Оценка эффективности применения полуволновой линии электропередачи с тиристорным стабилизатором параметров

Автор: Хоютанов Александр Михайлович, Кобылин Виталий Петрович, Васильев Павел Филиппович, Давыдов Геннадий Иванович

Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика @vestnik-susu-power

Статья в выпуске: 1 т.20, 2020 года.

Бесплатный доступ

Приведена оценка эффективности внедрения полуволновых электропередач с промежуточным отбором мощности. Транспорт электрической энергии на переменном токе на дальние и сверхдальние расстояния возможен двумя различными способами - с помощью компенсированной, а также полуволновой электропередач. Первый предусматривает компенсацию реактивных параметров электропередачи с применением источников дополнительной реактивной мощности, устанавливаемых на подстанциях в промежуточных пунктах электропередачи. Второй предполагает использование полуволновой технологии передачи электрической энергии. Задача отбора мощности из полуволновой электропередачи осуществляется с помощью тиристорного стабилизатора параметров. Для сравнительной оценки эффективности были сопоставлены капитальные затраты на строительство воздушных линий и подстанций при прочих равных условиях для обоих вариантов электропередачи. Расчет производился по методике расчета показателей стоимости электропередач, утвержденных и рекомендованных ПАО «ФСК ЕЭС». Приведенные расчеты показали, что затраты на строительство воздушных линий и подстанций для полуволновых электропередач с тиристорным стабилизатором параметров дешевле на 11 % по сравнению со строительством компенсированной электропередачи.

Еще

Компенсированная электропередача, полуволновая электропередача, отбор мощности, тиристорный стабилизатор параметров, технико-экономические показатели

Короткий адрес: https://sciup.org/147234040

IDR: 147234040 | DOI: 10.14529/power200106

Текст научной статьи Оценка эффективности применения полуволновой линии электропередачи с тиристорным стабилизатором параметров

Транспорт электрической энергии на переменном токе на дальние и сверхдальние расстояния возможен двумя различными способами – с помощью компенсированной, а также полуволновой электропередач [1–14].

Первый предусматривает компенсацию реактивных параметров электропередачи с применением источников дополнительной реактивной мощности (ИРМ), устанавливаемых на подстанциях в промежуточных пунктах электропередачи (рис. 1) [10, 11].

У электропередач данного типа сохранение устойчивости и обеспечение всех необходимых условий для ее выполнения являются основными ограничивающими пропускную способность факторами [10, 11].

С помощью источников реактивной мощности компенсируется волновая длина линии, реактивные параметры и поддерживается рабочее напряжение в местах установки при различных передаваемых мощностях.

Для осуществления компенсации, источники реактивной мощности устанавливаются в промежуточных пунктах через определенное расстояние

[10, 11]. Для поддержания рабочего напряжения в промежуточных узлах линии устанавливаются шунтирующие с подмагничиванием реакторы, статические или асинхронизированные тиристорные компенсаторы, подключаемые через согласующие трансформаторы. Количество установленных на линии ИРМ прямо пропорционально влияют на величину пропускной способности (чем больше число ИРМ, тем выше пропускная способность линии).

Недостатком компенсированных электропередач является строительство промежуточных подстанций, а также использование многочисленных ИРМ.

Во втором способе используются полуволновые и настроенные на полуволну транзитные электропередачи (ПЭП). Сверхдальние электропередачи с длиной электрической волны равной половине волны ( π ) по условию устойчивости обеспечивают необходимую пропускную способность без устройств продольной компенсации (УПК) и ИРМ. Электропередачи данного типа могут передавать электрическую энергию на расстояния 2000–4000 км на различных напряжениях [1–17, 19, 22].

Сравнительная характеристика электропередач на сверхдальние расстояния показана в табл. 1.

