Разработка методики расчета двухцепных ВЛ 500 кВ с совместной оптимизацией

Разработка методики расчета двухцепных ВЛ 500 кВ с совместной оптимизацией
промежуточных и анкерно-угловых опор
Зевин А.А., д.т.н. (ОАО "Институт Севзапэнергосетьпроект"),
Тиходеев Н.Н., академик РАН, (НИИПТ).
В России широко применяются одноцепные ВЛ 500 кВ, в основном с использованием
стальных портальных опор на оттяжках. Двухцепные опоры для ВЛ 500 кВ разрабатывались
только для локального применения.
Острая потребность в двухцепных ВЛ 500 кВ в ЕЭС России ощущается давно. Они
обеспечивают: взаимное резервирование цепей, значительную экономию стали по
сравнению с двумя одноцепными ВЛ и, что особенно важно, сокращение в 3 - 4 раза ширины
занимаемого ВЛ коридора, лесной просеки и зон электромагнитного влияния на
окружающую среду. При переходе к рыночным условиям потребность в двухцепных ВЛ
существенно вырастет из-за высокой стоимости земли, сводимых лесов и т.д. Особенно
актуальна разработка двухцепных ВЛ 500 кВ в Восточной части ЕЭС России, так как в ней
наивысшее номинальное напряжение сетей составляет 500 кВ и не применяются ЛЭП 750
кВ.
Зарубежная практика, электросетевого строительства отличается разнообразием
конструктивных схем двухцепных опор для ВЛ 345-550 кВ. Применяются промежуточные
опоры различной конфигурации: с расположением проводов в три яруса (например, опоры
типа "Бочка"), с расположением проводов в два яруса (опоры "Дунайского" типа ), и др.
Каждая из схем имеет свои достоинства и недостатки.
Важным фактором, от которого зависят затраты стали на опоры ВЛ и их стоимость,
является максимальное тяжение проводов. Его снижение, по отношению к предельно
допустимому (по ПУЭ), приводит к существенному снижению массы анкерно-угловых опор
и затрат на изоляторы, а также к увеличению срока службы проводов, вследствие
уменьшения их вибраций и увеличения фактического запаса прочности. Однако, такое
снижение тяжения проводов сопряжено с увеличением числа и массы промежуточных опор,
вследствие уменьшения габаритных пролетов.
Конечной целью работы, выполненной специалистами НИИПТ и ОАО "Институт
Севзапэнергосетьпроект" по заказу РАО «ЕЭС России», являлся отбор наиболее
перспективных схем промежуточных и анкерно-угловых опор и разработка методики их
совместной оптимизации с выбором оптимального тяжения проводов.
Выбор рациональной схемы опор базировался на основе большого объема
сравнительных электрических расчетов, в процессе которых выработаны: расщепленные
провода, гирлянды изоляторов и воздушные промежутки, влияющие на основные габариты
опор.
В работе выбор промежутков и электрических параметров двухцепной ВЛ 500 кВ
основывался на следующих предпосылках.
Улучшение электрических параметров ВЛ 500 кВ, в первую очередь, уменьшение
удельного индуктивного сопротивления x (или, что то же самое, увеличение натуральной
мощности Pнат ВЛ), актуальное для длинных линий электропередачи, необходимо для
повышения пределов статической и динамической устойчивости примыкающих
энергосистем. Эти пределы зависят от суммарного индуктивного сопротивления ВЛ, а также
индуктивных сопротивлений (генераторов, трансформаторов, шунтирующих реакторов и
др.) по концам длинной линии электропередачи. Известно, что x прямо пропорционально
волновому сопротивлению ВЛ z, где
z  ln X ,
X  D rэ , D – среднегеометрическое расстояние между фазами, rэ – эквивалентный
радиус расщепленного провода (с числом составляющих n, шагом расщепления d и радиусом
расщепления R, rэ = R, 1). Так как Pнат  U н2 z (где Uн = 500 кВ – номинальное
напряжение ВЛ), то X и Рнат связаны между собой так:
2
2  D  sin  n
X
 e U н 60Pнат .
(1)
d
Из структуры (1) следует, что для увеличения Рнат ВЛ 500 кВ наиболее эффективно
одновременно снижать D ( D минимально при расположении фаз по углам равностороннего
треугольника), увеличивать d, например, до 0,6 м и n до 4 или 5 (как известно, расщепленные
провода с n = 4 и 5 были применены на ВЛ 750 кВ, следовательно, в России имеется
соответствующая линейная арматура). В большинстве стран (Швеция, Германия, Китай и
др.) расщепленные провода на ВЛ 400 и 500 кВ имеют по 4 составляющих провода в фазе.
