Линия электропередачи напряжением 500 кВ
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 bn = F(bn).
Нормативное значение ежегодной надежности F(bЭ) можно рассчитать по формуле (1.2)
F(bЭ) = 1 – 1/ТН (1.2)
где bЭ - нормативная толщина стенки гололеда для высоты 10 м над поверхностью земли по ПУЭ; ТН -средний нормированный в гл. 2.5 ПУЭ период превышения bЭ лет; 1/ТН - частота превышения bЭ в 1 год. В гл. 2.5 ПУЭ 7-го издания нормировано ТН 1 раз в 25 лет, которому соответствует ежегодная надежность F(bЭ25) =0,96
По функции распределения значений bn по графику в координатах lnbn, lnln(F(bn)), соответствующих второму предельному закону распределения экстремальных в год значений bn, для нормированного значения F(bЭ) определяется нормированное значение bЭ.
Далее, для группы метеостанций, расположенных на территории энергосистемы в сходных условиях рельефа местности, строится график регрессионной зависимости bЭ = f(H), где Н - отметка высоты места расположения площадки метеостанции. По значениям bЭ25 на метеостанции в пределах, регламентированных гл. 2.5 ПУЭ, определяется диапазон значений Нн1 и Нн2, по которым на карте проводят границы территорий, на которых надо при проектировании ВЛ принимать в расчетах на прочность данное нормативное значение bЭ 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 bЭ имеет ежегодную надежность F(bЭ) = 0,96 и на этой территории значение bЭ может быть превышено в среднем 1 раз в течение 25 лет.
Ежегодная надежность bЭ по (1) практически относится только к площадкам метеостанций, на каждой из которых значения bЭ 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 bn для нескольких метеостанций выделить территорию между этими метеостанциями и на периферии, где бы нормативное значение bЭ25 соответствовало бы его ежегодной надежности F(bЭ) = 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+ρtп)τ = (СраРа+ СрстРст)(tп – tв) + εC0T4Sτ + 1,1
(tп – tв)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; tв - температура провода при отсутствии электрического тока, принимаемая равной температуре воздуха; tп - минимальная температура провода, необходимая для предотвращения гололедообразования; τ - время нагрева провода; (СраРа+ СрстРст)(tп – tв) - энергия, затраченная на нагрев провода до tп; εC0T4S - мощность излучения с поверхности провода, причем Т измеряется в Кельвинах (1 К = 273°С ± t); 1,1(tп – tв) - потери мощности при вынужденной конвекции.
Из уравнения (1.3) определяется время τ, необходимое для нагрева голого сухого провода до tn при температуре воздуха tв.
В дальнейшем расчеты выполнены для провода АС 120/19.
Результаты расчетов для провода АС 120/19 при условиях tn = +2°С, tв = - 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 tn в установившемся режиме для сухого голого провода АС 120/19 при tв = -5°С. Результаты в приложении 1(табл. П1.2).
Из результатов расчета tn, 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 tn = +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 tB 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 = Срл Gн(t0 – t1)/2 + Срл Jпл(t0 – tв) + Jпл +
+ εC0T4Sτ + 1,1
(t1 – tв) (1.4)
где Gн – плотность гололеда; Jпл – вес 1 м расплавляемого гололеда; Спл – скрытая теплота плавления гололеда; Срл – удельная теплоемкость гололеда.
По уравнению (1.4) выполнены расчеты значений электрического тока, необходимых для удаления гололеда и изморози, при заданных временах удаления гололеда 15, 30, 45 и 60 мин для провода марки АС 120/19 при различных сочетаниях погодных условий (температура воздуха, скорость ветра, ветер направлен нормально оси ВЛ).
Анализ расчетов показывает, что в целях экономии электроэнергии необходимо плавить гололед небольших размеров при минимальном времени плавки. Такое решение существенно повышает надежность электроснабжения по системам ВЛ.
Баланс энергии при удалении одностороннего гололедообразования. При температуре воздуха -2 – 0°С гололед образуется с наветренной стороны провода.
Электрические токи в проводах ВЛ при нормированной плотности в зимних условиях ночью нагревают провод не более чем на 0,5°С, поэтому при отрицательной температуре воздуха, если своевременно не воспользоваться достаточным предупредительным нагревом провода ВЛ, при погодных условиях, соответствующих гололедообразованию, на проводе начинает образовываться гололед, толщина стенки которого увеличивается навстречу ветру.
При расчетах токов для удаления одностороннего гололеда толщиной стенки 1 - 2 см необходимо знать время нагрева провода до tп = 0°C и время, необходимое для плавления тонкого слоя льда толщиной 1-1,5 мм. После плавления тонкого слоя льда односторонний гололед упадет под действием собственного веса. Поскольку плавка гололеда не начнется до того, как провод нагреется до 0°С, то надо отдельно рассматривать:
процесс нагрева провода до 0°С при наличии на нем одностороннего гололеда;
процесс плавки гололеда, когда на границе гололед - провод температура не изменяется.
