Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Разработка новых воздушных линий электропередачи повышенной пропускной способности 16
1.1. Общая характеристика проблемы и постановка задачи 16
1.2. Разработка двухцепных воздушных линий электропередачи нового исполнения 19
1.3. Методика определения расстояний между проводами и их зеркальным отображением относительно поверхности земли новых двухцепных линий электропередачи 31
1.4. Методика определения электрических параметров воздушных линий электропередачи с концентрическим расположением фаз разных цепей 39
1.5. Выводы по главе 49
Глава 2. Анализ результатов исследований электрических параметров воздушных линий электропередачи с концентрическим расположением сближенных фаз разных цепей 51
2.1. Постановка задачи 51
2.2. Оценка индуктивности предлагаемых конструкций линий электропередачи с концентрическим расположением расщепленных фаз разных цепей 54
2.3. Емкость новых воздушных линий электропередачи с концентрическим расположением расщепленных фаз разных цепей 57
2.4. Волновое сопротивление и натуральная мощность воздушных линий электропередачи с концентрическим расположением фаз разных цепей 64
2.5. Выводы по главе 73
Глава 3. Исследование механической прочности новых конструкций воздушных линий электропередачи 76
3.1. Постановка задачи 76
3.2. Методика исследования усилий и размеров элементов предлагаемых конструкций воздушных линий 78
3.3. Исследование внутренних силовых факторов в элементах воздушных линий электропередачи предложенных конструкций 84
3.4. Методика анализа работы элементов новых линий электропередачи в аварийн ом режиме 92
3.5. Возможности применения стеклопластиковых элементов для соединения контуров концентрических конструкций со сближенными проводами расщепленных фаз разных цепей 96
3.6. Выводы по главе.. 100
Глава 4. Оптимизаций конструктивных параметров воздушных линий электропередачи повышенной пропускной способности 102
4.1. Постановка задачи 102
4.2. Математические выражения основных конкурирующих составляющих целевой минимизируемой функции затрат 105
4.3. Определение и анализ относительных изменений затрат составляющих исходной минимизируемой функции. 112
4.4. Выражение исходной функции в критериальной форме. 116
4.5. Определение оптимальных параметров воздушных линий электропередачи методом базовых значений 120
4.6. Определение базовых параметров воздушных линий электропередачи 124 Стр.
4.7. Выводы по главе 126
Глава 5. Технико-экономическая эффективность новых конст рукций воздушных линий электропередачи повышенной пропускной способности 128
5.1. Предварительные замечания 128
5.2. Определение удельных экономических показателей элементов затрат двухцепных воздушных линий электропередачи нового исполнения 129
5.3. Определение капитальных затрат новых воздушных линий электропередачи с концентрическим расположением фаз разных цепей 132
5.4. Выводы по главе... 142
Заключение 144
Литература
- Общая характеристика проблемы и постановка задачи
- Оценка индуктивности предлагаемых конструкций линий электропередачи с концентрическим расположением расщепленных фаз разных цепей
- Методика исследования усилий и размеров элементов предлагаемых конструкций воздушных линий
- Математические выражения основных конкурирующих составляющих целевой минимизируемой функции затрат
Введение к работе
ХХУІ съезд Коммунистической партии Советского Союза определил довести выработку электроэнергии в 1985 году до 1550-1600 млрд.киловатт-часов, ввести в действие линии электропередачи постоянного тока напряжением 1500 кВ Экибастуз-Центр и переменного тока напряжением 1150 кВ Экибастуз-Урал с целью повышения пропускной способности магистральных электропередач и развития Единой энергетической системы страны.
Эти первоочередные задачи подтверждают важность исследований, связанных с совершенствованием, разработкой новых способов и конструкций, обеспечивающих повышение пропускной способности и улучшение технико-экономических показателей линий электропередачи.
Проблема повышения передаваемой мощности существующих и проектируемых линий электропередачи относится к числу главных задач электроэнергетики. Эта проблема тесно связана с решением вопросов продовольственной программы и совершенствования агро-промышлеиного комплекса, на скорейшее решение которых указывалось на ноябрьском (1982 г.) и июньском (1983 г.) Пленумах ЦК КПСС. Необходимость повышения пропускной способности электропередач подтверждается созданием крупных промышленных комплексов, большими затратами, необходимыми на передачу электроэнергии потребителям. Кроме этого большое число линий электропередачи в Европейской части нашей страны, отчуждение сельскохозяйственных земель, а также экологическое воздействие обостряют эту проблему.
