УДК 621.315.1.027

Ш42

ШЕЛЕВСКИЙ АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ

Линия электропередачи напряжением 500 кВ.

Стр. 115, рис. 26, табл. 51, библ. 11.

В данной работе выполнено проектирование электропередачи от строящейся ГЭС в энергосистему с промежуточной подстанцией, для которой произведен расчет и анализ основных режимов работы. Так же выполнено проектирование развития районной электрической сети. Кроме того, сделан обзор научно-технической литературы, рассмотрены вопросы по безопасности и экологичности проекта, выполнен механический расчет провода и троса линии электропередачи 500 кВ, рассчитаны технико-экономические показатели электропередачи.

ВВЕДЕНИЕ

В данном дипломном проекте будет сделан обзор научно-технической литературы. В нем рассмотрим вопросы о повышении надежности воздушных линий при воздействии атмосферных нагрузок и способы эффективного удаления гололедообразований с проводов ВЛ. Далее выполним проектирование электропередачи от строящейся ГЭС в энергосистему с промежуточной подстанцией. Из нескольких вариантов электропередачи необходимо выбрать один, удовлетворяющий условиям надежного снабжения электроэнергией потребителей промежуточной подстанции, а так же приемной системы, обеспечиваемых электроэнергией от ГЭС. Кроме того выбранный вариант должен быть экономически выгодным. Критерием определения рационального варианта является минимум приведенных затрат. Для выбранной электропередачи требуется рассчитать основные режимы работы: наибольшей передаваемой мощности, наименьшей передаваемой мощности, послеаварийный. Так же рассчитаем режимы синхронизации на шинах промежуточной подстанции и на шинах передающей станции. Помимо проектирования линии 500 кВ выполним проектирование развития районной электрической сети: необходимо дать характеристику потребителей и источников питания; определить потребную району мощность; для двух выбранных вариантов развития определить (проверить) сечения проводов, трансформаторы у потребителей; в результате технико-экономического сравнения выбрать рациональный вариант, для которого произвести расчет и анализ основных режимов работы. Кроме того, требуется рассчитать основные технико-экономические показатели электропередачи: капиталовложения, издержки, себестоимость передачи электроэнергии. В разделе по безопасности и экологичности проекта рассмотрим технику безопасности при профилактических испытаниях изоляции воздушных линий. Так же произведем механический расчет провода и троса линии 500 кВ.

1. ВЛ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ АТМОСФЕРНЫХ НАГРУЗОК

1.1 О повышении надежности ВЛ при воздействии атмосферных нагрузок

В настоящее время в РФ значения нормативных атмосферных нагрузок на системы ВЛ определяются по методике [1] по региональным картам гололедных, гололедно-ветровых и ветровых нагрузок [1]. Гололедные нагрузки с заданной надежностью (вероятность непревышения нагрузки в 1 год) принимаются на основе данных измерений в течение 25 - 30 лет случайных значений максимальной в год массы гололеда на площадке метеостанции на высоте 2 м на проводе диаметром 5 мм на длине 1 м. На основе полученных данных о годовых максимумах массы гололеда на высоте 2 м от земли для метеостанции А создается статистический ряд значений толщин стенок b цилиндрического гололеда на проводе, эквивалентных массе гололеда с плотностью 0,9 г/см³, пересчитанных к высоте 10 м, диаметру 10 мм с поправкой на влияние закрытости провода метеостанции другими объектами.

В дальнейшем случайные значения выстраиваются в возрастающем порядке и определяется ежегодная надежность (вероятность непревышения) каждого члена по формуле (1).

(1.1)

где n - номер члена ряда в порядке возрастания; m -общее число лет измерений на метеостанции.

Таким образом, получается интегральная статистическая функция b_n = F(b_n).

Нормативное значение ежегодной надежности F(b_Э) можно рассчитать по формуле (1.2)

F(b_Э) = 1 – 1/Т_Н (1.2)

где b_Э - нормативная толщина стенки гололеда для высоты 10 м над поверхностью земли по ПУЭ; Т_Н -средний нормированный в гл. 2.5 ПУЭ период превышения b_Э лет; 1/Т_Н - частота превышения b_Э в 1 год. В гл. 2.5 ПУЭ 7-го издания нормировано Т_Н 1 раз в 25 лет, которому соответствует ежегодная надежность F(b_Э25) =0,96

По функции распределения значений b_n по графику в координатах lnb_n, lnln[F(b_n)], соответствующих второму предельному закону распределения экстремальных в год значений b_n, для нормированного значения F(b_Э) определяется нормированное значение b_Э.