Процесс нагрева провода до 0°С на границе односторонний гололед - провод. Удаление одностороннего гололеда должно выполняться при нагреве провода током более 1 кА в течение нескольких секунд. За несколько секунд температура t1 на наружной поверхности гололеда изменится так мало, что можно пренебречь при расчетах потерями энергии на конвекцию с поверхности гололеда. В результате приближенное уравнение баланса энергии при нагреве провода с односторонним гололедом имеет следующий вид:
0,95I2R0τ = (СраРа+ СрстРст)(tп – tв) + 0,5·1,1(tп – tв)τ (1.5)
где 0,5·1,1(tп – tв)τ – затраты энергии на конвекцию с поверхности голого провода.
Из уравнения (1.5) определяется время τ, необходимое для нагрева провода до 0°С. Расчеты показывают, что при токах в диапазоне 3000 А - 8000 А время нагрева провода до 0°С составляет доли секунды. Для нагрева провода до 0°С необходима мощность при коротком замыкании до 14,5 тыс. кВт/км провода. При этом затраты энергии составляют не более 0,5 кВт-ч/км провода.
Удаление одностороннего гололеда с проводов ВЛ. Многообразны условия нагрева и теплоотдачи при одностороннем гололедообразовании на проводе ВЛ. Для решения вопроса об удалении одностороннего гололеда с проводов ВЛ необходимо применять условные модели теплоотдачи с поверхностей голого провода и одностороннего отложения гололеда.
Основная идея заключается в том, что потери энергии на конвекцию с поверхности голой части провода, экранированного односторонним гололедом, рассчитываются, как это сделано в уравнении (1.3), с учетом коэффициента 0,5, а потери энергии на нагрев и плавление слоя гололеда с наветренной стороны рассчитываются по уравнению (1.6) с учетом специфики плавления тонкого слоя одностороннего льда
0,95I2R0τ = СрлJ’пл(– tв) +СплJ’пл + 0,5·1,1( – tв/2)τ (1.6)
где J’пл – вес слоя гололеда толщиной 1 – 1,5 мм на длине 1 м.
Удаление одностороннего гололеда предусматривает нагрев провода током с последующим плавлением тонкой пленки льда на границе провод - гололед, который под действием собственного веса должен падать.
Задача сводится к определению затрат времени, необходимых для плавления пленки гололеда толщиной 1 — 1,5 мм на границе провод - гололед. Провод предварительно будет нагрет до t0 = 0°С, когда происходит плавление гололедной пленки с последующим опаданием гололедного отложения.
Из уравнения (1.6) определяется время τ, необходимое для плавления одностороннего гололедообразования.
Из полученных результатов следует, что наиболее приемлемый диапазон электрических токов находится в пределах 5000 - 8000 А. В этом случае время плавки гололеда (с учетом времени нагрева провода) находится в пределах 3,42 - 1,05 с. Необходимая мощность от 5,6 до 14,5 тыс. кВт/км провода. Затраты электроэнергии на нагрев провода и плавление гололеда не более 4,24 кВт-ч/км провода.
Сравнение эффективности способов удаления гололедообразований. Выполненные расчеты позволяют сравнить эффективность рассмотренных способов удаления гололедообразований на проводах ВЛ.
Результаты расчетов сведены в табл. П1.3 (приложение 1).
Как видно из данных табл. П1.3., способ удаления одностороннего гололедообразования - наиболее эффективный по затратам как времени, так и электроэнергии. Этот способ дает возможность в течение одного рабочего дня удалить гололед поочередно на всех ВЛ на территории, где гололедные нагрузки увеличиваются интенсивнее, чем в других частях энергосистемы, и могут быть опасны для прочности ВЛ. Применимость данного способа зависит от технических возможностей в энергосистеме.
Выводы: вопрос о повышении надежности ВЛ при воздействиях атмосферных нагрузок достаточно актуален. В данной главе рассмотрены две статьи на эту тему. В первой поднята проблема о превышении нормативных гололедных нагрузок и уточнена методика определения атмосферных нагрузок по региональным картам (1). Во второй статье предложены уравнения для определения токов и времени плавки гололеда на проводах ВЛ и сделаны выводы о наиболее эффективных способах удаления гололедообразований (2).
2. ЛИНИЯ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ 500 кВ
2.1 Выбор схемы, номинального напряжения и сечения проводов участков электропередачи
Проектируется электропередача, связывающая строящуюся гидроэлектростанцию с промежуточной подстанцией и мощной приемной системой.
Выбор числа цепей на участках электропередачи производится по условию надёжного снабжения энергией потребителей промежуточной подстанции, а также потребителей приёмной системы, обеспечиваемых энергией от ГЭС.
Сопоставляя три заданные величины :
наибольшая мощность, передаваемая от ГЭС Р0=1020 МВт;
наибольшая мощность потребителей промежуточной подстанции Рп/ст =520 МВт;
оперативный резерв мощности, имеющийся в приёмной системе Ррезерв =320 МВт
наметим следующие варианты схемы участков электропередачи (т. к. проектируемая сеть располагается в Западной Сибири, то возможно использование только напряжения 500 кВ):
|