Наши предварительные эскизные проработки и расчеты показали, что и конструктивно
возможно разместить фазы на опорах по углам треугольника, близкого к равностороннему с
D  10-11 м (вместо D = 13,5 м у построенных одноцепных ВЛ 500 кВ), и поднять Рнат с 0,9
ГВт до 1,1 – 1,25 ГВт. Для реализации повышенной пропускной способности ВЛ вплоть до
Рнат потребуется применение управляемых шунтирующих реакторов (например,
трансформаторного типа – по Г.Н.Александрову). Ниже рассмотрены и приведены
конструкции двухцепных ВЛ 500 кВ, на которых можно реализовать эти значения Рнат без
применения полимерных междуфазовых распорок во всех пролетах (по 9 – 12 распорок в
каждом пролете). Так как эти распорки должны работать под линейным напряжением и
противостоять сильному ударному продольному сжатию при к.з. на ВЛ, то после
неизбежного старения они могут снижать надежность ВЛ.
Для уменьшения потерь в проводах, а также потерь на корону и радиопомех от ВЛ,
предполагается снизить плотность тока до оптимальной (до 0,8 А/мм2, рекомендуемой в VII
редакции ПУЭ), и применить расщепленные провода 4АС 400/93 (вместо обычно
используемых 3АС 400/51 и 3АС 500/64). Для защиты от коммутационных
перенапряжений по концам ВЛ должны быть установлены ОПН, снижающие кратность
фазных перенапряжений до 1,8Uф и междуфазных перенапряжений – в пределе до
удвоенного значения фазных перенапряжений, т.е. 21,8Uфm. Высокая грозоупорность ВЛ
может быть обеспечена региональным взаимным размещением 2-х грозозащитных тросов и
фаз.
Ремонтные работы на ВЛ предполагается радикально снизить за счет применения
надлежащего числа запасных изоляторов в каждой гирлянде.
Для сравнительного анализа технико-экономических параметров опор были отобраны
четыре схемы промежуточных свободностоящих опор, показанные на рис. 1 - 4.
Опора на рис. 1 по расходу стали уступает остальным схемам, но является наиболее
подходящей при прохождении трассы в стесненных по ширине ВЛ условиях. На участках
трассы, где нет жестких ограничений по ширине ВЛ и влиянию на окружающую среду, за
рубежом наибольшее распространение получили одностоечные опоры с расположением фаз
провода в двух уровнях: четырех фаз на нижних траверсах и двух на верхних, рис. 2. Такая
схема позволяет уменьшить высоту опоры и за счет этого - затраты стали на конструкцию.
Авторами работы предложена новая схема опоры для двухцепной ВЛ 500 кВ, где в
верхнем ярусе расположены четыре фазы, а в нижнем - две (рис. 3). Такая конструкция, по
сравнению с предыдущей схемой, позволяет более компактно расположить фазы проводов и
уменьшить высоту опоры, благодаря чему расход стали не увеличивается. Эта схема
представляется более эстетичной; достоинством ее является также заметное уменьшение
электрического поля у земли. Схема на рис. 4 также является новой конструкцией,
прототипом которой является французская опора.
По результатам работы сделаны следующие выводы.
1. Для обеспечения повышенной надежности двухцепной ВЛ 500 кВ, пропускная
способность которой может доходить до 2.5 ГВт, целесообразно ориентироваться на
применение свободностоящих опор и увеличенные климатические нагрузки.
2. Выполнены электрические расчеты двухцепной ВЛ 500 кВ, включающие выбор
расщепленных проводов, линейной и воздушной изоляции (с учетом влияния ВЛ на
окружающую среду) и грозозащитных мероприятий.
Из всех рассмотренных расщепленных фаз наиболее подходящей оказалась фаза 4хАС
400/93. Это следует из проведенного технико-экономического анализа дисконтированных
затрат на двухцепную ВЛ 500 кВ, где показано, что: минимальные удельные суммарные
затраты достигаются у расщепленных проводов с Q в диапазоне от 2000 мм2 до 2500 мм2; при
Q=1600 мм2 увеличение этих затрат составляет всего 3%, но при этом достигается экономия
капитальных затрат.
При выбранном расщепленном проводе натуральная мощность в расчете на 1 цепь
составляет 1.07 ГВт при шаге расщепления d = 0.4 м и 1.17 ГВт при d = 0.6 м, что
существенно превосходит Pнат = P0 =0.9 ГВт для типовой одноцепной ВЛ 500 кВ. При
расщепленном проводе 4хАС 400/93 с d = 0.6 м достигается такая же натуральная мощность,
что и при использовании расщепленного провода 5хАС 400/93 и d = 0.4 м. Использование
расщепленного провода 4хАС 400/93 обеспечивает плотность тока в проводах при
пропускной способности, равной Pнат , около 0.8 А/ мм2.
