Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Одной из актуальных проблем, сдерживающих внедрение современных открытых распределительных устройств (ОРУ) высокого и сверхвысокого напряжения с сокращенными габаритами и компактных воздушных линий электропередачи (ЛЭП), является динамика их токоведущих конструкций с гибкими проводами. Для сооружаемых и эксплуатируемых закрытых распределительных устройств (ЗРУ) с уменьшенными междуфазными расстояниями особую актуальность приобретает проблема динамики гибких проводов при коротких замыканиях (КЗ). Проектирование таких ЗРУ ведется с использованием типовых проектов, в которых проверка сближения гибких шин выполнена по упрощенным методам, справедливым только при небольших токах КЗ. Указанные типовые решения непригодны при токах КЗ, значительно превышающих данное в Правилах устройства электроустановок значение в 20 кА. Поэтому практические потребности проектных учреждений п обосновании новых конструктивных решений по распределительным устройствам (РУ) сооружаемых электростанций инициировали в БГПА разработку метода расчета динамики токоведущих конструкций с проводами при КЗ, дающего возможность проводить исследования в форме вычислительного эксперимента и позволяющего создавать конструкции, динамически стойкие к большим токам КЗ.
При внедрении научных разработок компактных воздушных ЛЭП необходимо учитывать пляску проводов. Выполненные российскими специалистами исследования на основе линейной теории позволили получить условия пляски, критические скорости ветра, частоты поступательных и крутильных колебаний проводов. При проектировании и в эксплуатации стоят задачи определения максимальных отклонений и тяжений проводов воздушных ЛЭП при пляске и выбора способа ее ограничения и гашения. Они решаются с помощью нелинейной теории и вычислительного эксперимента. Аналогичная ситуация сложилась при выборе способов зашиты расщепленных фаз (РФ) воздушных ЛЭП от субколебании. Для выбора параметров и схем неравномерной расстановки демпфирующих распорок (ДР) необходимо рассматривать РФ в целом пролете как единую колебательную систему. Вопросы динамики проводов актуальны для стран Европейского Союза, Японии, Каналы и других. Поэтому в рамках Международной конференции по большим электрическим системам (СИГРЭ) осуществляются международные исследования различных видов динамики проводов. Приоритет в этих исследованиях отдастся более универсальным численным методам решения нелинейных задач динамики токоведущих конструкции
2 с проводами. Результаты исследований автора неоднократно рассматривались и получили положительную оценку на заседаниях рабочих групп и симпозиумов СИГРЭ.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Работа выполнялась в соответствии с целевой научно-технической программой О.Ц.003 по разделу 01.14.Т7 «Разработать типовые проекты открытых, закрытых и комплектных подстанций 110-750 кВ со сниженными габаритами», утвержденной Государственным комитетом по науке и технике СССР (1986-1990 годы), координационным планом НИР АН СССР по проблеме 1.9.2., подпункт 1.9.2.2.2 «Выполнить исследования и разработки, направленные на интенсификацию техники передачи электрической энергии за счет увеличения сечения проводов у ЛЭП 110-330 кВ, создания компактных, в том числе управляемых двухцепных линий электропередачи 330-1150 кВ переменного тока с повышенной пропускной способностью, электрооборудования с повышенной единичной мощностью и др.», утвержденным АН СССР (1986-1990 годы), Межвузовской научно-технической программой «Экономия электроэнергии» по разделу 06.19 «Теоретический анализ электродинамических усилий в расщепленной фазе ВЛ УВН и ППС, гибкой ошиновки ОРУ при КЗ», утвержденной Министерством высшего и среднего специального образования БССР (1986-1990 годы), Межвузовской программой фундаментальных исследований «Разработка теоретических основ и принципов формирования эффективных систем производства, передачи и потребления электрической и тепловой энергии в условиях дефицита энергоресурсов» по разделу 01.02 «Статика и динамика то-коведущих конструкций с гибкими проводами электрических систем», утвержденной Министерством образования и науки Республики Беларусь (1997-1999 годы), а также в рамках планов научно-исследовательских работ Белорусской государственной политехнической академии, утвержденных ректором (1992-1999 годы), и Фонда фундаментальных исследований Республики Беларусь, утвержденных Советом Фонда (1994-2000 годы).
