автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение эффективности реконструируемых воздушных линий электропередач, подверженных экстремальным метеовоздействиям

На правах рукописи

ШЕВЧЕНКО Наталья Юрьевна

4843832

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕКОНСТРУИРУЕМЫХ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ, ПОДВЕРЖЕННЫХ ЭКСТРЕМАЛЬНЫМ МЕТЕОВОЗДЕЙСТВИЯМ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов - 2011

1 4 АПР 2011

4843832

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет»

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Угаров Геннадий Григорьевич

доктор технических наук, профессор Дрогайцев Валентин Серафимович

кандидат технических наук, профессор Змеев Анатолий Яковлевич

ООО Многоотраслевое производственное предприятие «Энерготехника», г. Саратов

Защита состоится «28 » апреля 2011 года в 13 — часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при Саратовском государственном техническом университете по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет», корп. 1, ауд. 414.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Автореферат разослан «22» марта 2011 г.

Автореферат размещен на сайте Саратовского государственного технического университета www.sstu.ru «28» марта 2011 г.

Томашевский Ю.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Развитие электрических сетей является одним из важнейших показателей уровня электроэнергетики. В России эксплуатируется около 500 тыс. км воздушных линий электропередач (ВЛЭП) напряжением 35 - 1150 кВ. С начала 1990 годов сократились объемы работ по техническому перевооружению и реконструкции сетей, а также все виды ремонтов. Растет доля сетей, срок службы которых приближается к нормативному сроку или даже превышает его. Износ электрических сетей 330 кВ и выше составляет порядка 50%, в том числе ВЛЭП - 40%. Основным показателем технического состояния электрических сетей может служить их средний срок эксплуатации. Для высоковольтных линий на 0.1.01.2006 года он составил: на металлических опорах - 41,6 года; на железобетонных - 30,1 года; на деревянных опорах - 46,4 года. Поэтому реконструкция и техническое перевооружение физически изношенного и морально устаревшего оборудования рассматриваются как приоритетное направление инвестиционной политики в электросетевом строительстве, обеспечивающее повышение технического уровня и экономической эффективности на перспективу. Но реконструкция и модернизация электрических сетей, требует огромных капитальных вложений. Поэтому актуальной задачей остается выбор оптимального варианта реконструкции линий с заданной степенью надежности.

Другой нерешенной проблемой в электрических сетях России является недостаточная пропускная способность ВЛЭП напряжением 220 кВ и выше в ряде регионов России, в результате чего ограничивается использование мощности и электроэнергии некоторых электростанций, снижается надежность электроснабжения потребителей. Актуальной остается задача разработки методов повышения пропускной способности, реконструируемых воздушных линий электропередач с минимальными затратами.

Надежность электроснабжения потребителей зависит от устойчивости работы ВЛ. Как показывает статистический анализ причин повреждения ВЛЭП, основная доля устойчивых отключений воздушных линий происходит из-за различных климатических воздействий. Значительный материальный ущерб приносит аварийно-опасное сочетание гололедно-ветровых нагрузок, охватывающее большие районы. Например, экономический ущерб от гололедных явлений 2010-2011 годов, прошедших в Поволжье, а затем в центральных регионах России составил более одного млрд. рублей.

Для предотвращения снижения надежности ВЛ из-за отрицательного воздействия на них гололедно-ветровых нагрузок в нашей стране и за рубежом уже давно ведутся интенсивные разработки и внедряются различные системы предотвращения гололедно-ветровых аварий на воздушных линиях электропередачи. Значительный вклад в решение этой проблемы внесли многие известные ученые и инженеры: Аллилуев A.A., Аб-

жанов P.C., Будзко И.А., Бургсдорф В.В., Дьяков А.Ф., Дьяков Ф.А., Каверина P.C. Никифоров Е.П., Холодов В.В., Яковлев Л.В. и другие.

Воздушная линия электропередачи, являясь элементом электрической сети, обладает присущими для нее свойствами: динамикой развития, управляемостью, множеством целей функционирования и неопределенностью части исходной информации для исследования которой, требуется системный подход. Эти свойства подразумевают решение задачи оптимизации вариантов реконструкции ВЛЭП по многокритериальной модели. Такая задача оптимизации ранее не решалась.

Разработкой многокритериальных методов принятия решений занимались известные зарубежные ученые: Р. Беллман, Л. Заде, Т. Саати и другие. Среди российских ученых значительный вклад в исследование данной проблемы внесли Березовский Б.А., Брахман Т.Р., Березнев Ю.И., Веников В.А., Венцель Е.С., Левин М.С., Лещинская Т.Б. и другие.

Объект исследований - воздушные линии электропередачи напряжением 220 - 500 кВ, расположенные в сильногололедных районах.

Предмет исследования - критерии оценки эффективности вариантов реконструкции.

Цель диссертационной работы заключается в разработке способов оценки эффективности вариантов реконструкции воздушных линий электропередачи, работающих в экстремальных метеоусловиях.

Задачи исследования:

1. На основе анализа причин отказов воздушных линий электропередачи, установить факторы, снижающие надежность и разработать мероприятия, повышающие эффективность работы воздушных линий электропередачи в сложных метеорологических условиях.