Рис. 1. Компенсированные электропередачи

Таблица 1

Сравнительная характеристика КЭП и ПЭП [11]

№	Показатели		КЭП		ПЭП
1	Оптимальный диапазон, км	50 Гц	300–1500		2000–4000
		60 Гц	200–1200		1500–3000
2	Номинальное напряжение, кВ		750	1150	750	1150
3	Пропускная способность, ГВт		2–4	5–10	2–4	5–10
4	Фактор, ограничивающий пропускную способность		Устойчивость		Повышение напряжения
5	Мощность компенсирующих устройств		0,5–3,0		0–1,5
6	Промежуточный отбор мощности		Без ограничений		Специальное оборудование
7	Степень адаптации к условиям развития энергосистемы		Высокая		Средняя

Промежуточное подключение энергосистем к транзитной полуволновой линии электропередачи (ЛЭП) для отбора мощности или взаимного обмена электрической энергией может быть осуществлено с помощью тиристорного стабилизатора параметров (ТСП), основные принципы работы которой отражены в работах [15–22].

Как видно из табл. 1, пропускная способность данных электропередач идентична, а оптимальная длина электропередачи варьируется в широких пределах, поэтому для сравнительной оценки эффективности сопоставим капитальные затраты на строительство воздушных линий и подстанций при прочих равных условиях. При этом следует отметить, что ПЭП конструктивно ничем не отличаются от традиционных трехфазных линий электропередачи, как и КЭП.

Методика и технико-экономическое сопоставление КЭП и ПЭП с отборами мощности

Расчет производился по методике расчета показателей стоимости электропередач, утвержденных и рекомендованных ПАО «ФСК ЕЭС» [23]. При прочих равных условиях, отличие между двумя вариантами будет в учете стоимостных показателей подстанций с ИРМ и с применением ТСП.

В общем случае эффективность от внедрения будет определяться сопоставлением сумм приведенных затрат, которые рассчитываются с помощью следующей формулы

З = Е Н × К + И, (1)

где К – капитальные вложения в сооружение объекта, тыс. руб.; Е Н – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений, 1/год; И – ежегодные издержки на эксплуатацию объекта, тыс. руб./год.

Расчет основных затрат на строительство электропередачи был проведен в базисных ценах 2000 года с учетом индексов конвертации цен на текущий период и поправочных коэффициентов, указанных в [23]. Класс напряжения – 500 кВ, длина ЛЭП – 3000 км.

Показатели базисной стоимости ВЛ (без учета налога на добавленную стоимость (НДС)) напряжением 500 кВ приведены в табл. 2. Показатели в данной таблице учитывают комплексные производственные затраты, предусмотренные в [24], которые соответствуют усредненным условиям сооружения ВЛ и нормативному ветровому давлению до 0,61 кПа.

При строительстве ВЛ в условиях более сложных, чем приведены в табл. 2, затраты на строительство корректируются с применением поправочных коэффициентов [23]. Исходя из многообразия пунктов усложняющих условия строительства ВЛ, применим усредненный коэффициент с учетом всех совокупных факторов, равный 1,025.

Для получения полной стоимости ВЛ к показателям табл. 2 добавляют затраты, сопутствующие строительству при условном пересчете для решетчатых стальных опор на напряжение 500 кВ, которые составляют:

Базисные показатели стоимости ВЛ (без учета НДС) напряжением 500 кВ

Таблица 2

Напряжение ВЛ, кВ	Характеристика промежуточных опор	Провода сталеалюминиевые сечением, шт. х мм 2	Количество цепей на опоре, шт.	Базисные показатели стоимости ВЛ, тыс. руб./км
				Стальные опоры		Железобетонные опоры
				решетчатые	многогранные
500	Свободностоящие двухстоечные, с внутренними связями	3 х 330	1	2315	2673	–

3,3 % – временные здания и сооружения;
6,0 % – прочие работы и затраты для объектов, находящихся в удаленных труднодоступных регионах, не обеспеченных основными производственными ресурсами;
3,18 % – содержание службы заказчика-застройщика, строительный контроль;
8,5 % – проектно-изыскательские работы, затраты на проведение экспертизы проектной документации и авторский надзор.

Складывая все приведенные затраты и добавляя к рассчитанному итогу стоимость, учитываемую по приведенным выше коэффициентам, получаем итоговый необходимый объем капитальных вложений для строительства условной ВЛ (табл. 3), где колонка «Номер таблицы» указывает ссылку на таблицы, пункты и приложения, указанные в [23].