В настоящее время наиболее распространенными способами повышения пропускной способности традиционных воздушных линий электропередачи являются увеличение числа цепей, напряжения линий, расщепление фаз, установка продольной и поперечной компенсации, сооружение дополнительных питающих подстанций, введение в элект рическую систему устройств регулирования и др. /3-9/. Все зіи мероприятия требуют значительных дополнительных денежных и трудовых затрат.
В Московском энергетическом институте совместно с отделом энергетической кибернетики АН МССР /10-13, 22, 24, 26, 28/ разрабатываются новые методы повышения пропускной способности воздушных линий электропередачи, сущность которых состоит в сближении проводов расщепленных фаз разных цепей и создании управляемых самок омпен сиру ющихс я воздушных линий (УСВЛ).
Исследования по созданию компактных конструкций воздушных линий электропередачи проводятся в Ленинградском политехническом институте /17, 25, 29, 31/. Это также подтверждает важность и необходимость работ по созданию линий электропередачи повышенной пропускной способности.
Таким образом, проблема повышения пропускной способности линий электропередачи в настоящее время в полной мере не решена. Поэтому вопросы, связанные с созданием линий электропередачи повышенной пропускной способности, являются актуальными на данном этапе развития электрических систем.
Данная диссертационная работа выполнена в плане исследований, проводимых кафедрой "Электрические системы" Белорусского политехнического института по программе работ Госкомитета СССР по науке и технике "Завершить основные работы по формированию Единой энергетической системы СССР на базе создания системообразующих линий электропередачи напряжением 750 и 1150 кВ переменного тока, 1500 кВ и выше постоянного тока" (проблема 0.01.06, 1976-1980 гг.) и плану важнейших работ, координируемых Минвузом СССР и Минэнерго СССР по теме "Разработка методов и средств экономии электроэнергии в электрических системах" ( Экономия электроэнергии"). Приказ Минвуза СССР № 703 от 14- июня 1982 г. (тема ГБ-8І-75, 1981 1985 гг.).
Цель работы заключается в
а) разработке новых воздушных линий электропередачи повышенной пропускной способности;
б) исследовании параметров новых воздушных линий электропередачи повышенной пропускной способности;
в) оценке технико-экономической эффективности новых воздушных линий электропередачи.
Исходя из цели работы в ней ставились следующие задачи:
а) разработать новые конструкции воздушных линий электропередачи, позволяющих передавать по ним мощность, превышающую мощность аналогичных традиционных линий электропередачи;
б) создать методику и алгоритм расчета на ЭВМ электрических параметров новых воздушных линий электропередачи повышенной пропускной способности;
в) усовершенствовать методику оценки механической прочности линий электропередачи с целью использования для новых конструкций воздушных линий электропередачи повышенной пропускной способности;
г) разработать методику оптимизации конструктивных параметров предлагаемых линий электропередачи и оценить возможность ее использования для линий традиционного исполнения;
д) выполнить технико-экономический анализ основных экономических показателей новых линий электропередачи повышенной пропускной способности и оценить эффективность их применения по сравнению с существующими линиями.
При разработке новых технических решений линий электропередачи повышенной пропускной способности выполнены обследования и анализ существующих и разрабатываемых воздушных линий электропередачи в нашей стране и за рубежом. Методика исследований электрических параметров предлагаемых воздушных линий электропередачи со сближенными проводами фаз разных цепей разрабатывалась на основе законов теоретической электротехники и методов линейной алгебры.
При разработке методики оптимизации конструктивных параметров исследуемых линий электропередачи использовались методы теории подобия.
Оценка возможности применения новых конструкций при строительстве воздушных линий электропередачи из условия их механической прочности, выполнялась с использованием методов расчета, основанных на законах сохранения энергии и начала возможных перемещений статически неопределимыми системами.
Исследование экономической эффективности предлагаемых воздушных линий электропередачи повышенной пропускной способности выполнялось методами технико-экономического анализа.
При анализе и расчетах параметров линий электропередачи повышенной пропускной способности широко использовались ЭВМ (язык Фортран) и их математическое обеспечение.
