжках. Это
означает, что на ВЛ УВН постоянного тока длиной 1000 км за 20 лет
эксплуатации можно ожидать не более одного случая повреждения опор.
Таким образом, для ВЛ постоянного тока в районах с труднодоступной и
ненаселенной местностью вполне допустимо принять опоры с оттяжками. В
районах, где трассы ВЛ проходят по населенной местности, целесообразно
применение свободностоящих опор. Кроме того,
свободностоящие
промежуточные опоры следует применять на особых участках трассы ВЛ:
большие склоны поверхности земли, где требуется необычно длинные оттяжки,
стесненные места вблизи дорог, в сельскохозяйственных районах, где оттяжки
мешают полевым работам и подвержены повреждениям сельскохозяйственными
машинами.
На рис. 1 и 2 систематизированы принципиальные схемы наиболее часто
применяемых промежуточных опор для биполярных ВЛ. В качестве
промежуточных применяются как свободностоящие опоры, так и опоры на
оттяжках.
Показанные на рис.1 промежуточные свободностоящие опоры различаются
конструкцией гирлянд изоляторов. На схеме 1а тросостойка состоит из
вертикальной стойки, которая является продолжением стойки опоры, и двух
консолей, длина которых обеспечивает требуемый угол защиты тросом провода
при расчете системы грозозащиты.
На схемах 1б и 1в тросостойки выполнены в виде двух треугольных ферм.
Эти схемы различаются типами гирлянд изоляторов. Подвесные вертикальные
гирлянды требуют меньше изоляторов и наиболее дешевы; V-образные
гирлянды (рис. 1в) более дорогие, но обладают двумя преимуществами:
– уменьшают ширину ВЛ, определяемую расстоянием между полюсами;
– обеспечивают снижение точек передачи горизонтальных нагрузок от ветра на
провода до уровня соединения ветвей гирлянд, т.е. изгибающие моменты в
стойках на схемах 1с меньше, чем на опорах рис. 1а и 1б.
На зарубежных биполярных ВЛ в качестве промежуточной опоры на
оттяжках наиболее часто применяется схема опоры, показанная на рис. 2а, б.
8
Опора поддерживается четырьмя оттяжками, анкера которых расположены
попарно симметрично относительно плоскости опоры; верхние концы оттяжек
крепятся к концам двух консолей, направленных вдоль от ВЛ, что обеспечивает
восприятие крутящих моментов в аварийном режиме. Консоли могут крепиться
на уровне траверс.
9
Схемы промежуточных свободностоящих опор для биполярных ВЛ
а)
б)
Рис.1
в)
Схемы промежуточных опор на оттяжках с жестким крепление траверсы к
стойке опоры для биполярных ВЛ
б)
a)
Рис.2
Заключение
Планами развития электроэнергетики России /1/ принято решение
спроектировать и создать современные ВЛ постоянного тока 500 и 750 кВ. В
связи с этим целесообразно провести детальные электрические испытания для
определения оптимальной конструкции и длины гирлянд изоляторов,
изоляционных расстояний на опоре, систем грозозащиты, минимального
влияния ВЛ на окружающую среду. Для проведения комплексных исследований
по воздушной линии постоянного тока СВН необходимо создать в России новый
испытательный высоковольтный центр, как это и делается в настоящее время в
странах (Бразилия, ЮАР, Китай), где проектируются ВЛ ППТ 800 кВ.
Очевидно, что каждый сэкономленный изолятор в гирлянде, уменьшение
высоты и ширины опоры, обеспечение минимального числа отказов на ВЛ,
может дать значительную экономию затрат при сооружении ППТ в целом и ее
дальнейшей эксплуатации. Поэтому стоимость лабораторных исследований в
начале проектирования современных ВЛ постоянного тока УВН может быть с
10
избытком перекрыта достигаемой экономией. Данные, которые будут получены
при проведении исследований, позволят накопить знания, обеспечивающие
возможность быстрого проектирования ВЛ постоянного тока в различных
регионах России.
Литература
1. Генеральная схема размещения объектов электроэнергетики до
2020 года. Распоряжение Правительства РФ от 22.02.08 № 215-р
2. Зейгарник Ю.А., Масленников В.Н., Шевченко И.С., Нечаев В.В.
Целевое видение стратегии развития электроэнергетики России на
период до 2030 г. Электро, №5, 2007
3. Gunnar Asplund (ABB). Power Systems HVDC (Ludvika, Sweden).
Brazil-China-India Meeting on HVDC and Hybrid Systems, planning
and Engineering Issues. Rio de Janerio, Brazil, July 16th-18th, 2006.
4. Gunnar Asplund (ABB). Techno-economic feasibility of HVDC systems up to 800 kV. Workshop Delhi, 2005-02-25
5. Демирчян К.С., Бутырин П.А. Проблемы сохранения и развития
электроэнергетической
отрасли
России.
Известия
РАН,
Энергетика, № 1, 2008.
6. Волков
Э.П.,
Баринов
В.А.
Перспективы
развития
электроэнергетики России в период до 2030 г. Известия РАН,
Энергетика, № 1, 2008
7. Смирнов Б.И. Электропередача 1500 кВ постоянного тока
Экибастуз-Центр. Электрические станции, № 2, 1983
8. Мерхалев С.Д., Владимирский Л.Л. Изоляция ВЛ постоянного тока
СВН. Передача энергии постоянным током. Под ред. И.Н.
Бортника, А.В. Поссе. Энергоатомиздат, 1985
9. Белова Г.Я., Горошкина В.А., Пивоваров Г.Ф. Конструкции ВЛ
1500 кВ постоянного тока. Энергетическое строительство, № 7,
1990
10. Тиходеев Н.Н., Владимирский Л.Л., Зевин А.А., Кузнецова Л.Е.,
Бирина А.В., Кутузова Н.Б., Печалин Д.С. Оптимизация
воздушных линий электропередачи (400750) кВ постоянного
тока. Известия РАН, Энергетика. № 1, 2004