Увеличение пропускной способности сети электроснабжения агропромышленного комплекса

Введение. Термин "пропускная способность линий электропередачи" относится к максимальному току, который может быть передан через линию без перегрева или других проблем. Пропускная способность зависит от различных параметров, включая сечение проводников, материал проводников, длину линии и условия охлаждения. Актуальность темы увеличения пропускной способности ЛЭП заключается в постоянном росте городов и мощностей промышленных и сельскохозяйственных предприятий. В связи с этим, соответственно, происходит и рост их установленной мощности, что как следствие приводит к увеличению потребностей потребителей в объёмах поставки электрической энергии.

Цель исследования

Рассмотреть проблему ограниченной пропускной способности линий электропередачи (ЛЭП). Также рассмотреть конкретный случай перегрузки ЛЭП из-за недостаточной пропускной способности.

Материалы и методы исследования

Рассмотрим различные способы увеличения пропускной способности ЛЭП. Для начала перечислим стандартные способы, позволяющие повысить натуральную мощность линии электропередачи:

• -    возведение параллельно стоящих ЛЭП;

• -    замена проводов одного и того же типа, только на провода с большим сечением;

• -    перевод ЛЭП с одного класса напряжения на другой, более высокий. [1]

В качестве относительно нового и перспективного на сегодняшний день способа будет рассмотрен способ, который подразумевает применение проводов с z-образными жилами.

Далее рассмотрим более подробно каждый из способов, перечисленных выше:

• -    при строительстве дополнительных параллельно-стоящих ЛЭП потребуется

выделение дополнительных территорий, которые в некоторых случаях невозможно выделить из-за сложности рельефа местности;

• -    увеличение сечения проводов ЛЭП повлечёт за собой увеличение нагрузки в точках крепления проводов к опоре ЛЭП; [2]

• -    при переводе ЛЭП с одного класса напряжения на другой в целях уменьшения потерь появится необходимость замены трансформаторов в точках трансформации электроэнергии, что в свою очередь повлечёт значительные экономические затраты;

• -    применение компактных проводов с z-образными жилами позволит увеличить значение мощности, передаваемой по линии электропередачи, при этом не потребуется

замена опор, так как нагрузка в точках крепления не увеличиться, а в некоторых случаях может уменьшиться. [3]

Следовательно, мною был сделан вывод, что наиболее перспективным и предпочтительным для увеличения пропускной способности ЛЭП является способ, подразумевающий применение компактных проводов.

Для увеличения пропускной способности будут рассматриваться провода отечественной компании, которая занимается выпуском и продажей различной кабельной продукции в РФ. Данная компания называется ООО “Ламифил”, находящаяся в городе Углич Ярославской области. Поясним принцип, заложенный в такие компактные провода, благодаря которому возможно увеличение пропускной способности. Компактными эти провода называются, потому что они набираются вокруг стального троса из n-ого числа алюминиевых проволок, представляющих в сечении букву z. Благодаря такому решению, проволоки проводника будут максимально плотно прилегать друг к другу и, как следствие, обеспечивать более гладкую обтекаемую наружную поверхность, чем у провода типа АС. Данное преимущество компактных проводов позволит применять их в районах, имеющих сильные ветровые нагрузки, так как провода будут лучше противостоять ветровому давлению. [4]

Теперь опишем конкретный случай, для которого было необходимо подобрать способ увеличения пропускной способности ЛЭП. На территории города Липецка находится относительно недавно построенный микрорайон Елецкий и Университетский. Электроснабжение данных микрорайонов обеспечивает подстанция классом напряжения 110/10 кВ “Университетская”. Питание данная подстанция получает с подстанции классом напряжения 220/110/35 “Правобережная”. Передача электроэнергии от одной подстанции до другой организовано по ЛЭП “Правобережная-Центролит” с отпайкой на подстанцию “Университетская”. Так как в связи с разрастанием города данная линия электропередачи оказалась на территории земельных участков жилых домов, было принято решение о демонтаже отпайки на подстанцию “Университетская” от ЛЭП “Правобережная-Центролит” и запитывания подстанции от ЛЭП классом напряжения 110 кВ “Правобережная-Юго-Западная”, посредством организации отпайки на подстанцию “Университетская”.

Таким образом, при появлении отпайки на ЛЭП “Правобережная-Юго-Западная” образовалась дополнительная нагрузка на данную линию электропередачи, которая привела к тому, что ЛЭП начала работать в перегруженном режиме. Следовательно, было принято решение об увеличении пропускной способности.

При появлении данной отпайки на ПС “Университетская” мощность, передаваемая по ЛЭП будет составлять около 200 МВА. Данная мощность складывается из мощности двух подстанций, которые питает рассматриваемая линия электропередачи. При такой мощности сила тока будет равна ~524 А при напряжении 110 кВ. Если рассматривать стандартный

Агротехника и энергообеспечение. - 2023. - № 4 (41) И⁴³

способ, позволяющий увеличить пропускную способность, то в соответствии со значением тока, который будет протекать по ЛЭП, необходимо выбрать провод типа АС-240/39 с токовым пределом равным 610 А. На рассматриваемой линии электропередачи используются опоры типа У-110-2. Данный тип опор, исходя из их технических характеристик, позволяет подвешивать провода типа АС сечений от 70 мм ² до 240 мм ² . Однако мы рассматриваем уже существующую линию электропередачи, с уже расставленными по трассе ЛЭП опорами с определёнными длинами пролётов, рассчитанными относительно провода АС-185/43, используемый в данный момент на ЛЭП “Правобережная-Юго-Западная”. Следовательно, если рассматривать увеличение пропускной способности за счёт замены провода АС-185/43 на АС-240/39, то появиться необходимость корректировки длины пролётов ЛЭП, то есть необходимо будет переставлять опоры линии электропередачи, что повлечёт за собой большие экономические и трудовые затраты. Таким образом, для увеличения пропускной способности будем использовать провода типа AAAC-242-2Z.