Новые научные результаты, полученные в работе:
- разработаны новые воздушные линии электропередачи с концентрическим и круговым расположением расщепленных фаз разных цепей с улучшенными электрическими параметрами;
- предложены новые схемы соединения проводов расщепленных фаз линий электропередачи, улучшающие надежность электроснабжения потребителей;
- разработана методика определения параметров двухцепных линий электропередачи повышенной пропускной способности с расположением проводов расщепленных фаз по концентрическим поверхностям;
- предложены алгоритм и программа расчета на ЭВМ (язык Фортран) электрических параметров новых линий электропередачи и выполнен анализ характера изменения этих параметров для двухцепных воздушных линий электропередачи 110-500 кВ с концентрическим расположением проводов расщепленных фаз разных цепей;
- усовершенствована методика оценки механической прочности элементов предлагаемых воздушных линий электропередачи с концентрическим расположением расщепленных фаз разных цепей;
- получена на основе методов теории подобия математическая модель оптимизации конструктивных параметров линий электропередачи, основанная на аналитическом представлении составляющих исходной функции, описывающих связь между основными параметрами воздушной линии электропередачи;
- разработана методика определения экономических показателей предлагаемых воздушных линий электропередачи с учетом особенностей их исполнения и выполнен анализ их эффективности по сравнению с линиями традиционных конструкций.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Новые конструкции двухцепных воздушных линий электропередачи, обеспечивающие улучшение электрических параметров и увеличение пропускной способности электропередач, а также схемы соединения проводов фаз, улучшающие надежность электроснабжения потребителей.
2. Методика и алгоритм исследования электрических параметров предлагаемых двухцепных воздушных линий электропередачи повышенной пропускной способности и результаты их анализа.
3. Математическая модель оптимизации конструктивных параметров линий электропередачи, основанная на одном из методов теории подобия - методе базовых значений.
4. Методика определения экономических показателей предлагаемых воздушных линий с концентрическим расположением фаз разных цепей повышенной пропускной способности.
Практическая ценность работы состоит в разработке новых конструкций и схем соединения проводов расщепленных фаз воздушных линий электропередачи и методик, позволяющих:
- создавать принципиально новые конструкции воздушных линий электропередачи, обладающие повышенной пропускной способностью и надежностью электроснабжения;
- исследовать закономерности изменения и величины электрических и конструктивных параметров, а также область применения предлагаемых воздушных линий электропередачи;
- оценивать технико-экономическую эффективность новых самокомпенсирующихся линий электропередачи повышенной пропускной способности по сравнению с воздушными линиями традиционного исполнения.
Разработанные новые линии электропередачи выполнены на уровне изобретений.
Реализация результатов работы
Разработанная автором методика оптимизации конструктивных параметров линий электропередачи, основанная на методе базовых значений искомого параметра, внедрена в тресте "Западэлектросеть-строй" Министерства энергетики и электрификации СССР и Среднеазиатском отделении ВШИ и НИИ "Энергосетьпроект".
Разработанная автором методика расчета опорных элементов, состоящих из изолирующих стеклопластиковых стержней, которые мо гут применяться для жесткого соединения концентрически расположенных контуров предлагаемых линий электропередачи и как изолирующие распорки между проводами и другими конструкциями, внедрена в Латвийском ОКП Северо-Западного отделения ВГПЙ и НИИ "Энергосеть-проект". Суммарный экономический эффект от внедрения результатов работы составил 86,3 тыс.руб. в год.
Предложенные автором методики исследований параметров, технико-экономической эффективности и алгоритмы расчета новых двух-цепных воздушных линий электропередачи внедрены в тресте "Запад-электросетьстрой" Минэнерго СССР с ожидаемым экономическим эффектом по капзатратам 5923 16 тыс.руб. ,по приведенным 966,16 тыс.руб.в год.
Апробация работы- Основные положения диссертации опубликованы в союзных журналах и республиканских научно-технических сборниках, обсуждены и получили положительные отзывы на конференции "Современные проблемы энергетики" (Киев, 1980), республиканском научно-техническом семинаре "Повышение пропускной способности и эффективности электрических сетей в Белорусской энергосистеме" (Минск, 1978), республиканском научно-техническом совещании "Основные направления по рациональному проектированию электрических сетей" (Минск, 1973) и итоговых научно-технических конференциях Белорусского политехнического института (Минск, 1969-1983). Предложенные новые технические решения защищены авторскими свидетельствами.
Публикации. По теме диссертации получено 4 авторских свидетельства на изобретение и опубликовано 17 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из пяти глав, введения и заключения, изложенных на 147 страницах машинописного текста, 39 рисунков, 8 таблиц, списка литературы, включающего 130 наименований и приложения на 4-6 страницах.
Основное содержание работы
Первая глава посвящена обзору и анализу существующих методов повышения пропускной способности линий электропередачи, разработке новых конструкций самокомпенсирующихся воздушных линий электропередачи повышенной пропускной способности и схем соединения проводов расщепленных фаз, улучшающих надежность электроснабжения потребителей.