Исходя из базисных показателей стоимости ВЛ 500 кВ, с учетом всех коэффициентов, стои- мость затрат на строительство ВЛ составит 46 703,477 млн руб.

Расчета затрат на строительство подстанций в отличие от воздушных линий будет отличаться для двух вариантов. Для определения количества подпорных подстанций в компенсированной ЭП определяется количество узлов подключения ИРМ. В транзитной электропередаче через традиционную ВЛ 500 кВ с проводам АС 3×330/43 предельная длина электропередачи при условии допустимых пределов по напряжению соответствует примерно 1000 км (рис. 2). Соответственно, для электропередачи длиной в 3000 км потребуется как минимум 2 подстанции с подпором напряжения. В случае учета отбора мощности к стоимости подстанций с ИРМ добавятся стоимость подстанций с отбором мощности с ЛЭП. Для сравнения, при прочих равных условиях, предположим, что на протяжении всей электропередачи будут два узла с отбором мощности, отличные от узлов установки ИРМ.

Укрупненный расчет затрат на строительство ВЛ 500 кВ

Таблица 3

№ п/п	Составляющие затрат	Номер таблицы в [23]	Расчет затрат	Величина затрат, тыс. руб.
1.1	Стоимость ВЛ 500 кВ по базисным показателям	Табл. 1	3000 X 2315	6 945 000
1.2	Вырубка просеки	Табл. 4	1200 x 389	466 800
1.3	Устройство лежневых дорог .	Табл. 4	300 x 650	130 000
1.4	Установка выключателей по концам электропередачи_.	Табл. 13	2 x 28814	57 628
2	Итого			7 527 056
3	Стоимость строительства ВЛ (с учетом затрат, сопутствующих строительству 23,48 %	п. 2.3	7527056 x 1,2348	9 294 409
4	Стоимость с учетом регионального коэффициента для ДФО	Прил. 2	9078382 x 1,09	10 130 906
5	Стоимость с учетом коэффициента пересчета 4,61 к ценам 1 квартала 2019 г.		10130906 x 4,61	46 703 477

Рис. 2. Предельное расстояние передачи электрической энергии по традиционной ВЛ 500 кВ

Расчет стоимости подстанций будет также проводиться по методике, указанной в [23]. Базисные показатели стоимости условной подстанции приведены в табл. 4.

Для получения полной стоимости подстанции к сумме стоимостных показателей ее основных элементов добавляют затраты, сопутствующие строительству, которые исчисляются от этой суммы [23] и составляют:

1,3 % – временные здания и сооружения;
9,0 % – прочие работы и затраты для объектов, находящихся в удаленных труднодоступных регионах, не обеспеченных основными производственными ресурсами;
3,18 % – содержание службы заказчика-застройщика, строительный контроль;
8 % – проектно-изыскательские работы и авторский надзор.

Исходя из базисных показателей стоимости открытой ПС 500 кВ, с учетом регионального коэффициента, стоимость затрат на строительства типовой подстанции составит 3 924 788 тыс. руб. (табл. 5).

Типовая компоновка подстанций с регулированием напряжения включает в себя управляемые шунтирующие реакторы на стороне ВН и статический тиристорный компенсатор на стороне НН. Учитывая укрупненные показатели стоимости установки дополнительного оборудования, затраты на строительство одной подпорной подстанции составят 4 890 726 тыс. руб. (табл. 6).