Цель и задачи исследования. Цель исследования заключается в теоретическом обобщении и решении важной научно-технической проблемы обеспечения надежности и повышения стойкости токове-дущих конструкций с гибкими проводами электроустановок при короткій замыканиях, пляске и субколебаниях с использованием методов математического моделирования и вычислительного эксперимента. Для достижения поставленной цели необходимо:
составить математическое описание динамики гибких проводов иод действием произвольных распределенных и сосредоточенных нагрузок;
разработать метод расчета ЭДУ в системе гибких произвольно расположенных в пространстве движущихся проводов;
сформулировать и решить смешанные краевые задачи динамики одиночных и расщепленных проводов РУ и воздушных ЛЭП при КЗ;
разработать метод расчета электродинамической стойкости гибкой ошиновки (ГО) РУ и проводов воздушных ЛЭП с учетом их конструктивных элементов;
составить математическое описание динамики проводов, покрытых односторонним гололедным осадком, при пляске с учетом рассеяния энергии при колебаниях;
разработать численный метод расчета пляски проводов воздушных ЛЭП с учетом средств ее оіранпчения и подавления;
составить математическую модель и алгоритм расчета субколебаний проводов РФ воздушных ЛЭП с учетом распорок-гасителей колебаний;
разработать численный метод расчета равновесного положения гоковедущих конструкций с гибкими проводами под действием климатических нагрузок, пригодный для определения начальных условий и механического расчета РУ и воздушных ЛЭП;
составить пакет компьютерных программ (КГП) дня расчета электродинамической стойкости и аэродинамической устойчивости токоведущих конструкций с гибкими проводами любой пространственной конфигурации';
подтвердить достоверность и обоснованность научных положений диссертации сопоставлением расчетных и опытных данных, с помощью тестовых и модельных задач, литературными данными других авторов.
Объектом исследования являются токоведущне конструкции с гибкими проводами электроустановок.
Предмет исследования составляет динамика токоведущих конструкций с гибкими проводами электроустановок при коротких замыканиях, пляске и субколебаниях проводов воздушных ЛЭП.
Методология и методы проведенного исследования. Методологической основой исследований являются системный подход, математическое моделирование и вычислительный эксперимент.
В диссертации используются теория гибкой шин и уравнения математической физики, классические принципы и теоремы механики, векторный анализ и впервые ставятся смешанные краевые задачи динамики одиночных и растепленных проводов РУ и воздушных ЛЭП при К'З, пляске и субколебаниях I'll). 1'азрабагываюгся численные методы решения смешанных красных задач динамики токоведущих конструкций с одиночными и растепленными провела-
4 ми с учетом конструктивных элементов РУ и воздушных ЛЭП. Их особенностью является формулировка краевых условий с учетом дистанционных распорок и других конструктивных элементов электроустановок с гибкими проводами. При численном решении уравнений движения проподов используются начальные условия, определяемые из уравнений динамики при условии равенства нулю инерционных и демпфирующих сил.
Достоверность разработанной теории и численных методов подтверждается сопоставлением результатов, полученных методами вычислительного и натурного эксперимента, с данными зарубежных авторов.
Научная новизна и значимость полученных результатов состоит в разработке теории и мегодов расчета динамики токоведущих конструкций с гибкими проводами, которые обеспечивают решение крупної! научно-технической проблемы повышения их электродинамической стойкости, аэродинамической устойчивости и надежности работы электроустановок.