Предложена методика для определения индуктивности и емкости двухцепных воздушных линий электропередачи с учетом влияния друг на друга сближенных проводов расщепленных фаз разных цепей.
Методика учитывает особенности конструктивного исполнения предлагаемых самокомпенсирующихся двухцепных линий электропередачи повышенной пропускной способности и учитывает изменение положения различных точек провода вследствие его провисания.
Разработаны алгоритмы определения индуктивности, емкости и программа расчета для ЭВМ на языке Фортран предлагаемых двухцепных воздушных линий электропередачи повышенной пропускной способности. Разработанные в первой главе методики, алгоритм и программа позволяют определять параметры двухцепных воздушных линий электропередачи с расщепленными до 30 проводов фазами разных цепей.
Вторая глава посвящена анализу результатов расчета и характера изменения электрических параметров двухцепных воздушных линий электропередачи напряжением 110-500 кВ с концентрическим расположением фаз разных цепей в зависимости от угла сдвига числа проводов расщепленных фаз, их радиуса расщепления и напряжения линии.
Установлено, что с изменением угла сдвига фаз от 0° до 180° индуктивность наружной цепи уменьшается в 1,5-23,1 раза, а для внутренней цепи - в 1,5-3,6 раза при увеличении числа проводов фаз от I до 12.
Показано, что при угле сдвига фаз О = 0°, емкость наружной цепи увеличивается, а внутренней - уменьшается при изменении числа проводов фаз разных цепей от I до 12, а при угле сдвига фаз в = 180° емкость наружной и внутренней цепей предлагаемых воздушных линий электропередачи увеличивается примерно в 3,3-6,3 раза.
Натуральная мощность цепей новых двухцепных линий электропередачи изменяется неодинаково и зависит от числа проводов расщепленных фаз, напряжения линии, а также радиуса расщепления фаз.Показано, что с увеличением числа проводов фаз, натуральная мощность внутренней цепи вначале возрастает, а затем уменьшается. На основании выполненных в работе исследований установлено, что максимального значения мощность внутренней цепи достигает при числе проводов расщепленных фаз равным трем. Натуральная мощность наружной цепи предлагаемых конструкций двухцепных воздушных линий электропередачи с увеличением числа проводов фаз от I до 12 возрастает в 12,2-11,2 раза.
В третьей главе исследована механическая прочность новых конструкций линий электропередачи, обеспечивающих сближение проводов фаз при их концентрическом и круговом расположении.
Разработана методика определения внутренних силовых факторов в элементах исследуемых статически неопределимых конструкциях,основанная на законах возможных перемещений и сохранения энергии.
Для некоторых концентрических и круговых конструкций получены аналитические зависимости для определения внутренних усилий в нормальном и аварийном режимах работы и построены графики изменения этих усилий по контурам конструкции.
Определены размеры и расчетные моменты в опасных сечениях промежуточных опор воздушных линий электропередачи напряжением 110-500 кВ и установлено, что для линий электропередачи, у кото рых фазы расщеплены не более чем на шесть проводов, можно использовать унифицированные стойки опор, а дальнейшее увеличение числа проводов фаз требует применения специальных опор при сооружении воздушных линий новой конструкции.
Разработана методика анализа работы опорных элементов, состоящих из отдельных стеклопластиковых стержней, которые могут применяться для жесткого соединения концентрических контуров, распорок между проводами разных фаз и других аналогичных целей.
Четвертая глава посвящена оптимизации конструктивных параметров предлагаемых и обычных воздушных линий электропередачи.
Усовершенствована методика оптимизации конструктивных параметров, основанная на использовании методов теории подобия. Автором предложены аналитические выражения отдельных экономических составляющих исходной минимизируемой целевой функции вместо эмпирических зависимостей.
В работе получены выражения составляющих исходной минимизируемой функции, определяющие физические и технико-экономические связи между основными параметрами конструкций, включая напряжение линии.
Предложена методика определения базового прлета, основанная на размерной исходной экономической функции, которая состоит только из наиболее важных конкурентноспособных составляющих, что позволяет определять значение базового пролета, близкое к оптимальному. Определены базовые и оптимальные пролеты для некоторых воздушных линий электропередачи новой и традиционной конструкции.
В пятой главе предложена методика оценки эффективности новых линий электропередачи 110-500 кВ повышенной пропускной способности по сравнению с линиями традиционного исполнения.