Показатели стоимости СТК, приведенные в табл. 6, учитывают: собственно, СТК, включая систему охлаждения; РУ НН, силовые и контрольные кабели в пределах ячейки и до панелей в ОПУ; панели релейной защиты, установленные в

Таблица 4

Базисные показатели стоимости открытой ПС напряжением 500 кВ

Напряжение ПС, кВ	Кол-во и мощность Т (АТ), шт. х МВА	Схема РУ на стороне		Кол-во ВЛ		Капитальные вложения, тыс. руб.
		ВН	СН	ВН	СН
500/110/10	2 х 250	Четырёхугольник. 500-7	Одна рабочая, секционированная выключателем, система шин. 110-9	2	4	642 960

Таблица 5

Укрупненный расчет затрат на строительство ПС 500 кВ

№ п/п	Составляющие затрат	Номер таблицы в [23]	Расчет затрат	Величина затрат, тыс. руб.
1.1	Базисный показатель стоимости ПС 500/110/10 кВ 2 х 250 МВА	Табл. 10	642 960	642 960
1.2	Итого			642 960
2.1	Стоимость строительства ПС (с учетом затрат, сопутствующих строительству 21,48 %	п. 2.3	642 960 х 1,2148	781 068
2.2	Стоимость с учетом регионального коэффициента для ДФО	Прил. 2	781 068 х 1,09	851 364
2.3	Стоимость с учетом коэффициента пересчета 4,61 к ценам 1 квартала 2019 г.		851 364 х 4,61	3 924 788

Таблица 6

Укрупненный расчет затрат на строительство ПС 500 кВ с ИРМ

№ п/п	Составляющие затрат	Номер таблицы в [23]	Расчет затрат	Величина затрат, тыс. руб.
1.1	Базисный показатель стоимости ПС 500/110/10 кВ 2 х 250 МВА	Табл. 10	642 960	642 960
1.2	СТК-15 160 МВАр	Табл. 19	50 240	50 240
1.3	УШР-500 кВ 3 х 60 МВА	Табл. 20	108 000	108 000
2	Итого			801 200
2.1	Стоимость строительства ПС (с учетом затрат, сопутствующих строительству 21,48 %	п. 2.3	801 200 х 1,2148	973 298
2.2	Стоимость с учетом регионального коэффициента для ДФО	Прил. 2	781 068 х 1,09	1 060 895
2.3	Стоимость с учетом коэффициента пересчета 4,61 к ценам 1 квартала 2019 г.		1 060 895 х 4,61	4 890 726

ОПУ и относящиеся к ячейке; строительно-монтажные работы по сооружению здания и монтажу оборудования.

В случае полуволновой электропередачи с ТСП учет стоимости подстанций будет исходить из количества узлов подключения и капитальных вложений на строительство самого ТСП. Затраты, связанные со строительством нетиповых проектных решений, определяются индивидуальным расчетом или по объекту-аналогу [23]. Учитывая данное, и из-за сложности оценки реальных капитальных затрат на строительство ТСП, воспользуемся данными, приведенными в той же методике. Расчет укрупненных показателей будет производиться выбором максимальных стоимостных показателей на одинаковые классы напряжения (табл. 7).

Сведем укрупненный расчет затрат в табл. 8.

Сравнительная оценка полученных результатов расчета укрупненных показателей показана в табл. 9.

По формуле (1) требуется учет ежегодных затрат на эксплуатацию, приведенные расчеты показали эффективность подстанций с ТСП по сравнению с компенсированной ЭП. При учете эксплуатационных затрат по укрупненным показателям требуется расчет для четырех подстанций в компенсированной ЭП против двух подстанций с ТСП. Очевидно, что затраты на содержание четырех подстанций обойдутся дороже. Поскольку по стоимостному показателю подстанции с ТСП имеют преимущество (табл. 9), расчеты энергетической эффективности, а также учет эксплуатационных затрат были опущены.

Таблица 7

Укрупненный расчет затрат на строительство ТСП

№ п/п	Составляющие затрат	Расчет затрат	Величина затрат, тыс. руб.
1.1	Вольтодобавочный трансформатор (стоимостной аналог АТ 250 МВА 500/110)	61 000	61 000
1.2	Регулировочный трансформатор 63МВА 110/10	12 377	12 377
1.3	Питающий трансформатор 63МВА 110/10	12 377	12 377
1.4	Синхронный компенсатор КСВБ-160	163 506	163 506
1.5	Блок силовых тиристоров с микропроцессорной системой управления	16 X 53	850
2	Итого		250 110