Защищаемая работа является систематизированным изложением теории и численных методов расчета динамики гибких проводов, в основу которых положены векторно-иараметрические уравнения движения гибкой упругой нити. Токоведущие конструкции с проводами представляются системой пространственно расположенных гибких нитей, связанных в заданных точках пролета дистанционными и междуфазными распорками, ответвительнымн зажимами, опорными и поддерживающими конструкциями РУ и воздушных ЛЭП. Впервые поставлены и решены смешанные краевые задачи динамики одиночных и расщепленных проводов сложной пространственной конфшурации с учетом конструктивных элементов РУ и воздушных ЛЭП. Разработаны численные методы для расчета электродинамической устойчивости токоведущих конструкций с проводами электроустановок, а также для исследования пляски и субколебаний проводов воздушных ЛЭП с учетом гасителей их колебаний.
Практическая значимость полученных результатов. На основе разработанной теории и численных мегодов расчета создан пакет КП, пригодный для обоснования выбора токоведущих конструкций РУ и воздушных ЛЭП, стойких к динамическим воздействиям, и постановки вычислительного эксперимента при разработке их новых технических решений.
Основные результаты диссертационной работы применяются в учебном процессе БГПА при чтении лекции по курсу «Электрическая часть электростанций и подстанций», в ходе курсового и дипломного проектирования
Основные результаты диссертации нашли использование н следующих проектных и научно-исследовательских учреждениях:
в Белорусском отделении ВНИПИэнергопром (г. Минск) использованы КП расчета электродинамической стойкости ГО при проектировании ЗРУ 110 кВ Гомельской ТЭЦ-2 и обоснованы с их помощью конструктивные решения;
в институте *Атомтеплозлекіропроект>> (г. Москва) применены КП проверки электродинамической стойкости и механического расчета проводов для оценки возможности сокращения габаритов ОРУ 750 кВ Хмельницкой АЭС и ОРУ 500 кВ Экибастузской ГРЭС-2 за счет применения ограничителей перенапряжения, косых связей и подвесных электрических аппаратов;
благодаря положительному опыту использования указанных выше программ они были внедрены также в институтах «Энерго-сетьпроект» (г. Москва), «Гидропроект» (г. Сапкт- Петербург), ВНИИ электроэнергетики (і. Москва), их отделениях и филиалах в других городах России;
результаты вычислительного эксперимента для динамики РФ в режиме КЗ были переданы рабочей группе 23—02 «Большие токи» СИГРЭ и использованы в рамках международной программы изучения электродинамического действия токов КЗ;
результаты исследования пляски расщепленных проводов применялись НИИ постоянного тока (г. Санкт-Петербург) при разработке компактных воздушных ЛЭП;
в Московских отделах по изоляторам и арматуре ВПО «Союз-электросетьизоляция» (г. Москва) внедрены КП расчета субколебаний расщепленных проводов воздушных ЛЭП;
в ЗАО «Электросетьстройпроект» (г. Москва) проведены многочисленные вычислительные эксперименты с использованием пакета разработанных КП. которые позволили обосновать оригинальные конструкции демпфирующих узлов для распорок-гасителей, существенно снижающие амплитуды субколебаний проводов воздушных ЛЭП в условиях их эксплуатации;
в Корейском электротехнологическом институте (г. Чанг-вон, Южная Корея) результаты диссертационных исследований учитывались при разработке магистральной воздушной ЛЭП 765 кВ.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
уравнения динамики пространственно расположенных проводов, отличающиеся учетом совместного действия произвольно направленных распределенных и сосредоточенных нагрузок;
метод расчета ЭДУ в системе произвольно расположенных в пространстве движущихся проводов, обеспечивающий учет изменения их мгновенного положения и криволинейной формы;
смешанные краевые задачи динамики многопролетных токове-дущих конструкшіи с одиночными и расщепленными проводами при КЗ, позволяющие учесть влияние конструктивных элементов РУ и воздушных ЛЭП и их начального равновесного положения под действием климатических нагрузок;
численный метод расчета электродинамической стойкости то-коведущнх конструкций с гибкими проводами, обеспечивающий устойчивое решение смешанной краевой задачи динамики при различных возможных сочетаниях физико-механических параметров проводов, геометрических размеров электроустановок и [інтенсивностях ЭДУ и климатических нагрузок;
уравнения поступательных и крушлышх колебаний проводов, покрытых односторонним гололедным осадком, позволяющие учесть пейсі пне АДС и АДМ при пляске и рассеяние энергии в проводах;
смешанные краевые задачи динамики проводов воздушных ЛЭП при пляске и субколебаииях, отличающиеся определением краевых условий с учетом динамики распорок, гасителей с упруго-вязкими элементами и опорных конструкций ЛЭП;
численный метод расчета пляски и субколебаний проводов воздушных ЛЭП, позволяющий исследовать способы повышения Их аэродинамической устойчивости путем выбора характеристик и схем расстановки ДР и гасителей колебаний;
численный метод расчета равновесного положения тгжонедущих конструкций с гибкими проводами, обеспечивающий определение начальных условий и их механический расчет при произвольном расположении проводов в различных режимах климатических нагрузок.