Разработана методика определения экономических показателей линий электропередачи новых конструкций. Определены удельные по казатели для воздушных линий 110-500 кВ с различными марками проводов.
Определены экономические показатели предлагаемых воздушных линий электропередачи с концентрическим расположением проводов расщепленных фаз цепей с различными марками проводов и тросов.
Установлено, что экономические показатели, характеризующие затраты на единицу передаваемой натуральной мощности, уменьшаются с увеличением номинального напряжения линий. При увеличении числа проводов расщепленных фаз линии электропередачи удельные затраты вначале уменьшаются, а затем несколько увеличиваются. При этом, удельные показатели зависят не только от числа проводов расщепленных фаз, напряжения линии, но и сечения проводов.
Выполнен анализ технико-экономической эффективности новых воздушных линий электропередачи с концентрическим расположением фаз разных цепей по сравнению с традиционными линиями.
Вычислены показатели, характеризующие величину передаваемой по предложенным двухцепным и традиционным линиям электропередачи натуральной мощности на единицу ширины полосы отчуждениям сделан анализ результатов расчета.
Автор выражает искреннюю признательность научному консультанту по диссертационной работе кандидату технических наук, доценту В.Т.Федину за полезные научные консультации и советы при выполнении работы.
Общая характеристика проблемы и постановка задачи
Непрерывный рост нагрузок и присоединение новых потребителей требует изменения параметров электрических сетей с целью повышения их пропускной способности.
Наиболее простым способом повышения пропускной способности линий электропередачи является увеличение их числа цепей или создание параллельных линий. Этот способ требует дополнительных затрат и, как следствие, не улучшает технико-экономические показатели электропередачи. Ту же мощность можно передавать по линии при меньшем числе цепей, но в этом случав необходимо иметь на линии продольную или поперечную компенсацию, что тоже ведет к дополнительным затратам.
Повышение номинального напряжения с целью повышения пропускной способности линий электропередачи связано с дополнительными затратами, необходимыми на изоляцию, опоры и электрооборудование подстанций. По условиям экологии окружающей среды не всегда возможно осуществить перевод воздушной линии электропередачи на болев высокое напряжение.
К числу важных мероприятий по повышению пропускной способности линий электропередачи традиционного исполнения следует отнести и расщепление фаз на несколько проводов, что ведет к уменьшению индуктивного и волнового сопротивлений и увеличению емкости и натуральной мощности линий электропередачи. Однако и этот способ имеет те же недостатки, что и предыдущие, кроме этого при увеличении числа проводов расщепленных фаз усложняется конструкция и увеличивается стоимость линии в целом.
Применение комбинированных способов повышения пропускной способности линий электропередачи (например, одновременное расщепление фаз и установка продольной компенсации) позволяет более эффективно повышать передаваемую мощность по сравнению с предыдущими способами.
Совместное применение последовательной конденсаторной и параллельной индуктивной компенсации на воздушных линиях электропередачи является еще более эффективным способом повышения пропускной способности, но для дальних электропередач требует дополнительных сложных установок и надежной эксплуатации и обслуживания их.
В решении проблемы повышения пропускной способности воздушных линий электропередачи привлекают внимание исследования по созданию самокомпенсирующихся двухцепных линий электропередачи со сближенными фазами цепей /8-13/. По оценке авторов эти линии позволяют увеличивать пропускную способность по сравнению с традиционными линиями того же напряжения примерно на ЦО%,
На основании исследований, выполненных в последние годы в нашей стране, установлено, что одним из перспективных направлений развития способов передачи электрической энергии являются работы в области создания электропередач, способных изменять свои параметры в зависимости от режима работы системы /20-13, 15-20, 22-24, 27/.
Обычно управляемые самокомпенсирующие линии электропередачи содержат несколько цепей, фазы которых могут состоять из одиночных или расщепленных проводов и предусматривают компенсацию реактивного сопротивления и установку регулируемых устройств, автоматически изменяющих параметры по закону, заданному в зависимости от желаемого режима работы электропередачи, необходимой пропускной способности, коэффициента запаса устойчивости и т.д. Такая линия целенаправленно управляется в зависимости от режима передачи электроэнергии и является кибернетическим устройством, требующим для своей нормальной работы специального оборудования. Это ведет к определенным трудностям при строительстве и эксплуатации линии из-за необходимости специальных кадров, обладающих навыками монтажа, настройки и эксплуатации сложных кибернетических устройств /22, 24, 28/.