Таблица 8

Укрупненный расчет затрат на строительство ПС 500 кВ с ТСП

№ п/п	Составляющие затрат	Номер таблицы в [24]	Расчет затрат	Величина затрат, тыс. руб.
1.1	Базисный показатель стоимости ПС 500/110/10 кВ 2 x 250 МВА	Табл. 10	642 960	642 960
1.2	Затраты на ТСП		250 110	250 110
2	Итого			893 070
2.1	Стоимость строительства ПС (с учетом затрат, сопутствующих строительству 21,48 %	п. 2.3	893 070 x 1,2148	1 084 901,4
2.2	Стоимость с учетом регионального коэффициента для ДФО	Прил. 2	781 068 x 1,09	1 182 542,6
2.3	Стоимость с учетом коэффициента пересчета 4,61 к ценам 1 квартала 2019 г.		1 060 895 x 4,61	5 451 521,2

Таблица 9

Сравнительная оценка двух вариантов электропередачи

№ п/п	Составляющие затрат	Расчет затрат	Величина затрат, тыс. руб.
	КЭП
1.1	Затраты на строительство ПС 500 кВ	2 x 3 924 788	7 849 576
1.2	Затраты на строительство ПС 500 кВ с ИРМ	2 x 4 890 726	9 781 452
1.3	Затраты на строительство ВЛ 500 кВ	46 703 477	46 703 477
2	Итого		64 334 505
	ПЭП
1.1	Затраты на строительство ПС 500 кВ с ТСП	2 x 5 451 521,2	10 903 042,8
1.2	Затраты на строительство ВЛ 500 кВ	46 703 477	46 703 477
2	Итого		57 606 519,8

Заключение

Исходя из сравнительной оценки (см. табл. 9), видно, что капитальные затраты на строительство полуволновой электропередачи с промежуточным отбором мощности обойдутся дешевле на 11 %, чем у компенсированной электропередачи при прочих равных условиях.

Список литературы Оценка эффективности применения полуволновой линии электропередачи с тиристорным стабилизатором параметров