Расщепленный провод 4хАС 400/93 обеспечивает снижение потерь на корону на
двухцепной ВЛ 500 кВ, так как отношение максимальной напряженности электрического
поля на поверхности расщепленного провода к Eo – Em/ Eo при d = 0.4 м не превосходит 0.75
(0.79 при d = 0.6 м), что исключает образование общей короны на проводах в зоне опоры. У
этой ВЛ зона уверенного радиоприема начинается с 50 м от крайних фаз, что соответствует
международным нормам.
Линейная арматура для расщепленных проводов с четырьмя составляющими
проводами была разработана в 70-е годы применительно к ВЛ Конаково – Москва, а затем к
ВЛ Донбасс – Днепр – Винница – ПС "Западно-Украинская".
3. Рекомендованы изолирующие подвески: для вертикальных гирлянд – сдвоенные
гирлянды из стеклянных изоляторов (в перспективе – одиночные гирлянды из
длинностержневых фарфоровых изоляторов); для V-образных гирлянд – сдвоенные в каждой
ветви гирлянды из стеклянных изоляторов. Длина гирлянд 5 м.
4. Исходя из напряженности электрического поля 10 кВ/ м, определен минимальный
габарит от проводов до земли, равный 10 м;
5. Выполнен обзор применяемых конструктивных схем опор для ВЛ (350-550) кВ, в
результате которого, с целью дальнейшего сравнительного анализа эффективности,
отобраны две известные перспективные схемы промежуточных опор для двухцепных ВЛ
500 кВ; предложены также две новые схемы.
6. Выполнена эскизная проработка отобранных конструктивных схем промежуточной
опоры для ВЛ 500 кВ с конкретизацией геометрических параметров. Выполнены также
дополнительные электрические расчеты с целью уточнения взаимного расположения фазных
проводов и грозозащитных тросов, оценки грозоупорности и сравнения электрических
параметров ВЛ на рассматриваемых вариантах опор. Расчеты показали, что при принятом
взаимном расположении проводов и грозозащитных тросов обеспечивается грозоупорность
двухцепной ВЛ 500 кВ не ниже, чем одноцепной, несмотря на существенное увеличение
высоты опор.
7. Выполнены механические расчеты отобранныз схем опор до уровня подбора сечений
элементов. Расчеты показали, что по расходу стали опоры "Дунайского типа",
" Рюмка "
и "Зонт" практически равноценны (разница не превышает 3%). Затраты на опору типа
"Бочка" оказались больше на 5 – 8%. %. Разница между отношением затрат стали к
натуральной мощности доходит до 13% (наибольшее отношение – у опоры типа "Бочка").
Для опоры типа " Рюмка " среднегеометрическое расстояние D  3 D12 D13 D 23
между фазами каждой цепи составило 9.3 м. Вместе с размещением фаз по вершинам
треугольника, близкого к равностороннему и увеличенным эквивалентным радиусом
провода 4хАС 400/93, это позволяет повысить натуральную мощность Pнат (а при
использовании управляемых реакторов – и пропускную способность) двухцепной ВЛ на 19 –
30%.
Таким образом, применение опор типа "Бочка" оправдано при сооружении ВЛ в
районах, где необходимо уменьшение ширины ВЛ, так как эта опора имеет минимальное
расстояние между крайними фазами.
На участках трассы, где нет жестких ограничений по ширине ВЛ и влиянию на
окружающую среду целесообразно применение опоры типа "Рюмка" или "Зонт", у которых
по сравнению с опорой "Дунайского типа" несколько меньше расстояние между крайними
фазами и выглядят они более эстетично.
Если требуется повышение натуральной мощности ВЛ, то наилучшие показатели
оказываются у схемы "Рюмка".
Опора типа "Зонт", по сравнению с опорой "Рюмка", допускает более простой монтаж
проводов (монтаж двух фаз, расположенных в "очке" опоры "Рюмка", более трудоемок). В то
же время расстояние между крайними фазами проводов у опора типа "Рюмка" на 2 м
меньше, чем у опоры "Зонт", что полезно при пересечении ВЛ районов, покрытых лесом, так
как позволяет уменьшить ширину просеки.
Окончательный выбор схемы опоры для конкретной ВЛ должен быть сделан с учетом
достоинств и недостатков каждой из рассмотренных схем.