Далее, для доказательства преимущественного применения проводов типа AAAC-242-2Z взамен АС-185/43 проведем их сравнение с проводами АС-240/39. Сравнение будем проводить по двум критериям: значение натуральной мощности, которой будет обладать линия электропередачи при тех или иных проводах, и однородность распределения электрического потенциала вокруг проводов фаз А,В,С первой и второй цепи.

Сравнение по значениям натуральной мощности будет проведено с помощью математических расчётов по общеизвестным формулам. При этом такой расчёт проведем в упрощённой форме, считая, что линия электропередачи будет идеальной, то есть активное сопротивление r o =0 и активная проводимость g o =0. Для расчёта и визуализации распределения электрического потенциала вокруг провода воспользуямся возможностями программы Elcut, в которой произведём визуализацию магнитных полей, возникающих вокруг проводников вовремя передачи электрической энергии. Расчёт произведем для ВЛ110 кВ длиной 10 км относительно проводов типа АС-240/39 и AAAC-242-2Z, которые обладают характеристиками, представленными ниже.

Провод АС-240/39:

• -    диаметр 21,6 мм;

• -    сечение 236 мм ² ;

• -    сопротивление 0,12 Ом/км;

• -    максимально допустимый ток 610 А. [5]

Провод AAAC-Z242-2Z:

• -    диаметр 19,9 мм;

• -    сечение 246,02 мм ² ;

• -    сопротивление 0,13 Ом/км;

• -    максимально допустимый ток 572 А.

Для начала расчёта в программе Elcut была построена геометрическая модель опоры ЛЭП с подвешенными на неё проводами. На рисунке 1 приведена данная модель. Для наглядности сравнения двух проводов на одной опоре были подвешены два типа провода, то есть правая цепь представлена проводом типа AAAC-Z242-2Z, а левая цепь - АС-240/39.

Рисунок 1 – Модель опоры ЛЭП с проводами

Далее, подставив все необходимые значения, требующиеся для расчёта: длина линии электропередачи; частота сети; диаметр и сечение проводов; магнитная проницаемость окружающей среды – воздух: 1; электропроводность проводников; номинальное напряжение сети; активное сопротивление; индуктивность линии электропередачи. После задания всех требующихся для расчёта значений программа произведёт расчёт и выполнит визуализацию распределения электрического потенциала.

Следующим этапом проведем расчёт пропускной способности линии электропередачи классом напряжения 110 кВ. Натуральная мощность линии электропередачи будет вычислена для идеализированной ЛЭП, то есть активное сопротивление r 0 =0 и активная проводимость g 0 =0. Так как натуральная мощность ВЛ зависит от волнового сопротивления линии, то расчёт будет проведён, учитывая волновое сопротивление. Также учтём, что индуктивное сопротивление ВЛ зависит от взаимного расположения фаз и диаметра провода. Расчёт проведём, пользуясь общеизвестными формулами. [6]

Результаты исследования и их обсуждение

Таким образом, после проведения моделирования и расчёта пропускной способности было получено следующее. Провода типа АС-240/39 и AAAC-Z242-2Z будут в равной степени влиять на рядом стоящие электроустановки (возникновение наведённого напряжения), так как, судя по модели, изолинии, показывающие распределение потенциала вокруг провода правой и левой цепи, практически симметричны относительно осевой линии опоры У-110-2. Результат расчёта представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 – Визуализация распределения потенциала

Расчёт значения натуральной мощности для проводов типа AAAC-Z242-2Z и АС-185/43 был сделан при использовании одной и той же опоры ВЛ типа У-110-2 и при таком же расположении проводов на опоре ВЛ. Сравнительные результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Сравнительные результаты

Марка провода	D ср , м	d, мм	х 0 , Ом/к м	b 0 *10 -6 , См/км	z в , Ом	i, А/м 2	P нат , МВт	Масса, кг/км
АС-240/39	5,26564	21,6	0,402	2,808	378,36	2,18	31,98	952
АС-185/43	5,26564	19,6	0,408	2,76	383,37	2,83	31,56	846
AAAC-Z242-2Z	5,26564	19,9	0,407	2,78	382,84	2,12	31,61	654

В таблице указаны основные характеристики провода, такие как диаметр, масса, сопротивление, проводимости, плотность тока, мощность.

ВЫВОДЫ

Моделирование процесса распределения показало, что распределение потенциала вокруг провода практически идентично друг другу у проводов типа АС-240/39 и AAAC-Z242-2Z. Математический расчёт натуральной мощности ВЛ (пропускной способности) показал преимущество проводов типа AAAC-Z242-2Z. Данные провода, обладая массой 654 кг/км против 846 и 952 кг/км и диаметром 19,9 мм против 19,6 и 21,6 у проводов типа АС-185/43 и АС-240/39, имеют значение пропускной способности 31,61 МВт, которая отличается от пропускной способности АС-185/43 на 50 кВт. Также провода AAAC-Z242-2Z имеют токовый предел 572 А при нагреве до 70ºС, который на 62 А больше, чем у проводов АС-185/43. Таким образом, при замене проводов типа АС-185/43 на AAAC-Z242-2Z мы будем иметь увеличение натуральной мощности на 50 кВт, длительно-допустимого тока на 62 А и уменьшение массы пролетов провода 298 кг на 1 км длины. В итоге всё это позволит увеличить пропускную способность ЛЭП, уменьшив при это массу провода, что как следствие положительно скажется на механической надежности опор ВЛ, так как снизится нагрузка на траверсы опор в точках креплений проводов.