Из выполненных исследований /22/ следует, что обычные двух-цепныв линии имеют не только меньшую пропускную способность по сравнению с аналогичными самокомпенсирующимися линиями электропередачи со сближенными цепями и фазами или только цепями, но и не поддаются регулированию их параметров из-за отсутствия угла сдвига фаз между цепями. Низкая пропускная способность объясняется тем, что цепи и фазы у обычных линий разнесены на достаточно большие расстояния и их взаимное электромагнитное влияние невелико.
Известные одноцепные компактные воздушные линии электропередачи позволяют увеличивать существенно пропускную способность линий, однако возможность регулирования параметров таких линий затруднена из-за отсутствия сдвига фаз.
Оценка индуктивности предлагаемых конструкций линий электропередачи с концентрическим расположением расщепленных фаз разных цепей
На основании анализа результатов расчетов по определению емкости и проводимости предлагаемых двухцепных линий электропередачи 110-500 кВ установлено, что при увеличении числа проводов фаз от I до 12 и 9 = 0, емкость и проводимость расщепленных фаз, расположенных на внутреннем контуре концентрических конструкций, уменьшаются в 2,5-2,1 раза, а на наружном контуре увеличиваются в 3,8-4,9 раза (см.рис.2,1, 2.3 и табл.2.1). При этом уменьшение указанных характеристик начинается, когда число проводов в фазах достигает трех.
При сдвиге фаз между цепями & = 180 емкость и проводимость фаз внутренней цепи при таком же изменении числа проводов в фазах увеличиваются в 4,6-3,4 раза при радиусе расщепления внутренней фазы RBH = 0,2 м, а наружной - в 6,5-5,2 раза (см.рис. 2.2, 2.3 и табл.2.1). Если же радиус расщепления внутренней фазы увеличить до 1,0 м, показатели, характеризующие увеличение емкости и проводимости для внутренней цепи будут: в 9,0-5,4 раза, а для наружной цепи - в 9,9-8,1 раза (см.табл.2.1).
Таким образом, увеличение радиуса расщепления концентрически расположенных фаз предлагаемых воздушных линий при сдвиге фаз между цепями 6 = 180 позволяет увеличить емкость и проводимость наружной и внутренней цепей.
Изменение угла сдвига фаз между цепями от 0 до 180 неодинаково увеличивает емкость и проводимость новых линий электропередачи, величина которых кроме этого зависит и от числа проводов расщепленных фаз цепей.
В том случае, когда фаза состоит из одного провода, изменение угла сдвига от 0 до 180 воздушных линий 110-500 кВ с концентрическим расположением фаз разных цепей приводит к увеличению емкости и проводимости в 2,0-1,4 раза для наружной и внутренней цепей. Если же фазы расщеплены на 12 проводов, то для внутренней цепи эти характеристики увеличиваются при том жв диапазоне изменения угла сдвига в 23,4-10,7 раза, а для наружной - в 3,4-1,9 раза (см.рис.2.4, 2.5 и табл.2.I).
При изменении радиуса расщепления внутренней фазы от 0,2 до 1,0 м, указанные параметры при одном проводе в фазе увеличиваются в 2,1-1,6 раза для обеих цепей, а для фаз с 12 проводами для внутренней цепи увеличиваются в 14,7-9,5 раза, наружной - в 5,0-2,5 раза (см.табл.2.1).
Нами выполнен анализ изменения величины и характера волнового сопротивления и натуральной мощности в зависимости от числа проводов расщепленных фаз, угла сдвига фаз и радиуса расщепления фаз предлагаемых конструкций воздушных линий электропередачи.
Результаты расчета приведены на рис.2.6-2.10. Установлено, что волновое сопротивление внутренней цепи предлагаемых конструкций воздушных линий электропередачи 110-500 кВ с концентрическим расположением фаз разных цепей при 6 = 0 с увеличением числа проводов до 12 возрастает от наименьшего значения на 43$; натуральная мощность при в = 0 для той же цепи возрастает при увеличении числа проводов фазы до трех на 21,5%, а затем убывает на 44,3% (см.рис.2.6-2.10). Для наружной цепи с увеличением числа проводов расщепленных фаз волновое сопротивление уменьшается в 2,8-3,6 раза, а натуральная мощность увеличивается в 2,7-3,5 раза.
При работе линии электропередачи при угле сдвига фаз цепей 6 = 180 волновое сопротивление цепей уменьшается неодинаково. С увеличением числа проводов расщепленных фаз от I до 12 для наружной цепи оно уменьшается в 12,2-11,2 раза, а для внутренней -в 3,6-2,6 раза для линий 110-500 кВ соответственно, а натуральная мощность цепей увеличивается в тех же пределах (см.рис.2.6-2.10).