Личный вклад соискатели. Диссертационные исследования являются результатом научно-исследовательских работ но динамике гоковедуших конструкций с гибкими проводами, выполняемых в БГПА под руководством или при участии автора. 13 работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит вывод уравнений дннамігки проводов под действием распределенных и сосредоточенных нагрузок при наличии одностороннего гололеда н без него, постановка смешанных краевых задач динамики одиночных и расщепленных проводов под действием ЭДУ и климатических нагрузок, разработка численных методов расчета электродинамической стойкости, пляски, субколебаний и равновесного положения гоковедуших конструкций с гибкими проводами электроустановок.
Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались в институте «Атомтеплоэлектропроект» (г. Москва, 1982 год), на Всесоюзном семинаре «Математические задачи большой энергетики. Повышение надежности механической части ВЛ сверх- и ультравысоких напряжении» (г. Москва, 1983 год), международных конференциях «Математические методы в электроэнергетике» (г. Закопане, Польша, 1988, 1993 годы), «Электроэнергетические системы — эксплуатация п расчет» (г. Вроцлав, Польша, 1988 год), Республиканской научно-практической конференции «Актуальные задачи энергопроизводства и энергопотребления в Белорусской ССР» (г. Минск, 1988 гол), международных симпозиумах «Токи короткого замыкания в электроэнергетических системах» (г. Лодзь, Польша, 1988 год, г. Льеж, Бельгия, 1990, 1994, 1998 годы, г. Варшава, Польша, 1996 год), Всесоюзной конференции «Проблемы моделирования динамических систем» (г. Кишинев, 1990 год), Международной конференции по большим электрическим системам (СИГРЭ) «Компактные воздушные линии» (г. Париж, 1992 год), международных конференциях «Энергетические-системы» (г. Санкт-Петербург, 1994 год), «Новые электрические и электронные технологии и их промышленное применение (г. Люблин, Польша, 1995 год), 38—53 научно-технических конференциях профессоров, преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов Белорусской государственной политехнической академии (г. Минск, 1984—1999 годы); 222-м заседании постоянно действующего семинара «Электрическая часть электростанций» НТО Московского энергетического института (г. Москва, 2000 год).
Пакет КП механического расчета токоведуших конструкций с гибкими проводами электростанций и воздушных ЛЭП экспонировался на Республиканской выставке «Белвузнаука-98. Информационные технологии» (г. Минск, 1998 год).
Опубликовашюсть результатов. Результаты диссертации опубликованы в 70 печатных работах, среди которых монографии, 28 статей » научных журналах, 14 статей в материалах международных конференций и симпозиумов, 7 статей в сборниках, 2 депонированные статьи, 9 тезисов, 4 описания алгоритмов и программ, переданных п Государственный фонд, 1 информационный листок. 4 описания изобретений к авторским свидетельствам. Общее количество страниц опубликованных материалов составляет 676.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из перечня условных обозначений, введения, обшей характеристики работы.
семи глав, заключения, списка использованных источников и приложении.
Общий объем диссертации составляет 328 страниц, из которых 73 страницы заняты 14 таблицами и 110 рисунками, 21 страница --списком использованных источников (226 наименовании) и 36 страниц — приложением.