8. При исследовании зависимости затрат стали от максимальных напряжений в
проводах на примере опоры типа "Рюмка" расчеты выполнены для трех значений
напряжений:
1
2
3
 max
 0.6[ ]  8.94 ,  max
 0.8[ ]  11.92 ,
 max
 [ ]  14.9 даН/мм2 ,
где [ ] - допускаемые напряжения для провода АС 400/93. Для нагрузок на опору,
2
соответствующих средним напряжениям  max , выполнена серия расчетов с целью
определения оптимальной высоты опоры и размеров основания.
Расчеты показали, что, в рассматриваемых пределах, удельный расход стали на
промежуточные опоры практически не зависит от их высоты. Варьирование размеров
основания опоры позволило снизить затраты стали на 3%.
Для промежуточной опоры с оптимальными размерами основания получена
зависимость технико-экономических параметров от максимальных напряжений в проводах.
Снижение максимальных напряжений в проводах на 40% привело к увеличению удельных
затрат стали всего на 19%.
9. При выполнении механических расчетов по специальному алгоритму
оптимизировалась также внутренняя геометрия стойки опоры: определялось оптимальное по
затратам стали число секций стойки, их размеры по высоте и тип решетки в каждой секции.
Расчеты показали, что достаточно стабильным параметром оказалась оптимальная
гибкость поясов  . Во всех вариантах оптимальному разбиению стойки на панели
соответствует гибкость поясов в пределах 59    72 . Этот результат может быть полезен
при назначении размеров панелей стоек опор ВЛ в иных расчетных условиях с другими
нагрузками на опоры.
10. В результате анализа применяемых на ВЛ конструктивных схем анкерно-угловых
опор для двухцепных ВЛ 500 кВ выбрана рациональная схема - одностоечная опора c
консольными траверсами и расположением фаз проводов в двух уровнях – 4 фазы в нижнем
уровне и две в верхнем, рис. 5.
11. Исследована зависимость массы анкерно-угловых опор для двухцепных ВЛ 500 кВ
от максимальных напряжений в проводе и угла поворота ВЛ. Расчеты выполнены для
анкерно-угловых опор минимальной высоты, определяемой требуемым воздушным
промежутком между шлейфом и землей, и опор увеличенной высоты, с подставкой 9 м. Как
показали расчеты, для анкерно-угловых опор минимальной высоты при снижении
максимальных напряжений в проводе до 40% уменьшение затрат стали на эти опоры
составляет до12%. Увеличение угла поворота ВЛ от 00 до 600 приводит к утяжелению опор –
на 14%. Для анкерно-угловых опор увеличенной высоты при снижении максимальных
напряжений в проводе до 40% уменьшение затрат стали составляет 23%. Увеличение угла
поворота ВЛ от 00 до 600 приводит к утяжелению опор – на 19%.
12. Разработаны основные положения методики совместной оптимизации всех типов
опор ВЛ (промежуточных, промежуточно-угловых и анкерных), параметры которых зависят
от максимальных допускаемых напряжений в проводе (снижение этих напряжений, по
отношению к предельно допустимому по ПУЭ, приводит к снижению массы анкерноугловых опор и затрат на изоляторы, однако сопряжено с увеличением числа и массы
промежуточных опор, вследствие уменьшения габаритных пролетов).
13. Выполнен пример совместной оптимизации опор, в котором в качестве
промежуточной принята опора типа "Рюмка", а анкерной – опора "Дунайского" типа, с
расположением 4-х фаз в нижнем уровне и 2-х в верхнем.
Расчеты показали, что предельно допустимые по ПУЭ напряжения в проводах m=[]
близки к оптимальным, если число анкерных опор на 1 км ВЛ невелико, а=0,1-0,15.
Снижать напряжения проводов целесообразно, когда число анкерно-угловых опор
относительно велико (а=0,3 и более), например, на предгорных и горных участках, подходах
к крупным городам, в густо застроенных зонах и т.д. При этом может быть получена
экономия затрат до 4%.
Отметим, что снижение максимальных напряжений в проводах на 20% при а=0,1 и на
40% при а=0,3 увеличивает затраты всего на 4%. При этом существенно возрастает
надежность ВЛ в силу увеличения реальных запасов прочности проводов.
Результаты работы рассмотрены и одобрены на заседании секции Развития,
эксплуатации и технического перевооружения электрических сетей Научно-технического
совета РАО «ЕЭС России» 16 декабря 2002 года (Протокол № 67). Рекомендовано
использовать основные результаты работы при проектировании двухцепных ВЛ 500 кВ в
нашей стране и на межгосударственных связях.