Методика исследования усилий и размеров элементов предлагаемых конструкций воздушных линий
Из всех известных и предлагаемых в диссертации конструкций, в которых обеспечивается сближение проводов фаз различных цепей, наиболее сложными являются концентрические конструкции с несколькими круговыми контурами.
В настоящее время в известной литературе имеется только методика исследования работы одиночного кругового контура с симметрично действующими на него внешними нагрузками /53, 54/.
Автором диссертации /58/ разработана методика исследования механической прочности замкнутого кругового контура кабеля с глубоким охлаждением при действии на оболочку электродинамических сил, которая учитывает действие различных по величине, направлению несимметричных нагрузок на круговой контур. Однако и эта методика не может быть полностью применена для концентрических конструкций, состоящих из нескольких круговых контуров, расположенных один внутри другого и связанных между собой изоляционными стержнями, т.к. степень статической неопределимости такой конструкции зависит одновременно от количества контуров и изоляционных стержней, соединяющих эти контура в жесткую конструкцию. Кроме этого, подобные конструкции в условиях применения их на воздушных линиях электропередачи находятся под действием произвольных пространственных нагрузок. В связи с этим возникает необходимость разработки подробной методики анализа жесткости и прочности новых конструкций с целью определения их размеров и оценки технико-экономической эффективности.
На рис.3.I представлена схема концентрической конструкции, состоящей из двух круговых контуров и четырех изоляционных стержней, соединяющих эти контуры в единую жесткую конструкцию. На каждом контуре размещены провода одной расщепленной фазы (изображено по шесть проводов) различных цепей воздушной линии электропередачи.
Исходя из общих законов статики сооружений, можно установить степень статической неопределимости этой конструкции в нормальном и аварийном режимах. В том случае, когда количество контуров конструкции и число изоляционных стержней увеличивается, степень статической неопределимости возрастает по закону пк , где п -степень статической неопределимости одного замкнутого контура, П = 3; к - количество замкнутых контуров концентрической конструкции.
В нормальном режиме на данную конструкцию действуют нагрузки от веса проводов с гололедом Р и давление ветра на провод с гололедом Р2 , которые находятся в одной плоскости, поэтому имеет место плоская задача. Основная схема исследуемой конструкции изображена на рис.3.2. Из основной системы видно, что для исследования жесткости и прочности концентрической конструкции в нормальном режиме необходимо определить все внутренние силовые факторы X., , Х2, ..., Хп, действующие в сечениях стержней основной системы. Для определения неизвестных, действующих в исследуемых сечениях, составляются канонические уравнения метода сил /53, 54/, сущность которых состоит в том, что сечения, в которых прикладываются неизвестные X L внутренние силовые факторы, имеют возможные перемещения друг относительно друга при действии внешних нагрузок и внутренних силовых факторов (см.рис.3.2). Исходя из этого, для п раз статически неопределимой системы, можно записать в общем виде систему канонических уравнений
Используя принцип Сен-Венана /53/ можно представить в более развернутом виде ,+ + ...+ „xn+AYF.=o (3.2) to+te+ +ixn+ = , где SiA t 2 » » n. 61111114111118 перемещения по направлению действия X, , вызванные действием Xf , X2 , ..., Xn , равным единице; Д - перемещения по направлению X. от действия обобщенных внешних нагрузок Ц и т.д. Для решения системы (3.1) или (3.2), необходимо вначале определить коэффициенты и их свободные члены. Наиболее целесообразно определение коэффициентов и свободных членов этих выражений выполнять с помощью интеграла Мора /53, 54 SA где Л1р,Мр,Мр- соответственно, моменты в сечении, где определяется обобщенное перемещение S1 от внешних нагрузок относительно осей X , Y и Z ; NF,QF,Qp - продольная и поперечные силы в плоскости соответствующих осей от действия внешних нагрузок; М. 9М%,№?- соответственно, моменты плоскости осей X » Y » и Z от действия единичного силового фактора; N0 , Q0 ; QjJ - продольная и поперечные силы в плоскости соответствующих осей; К - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения напряжений по сечению; EJK,EJy,GJpiGA- жесткости, соответствующие виду деформации элементов конструкции. Следует отметить, что для конструкций, состоящих из кривых элементов (круговых), величина элементарной длины стержня dZ = Rd(p , где R - средний радиус кривого сечения, dip -- угол от начала отсчета до исследуемого сечения.