Hubert, F.J. Half-Wavelength Power Transmission Lines / F.J. Hubert, M.R. Gent //IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems. - 1965. -vol. 84. - P. 965974. DOI: 10.1109/tpas.1965.4766125
Prabhakara, F.S. Performance of Tuned Half-Wave-Length Power Transmission Lines / F.S. Prabhakara, K. Parthasarathy, H.N.R. Rao // IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems. - 1969. - vol. PAS-88. - Р. 1795-1802. DOI: 10.1109/tpas. 1969.292295
Wang, G. Research status and prospects of the half-wavelength transmission lines / G. Wang, Q. Li, L. Zhang // Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference. - 2000.
A study and design of half-wavelength lines as an option for long distance power transmission / M.L. Santos, J.A. Jardini, M. Masuda, G.L.C. Nicola // IEEE PES Trondheim PowerTech: The Power of Technology for a Sustainable Society. - 2011. DOI: 10.1109/ptc.2011.6019235
Reliability and economic analysis of UHV Half-Wave-length AC transmission / Y. Song, B. Fan, Y. Bai et al. // IEEE International Conference on Power System Technology, POWERCON. - 2012. DOI: 10.1109/powercon. 2012.6401413
Route construction analysis and overvoltage characteristics of true type half wavelength AC transmission line test / P. Gu, P. Wang, B. Han et al. // Dianli Jianshe/Electric Power Construction. - 2018. -Vol. 39. - Р. 101-107.
Tang, L. Study on the current differential protection for half-wave-length AC transmission lines / L. Tang, X Dong, B. Wang, S. Shi // IEEE Power and Energy Society General Meeting. - 2018. DOI: 10.1109/pesgm.2017.82 73851
Tavares, M.C. Half-wave length line energization case test - proposition of a real test / M.C. Tavares, C.M Portela // International Conference on High Voltage Engineering and Application, ICHVE. - 2008. DOI: 10.1109/ichve.2008.4773923
Iliceto, F.Analysis of half-wave length transmission lines with simulation of corona losses / F. Iliceto, E. Cinieri // IEEE Transactions on Power Delivery. - 1988. - Vol. 3. - Р. 2081-2091. DOI: 10.1109/61.194020
Самородов, Г.И. Оптимизация схем и параметров дальних и сверхдальних электропередач переменного тока: автореф. дис. ... д-ра техн. наук /Г.И. Самородов. - Новосибирск, 1990. - 32 с.
Самородов, Г.И. Сверхдальние электропередачи / Г.И. Самородов. - Новосибирск, 1994. -112 с.
Зильберман, С.М. Методические и практические вопросы полуволновой технологии передачи электроэнергии: автореф. дис. д-ра техн. наук / С.М. Зильберман. - Красноярск, 2009. - 39 с.
Щербаков, В.К. Возможности передач настроенных на полуволну: сб. науч. ст. / В.К. Щербаков // Вопросы дальних электропередач. - Новосибирск, 1960. - С. 3-20.
Щербаков, В.К. Технические и экономические характеристики настроенных электропередач / В.К. Щербаков. - Новосибирск: Наука, 1965. -68 с.
Распределение параметров вдоль полуволновой электропередачи и её пропускная способность, в составе объединения «ЕНЭС Востока России» / А.М. Хоютанов, В.П. Кобылин, Г.И. Давыдов и др. // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2016. -№ 4-5. - С. 872-875.
Применение полуволновых технологий для повышения пропускной способности межсистемных и межрегиональных линий электропередач / А.М. Хоютанов, В.П. Кобылин, П.Ф. Васильев и др. // Труды VII евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата. - СПб., 2014. -С. 467-471.
Разработка научно-методологического сопровождения реализации энергетической стратегии региона Севера с учетом топливно-энергетического комплекса и магистральных линий электропередачи развития ЕНЭС на Востоке России / В.П. Кобылин, В.А. Седалищев, Р.П. Ли-Фир-Су и др. - Якутск: Институт физико-технических проблем Севера, 2013. - 96 с. - Деп. в ВИНИТИ, № 249-В2013 от 27.08 2013.
Хоютанов, А.М. Повышение надежности и эффективности сверхдальних межсистемных связей /А.М. Хоютанов, П. Ф. Васильев, В.П. Кобылин // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». - 2017. -Т. 17, № 3. - С. 67-75. DOI: 10.14529/power170308
Пат. 2559024 Российская Федерация. Устройство отбора мощности из линии электропередачи / А.М. Хоютанов, Р.П. Ли-Фир-Су, В.П. Кобылин, А.В. Кобылин; заявитель и патентообладатель Институт физико-технических проблем Севера СО РАН. - № 2014117828/07; за-явл. 29.04.2014; опубл. 10.08.2015, Бюл. № 22. - 5 с.
Пат. 2607649 Российская Федерация. Способ отбора мощности из полуволновой электропередачи в «электрическом центре» / А.М. Хоютанов, Р.П. Ли-Фир-Су, В.П. Кобылин, А.В. Кобылин; заявитель и патентообладатель Институт физико-технических проблем Севера СО РАН. -№ 2015126971, заявл. 02.07.2015; опубл. 10.01.2017, Бюл. № 1. - 7 с.
Промежуточный отбор мощности из полуволновой электропередачи / А.В. Кобылин, Г.И. Самородов, С.М. Зильберман и др. // Электричество. - 2015. - № 6. - С. 4—11.
Устройство отбора мощности из линии электропередачи / А.М. Хоютанов, В.П. Кобылин, П.Ф. Васильев, Г.И. Давыдов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». - 2019. - Т. 19, № 3. - С. 65-71. DOI: 10.14529/pow er190307
СТО 56947007-29.240.124-2012. Укрупнённые стоимостные показатели линий электропередачи и подстанций напряжением 35-750 кВ. Стандарт организации ОАО «ФСКЕЭС». - 2013.
СТО 56947007-29.240.55.016-2008. Нормы технологического проектирования воздушных линий электропередачи напряжением 35-750 кВ. Стандарт организации ОАО ««ФСКЕЭС». - 2008.

Еще

Статья научная