Далее, для группы метеостанций, расположенных на территории энергосистемы в сходных условиях рельефа местности, строится график регрессионной зависимости b_Э = f(H), где Н - отметка высоты места расположения площадки метеостанции. По значениям b_Э25 на метеостанции в пределах, регламентированных гл. 2.5 ПУЭ, определяется диапазон значений Н_н1 и Н_н2, по которым на карте проводят границы территорий, на которых надо при проектировании ВЛ принимать в расчетах на прочность данное нормативное значение b_Э в миллиметрах.

Анализ данных практического применения методики [1] позволил установить существенные недостатки этого документа. В [1] ошибочно предполагается, что, как и на площадке метеостанции, на всей территории в границах района гололедности значение b_Э имеет ежегодную надежность F(b_Э) = 0,96 и на этой территории значение b_Э может быть превышено в среднем 1 раз в течение 25 лет.

Ежегодная надежность b_Э по [1] практически относится только к площадкам метеостанций, на каждой из которых значения b_Э были (и будут) обусловлены независимыми случайными атмосферными процессами, имевшими место в разные годы на этой территории.

Проведенный анализ показывает, что по [1] не представляется возможным с использованием интегральных статистических функций распределения b_n для нескольких метеостанций выделить территорию между этими метеостанциями и на периферии, где бы нормативное значение b_Э25 соответствовало бы его ежегодной надежности F(b_Э) = 0,96. Следовательно, методика [1] в этой части не отвечает своему основному назначению: определять территорию, на которой нормативные атмосферные нагрузки превышаются в среднем не чаще 1 раза в 25 лет.

Одним из факторов повышения надежности систем ВЛ является обоснованная оценка ежегодной надежности атмосферных нагрузок на территории расположения систем ВЛ (а не на площадке метеостанции). Оценка ежегодной надежности атмосферных нагрузок на ВЛ и определение значений должны выполняться для территории по интегральной статистической функции, составленной из годовых максимумов гололедных нагрузок на этой территории (а не на площадке метеостанции), характеризуемой общими признаками (равнина, низменность, возвышенность и др.). Все участки территории, отнесенные к данному нормативному району, должны располагаться в интервале высотных отметок местности не более 150 м. Так же для повышения надежности ВЛ необходимо выполнять реконструкцию ВЛ, либо воспользоваться плавкой гололеда на проводах ВЛ.

1.2.Повышение эффективности удаления гололедообразований с проводов ВЛ

Воздушные линии электропередачи согласно нормам РАО "ЕЭС России" рассчитываются на прочность с учетом воздействия атмосферных нагрузок (гололед, ветер и их сочетание) и температуры воздуха.

Предусмотрена система мероприятий и способов повышения надежности электроснабжения по ВЛ в условиях гололедообразования на действующих линиях электропередачи. К числу мероприятий относится уточнение метода определения гололедно-ветровых нагрузок на территории энергосистемы с учетом воздействия пространственно-распределенных гололедно-ветровых нагрузок на пространственно-распределенные системы ВЛ и соответствующая реконструкция ВЛ с учетом воздействия больших величин нагрузок при нормированной ежегодной надежности. К числу способов относится предотвращение гололедообразования посредством нагрева провода электрическим током или удаление гололеда на проводах ВЛ методом его плавления посредством нагрева проводов электрическим током.

Когда имеются условия для гололедообразования (отрицательная температура воздуха, туман), на начальной стадии можно предотвратить гололедообразование на проводе ВЛ, увеличивая силу тока до значений, нагревающих провод ВЛ до положительной температуры (например, до +2°С), чтобы предотвратить замерзание капель воды на проводе ВЛ. В этом случае температура t > 2°С должна сохраняться до окончания процесса гололедообразования на проводах ВЛ.

Если на начальной стадии гололедообразования температура провода отрицательная, то образуется односторонний гололед, при котором может возникнуть пляска проводов ВЛ. Для предотвращения пляски проводов целесообразно удалять гололед, создавая силу электрического тока, достаточную для плавления одностороннего гололеда.