После определения коэффициентов и свободных членов системы из них составляется расширенная матрица для исследования значений НбИЗВеСТНЫХ X, Д2 1%п
Математические выражения основных конкурирующих составляющих целевой минимизируемой функции затрат
На основании многолетнего опыта проектирования и строительства воздушных линий электропередачи установлено, что с изменением напряжения линий изменяются длина пролета, высота опор и другие параметры /93-98/. Универсальной методики оптимизации конструктивных параметров линий электропередачи, позволяющей исследовать параметры линии при изменении напряжения электропередачи, профиля трассы, расположения и закрепления проводов расщепленных фаз, пока нет. Обычно оптимизация параметров воздушных линий электропередачи выполняется путем рассмотрения ряда дискретных вариантов. В этом случае практически трудно установить аналитическую связь между отдельными параметрами линии электропередачи, которые влияют на величину искомого оптимального варианта. Этот недостаток особенно проявляется при разработке и исследовании новых конструкций воздушных линий электропередачи.
Данная глава диссертации посвящена разработке методики определения конструктивных параметров предлагаемых воздушных линий электропередачи, подробный анализ которых выполнен в предыдущих главах.
В последнее десятилетие получили развитие методы векторной оптимизации, с помощью которых решаются задачи оптимальной расстановки опор по профилю трассы и многоуровневого синтеза проектных вариантов электрических систем /96, 97/. Эти методы основаны на анализе множества известных вариантов воздушных линий электропередачи, учете большого числа различных факторов и возможного влияния их друг на друга.
Рассматриваемые нами воздушные линии повышенной пропускной способности существенно отличаются от воздушных линий электропередачи традиционного исполнения. Упомянутые выше методы неприемлемы для оптимизации параметров предлагаемых линий электропередачи, т.к. для них отсутствует достаточная информация за определенный период, которая необходима для оптимизации по конструктивным параметрам новых линий электропередачи с помощью этих методов.
Рассмотрение различных методов показало, что для оптимизации параметров линий электропередачи повышенной пропускной способности с успехом могут быть использованы методы теории подобия, которые позволяют при ограниченном количестве исходной информации и некоторой ее погрешности получить приемлемое решение. Эти методы широко используются при решении различных задач энергетики /82-83/. При решении технико-экономических задач наиболее приемлемым из известных методов теории подобия является метод базовых точек или метод относительных единиц /88, 91, 92, 101/.
В данной главе рассматриваются вопросы оптимизации конструктивных параметров новых воздушных линий электропередачи повышенной пропускной способности с использованием методов теории подобия и, в частности, метода базовых значений. Его сущность заключается в нахождении оптимального решения задачи по базовому значению искомого параметра. При этом отыскание минимума расчетных затрат,представленных в абсолютных единицах, заменяется анализом минимума относительного значения затрат. Рассмотрим более подробно эти вопросы.
Применение методов теории подобия для решения различных технико-экономических задач электрических систем дано в работах /82--92/.
Критериальное уравнение для определения оптимального пролета воздушных линий электропередачи получено в работах /92-97/. Одна ко оно не может быть использовано для определения оптимальных пролетов предлагаемых новых линий электропередачи. Это объясняется тем, что исходная целевая функция, из которой получено критериальное уравнение, состоит из эмпирических зависимостей вида 3, = (0 6- ), (4.1) где 3 - приведенные затраты, необходимые на і -й вид работ элемента конструкции воздушной линии электропередачи; оС- - удельный экономический показатель одного из видов работ (изготовление, траснпортировка или монтаж) элемента конструкции линии электропередачи; ahbl7K- основные постоянные, определяемые с помощью построения криволинейной зависимости, устанавливающей связь между изменением массы опоры и пролетом { воздушной линии электропередачи. Выражение (4.1) получено на основании многолетнего опыта проектирования и строительства воздушных линий традиционного исполнения. Предложенные в гл.1 воздушные линии электропередачи повышенной пропускной способности имеют существенные отличия по конструкции расположения и закрепления проводов, опор и фундаментов. Это, в свою очередь, приводит к тому, что выражение в скобках уравнения (4.1) не определяет правильно связи между массой опоры и пролетом для новых воздушных линий электропередачи со сближенными проводами фаз разных цепей.
В данной работе сделана попытка получить исходную целевую функцию, состоящую из отдельных экономических составляющих, представляющих собой строгие математические, физические и технико-экономические связи между искомым параметром и основными габаритами электропередачи.