При длительном процессе гололедообразования на проводе возле опор ВЛ образуется односторонний гололед. В средней части пролета ВЛ провод закручивается под воздействием момента от веса одностороннего гололеда так, что со временем образуется гололед цилиндрической формы.

В каждом из перечисленных вариантов предотвращения гололедообразования или удаления гололеда существенно различны условия теплового баланса, которые должны быть отражены в соответствующих уравнениях.

В каждом варианте имеется стадия нагрева провода (до +2°С - для предотвращения гололедообразования, 0°С — для начала плавки гололеда).

Баланс энергии при нагреве провода в режиме предотвращения гололедообразования на проводе ВЛ. В последующих уравнениях и для баланса энергии и мощности принято, что в условиях гололедообразования при тумане днем и ночью поглощение лучистой энергии из окружающей среды равно нулю.

Уравнение баланса энергии (1.3) при нагреве сухого голого провода приведено далее

0,95I²R₀(1+ρt_п)τ = (С_раР_а+ С_рстР_ст)(t_п – t_в) + εC₀T⁴Sτ + 1,1 (t_п – t_в)τ (1.3)

где I – сила тока; R₀ – сопротивление провода при t = 0°С; коэффициент 0,95 учитывает, что фактические значения сопротивлений проволок в проводе имеют разброс в сторону меньших значений; р = 0,004031/°С - температурный коэффициент сопротивления алюминиевых проволок; t_в - температура провода при отсутствии электрического тока, принимаемая равной температуре воздуха; t_п - минимальная температура провода, необходимая для предотвращения гололедообразования; τ - время нагрева провода; (С_раР_а+ С_рстР_ст)(t_п – t_в) - энергия, затраченная на нагрев провода до t_п; εC₀T⁴S - мощность излучения с поверхности провода, причем Т измеряется в Кельвинах (1 К = 273°С ± t); 1,1 (t_п – t_в) - потери мощности при вынужденной конвекции.

Из уравнения (1.3) определяется время τ, необходимое для нагрева голого сухого провода до t_n при температуре воздуха t_в.

В дальнейшем расчеты выполнены для провода АС 120/19.

Результаты расчетов для провода АС 120/19 при условиях t_n = +2°С, t_в = - 5°С, V=2м/с, V=5м/с, V=10м/c приведены в приложении 1(табл. П1.1.).

Как следует из результатов расчета, для голого провода АС 120/19 при его нагреве от -5°С до +2°С изменение скорости ветра по трассе ВЛ существенно влияет на возможность предотвращения гололедообразования.

Из уравнения (1.3) при t=∞ вычисляются значения температуры t_n в установившемся режиме для сухого голого провода АС 120/19 при t_в = -5°С. Результаты в приложении 1(табл. П1.2).

Из результатов расчета t_n, приведенных в табл. 1.2 для провода АС 120/19, следует, что наиболее устойчиво можно осуществить предотвращение гололедообразования при расчетном ветре 2 м/с. В случае увеличения скорости ветра до 10 м/с по трассе ВЛ остановить процесс гололедообразования можно при нагреве провода током >400А. Мощность, необходимая для нагрева провода АС 120/19 до t_n = +2°C электрическим током 400 А, минимальна и составляет 34,8 кВт/км, а при 500 А - около 55 кВт/км.

Баланс энергии в режиме непрерывной плавки гололеда цилиндрической формы для удаления его с провода ВЛ в заданный отрезок времени. Удаление гололеда с провода ВЛ состоит из двух стадий переходного во времени процесса. На первой стадии после включения электрического тока происходит нагрев провода. Температура провода со временем увеличивается от t_B до t₀ = 0°С, при которой начинает плавиться лед. На второй стадии, когда провод нагрет до t₀ = 0°C, сверху на границе провод - гололед цилиндрической формы начинает плавиться лед и продолжается нагрев гололеда до установившегося значения t₁.

Баланс энергии в режиме непрерывной плавки для удаления гололеда в заданный отрезок времени определяется следующим уравнением:

0,95I²R₀τ = С_рл G_н(t₀ – t₁)/2 + С_рл J_пл(t₀ – t_в) + J_пл +