2. Обосновать варианты реконструкции воздушных линий электропередачи, работающих в сложных метеоусловиях, и проанализировать их работу при различных ожидаемых механических нагрузках на провода реконструируемого участка воздушной линии электропередачи напряжением 220 кВ.

3. Разработать методику оптимизации вариантов реконструкции и составить алгоритм решения задачи оптимизации.

4. Сформировать и обосновать систему частных критериев, получить их аналитические модели.

5. Определить оптимальный вариант реконструкции ВЛЭП, с заданной степенью надежности и его технико-экономические показатели.

Методы и средства исследования. В работе использованы методы механического расчета ВЛ, основные положения теоретических основ электротехники, методы многокритериальной оптимизации и теории принятия решений, системный анализ, методы теории вероятностей и математической статистики, численные методы программирования, методы оценки эффективности инвестиционных проектов.

Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается применением для теоретических исследований научных положений теории вероятности, теории надежности, теоретических основ электротехники и корректным использованием статистического материала и подтверждается результатами эксплуатации ВЛЭП энергосистем развитых стран.

Результаты, выносимые на защиту:

1. Методика многокритериальной оптимизации вариантов реконструкции воздушных линий электропередачи, использование которой позволяет обеспечить их максимальную эффективность в экстремальных метеоусловиях с учетом изменения токовой нагрузки.

2. Методика расчета комплексного показателя надежности, позволяющая оценивать варианты реконструкции воздушных линий электропередачи.

3. Система частных критериев эффективности и их аналитические модели, позволяющие прогнозировать конкурентоспособность вариантов реконструкции воздушных линий электропередачи.

4. Результаты решения многокритериальной задачи и технико-экономические показатели.

Научная новизна работы:

1. Определены основные направления реконструкции ВЛЭП, позволяющие проектировать их с заданной степенью надежности.

2. Разработана методика многокритериального выбора оптимального варианта реконструкции воздушных линий электропередач, работающих в сложных метеорологических условиях, отличающаяся от известных учетом климатических нагрузок и технико-экономическим сравнением, позволяющая проектировщикам разрабатывать линии с заданным уровнем надежности электроснабжения.

3. Предложены и теоретически обоснованы критерии эффективности: комплексный показатель надежности, отражающий безотказность, долговечность и ремонтопригодность; критерий экономичности, учитывающий системный эффект от внедрения мероприятий, повышающих эффективность работы ВЛЭП, индекс доходности, срок окупаемости и рентабельность производства; и критерий технической эффективности и безопасности, учитывающий увеличение пропускной способности и снижение потерь электроэнергии.

4. Разработана методика определения комплексного показателя надежности, позволяющая оценивать эффективность мероприятий, повышающих надежность воздушных линий электропередач.

5. Разработана методика определения критерия технической эффективности и безопасности, позволяющая оценивать энергетическую эффективность и пропускную способность ВЛЭП.

6. Разработана методика определения критерия экономической эффективности, позволяющая оценивать конкурентоспособность вариантов реконструкции на интервале в несколько лет.

Практическая ценность работы.

1. Предложенные алгоритмы расчета могут быть использованы для разработки и оценки проектов реконструкции ВЛЭП высокого напряжения.

2. Программные модули для расчетов и построения зависимости тя-жений и стрел провеса проводов от различных климатических нагрузок и для определения показателей экономической эффективности могут использоваться в учебном процессе по специальности «Электроснабжение».

Реализация результатов работы. Разработанная методика многокритериального выбора оптимального варианта реконструкции ВЛЭП принята и используются Волго-Донским предприятием магистральных электрических сетей филиала ОАО «ФСК ЕЭС» МЭС Центра при выполнении реконструкции ВЛЭП 220 кВ. Теоретические положения, полученные в диссертационной работе, нашли применение в учебном процессе КТИ (филиал) ВолгГТУ по специальности «Электроснабжение».

Апробация работы.

Основные положения и теоретические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научных и всероссийских научно-практических конференциях: V Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин, 2008); IV Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2009); VI Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин, 2009); VII Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, в том числе 3 в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, 6 приложений и списка литературы. Работа изложена на 163 страницах. Основная часть содержит 133 страницы машинописного текста, 29 рисунков и 47 таблиц. Список использованных источников включает 124 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель, новизна основных результатов и практическая ценность исследований, изложены основные положения, выносимые на защиту. Дается аннотация содержания работы по разделам и структура диссертации. Указаны апробации полученных результатов.

Первая глава диссертационной работы посвящена анализу проблем снижения надежности воздушных линий электропередачи напряжением 220-500 кВ. Анализируются требования правовых и технических документов к надежности электрических сетей. Выявлены недостатки нормативных документов по показателям надежности электроснабжения: не нормированы число и длительность перерывов, не утверждена удельная стоимость компенсации от ущерба, что препятствует реализации экономического механизма управления надежностью электроснабжения потребителей при заключении договоров.

Рассмотрены основные факторы, определяющие развитие электрических сетей: динамика развития электрических нагрузок; техническое состояние электрических сетей; величина потерь электроэнергии. Показано, что реконструкция и техническое перевооружение являются приоритетными направлениями инвестиционной политики в электросетевом строительстве. До 2020 г. реконструкции подлежат примерно 20 тыс. км ВЛЭП 220 кВ и выше. В ряде регионов, включающих 16 областей, надежность электроснабжения потребителей снижается из-за недостаточной пропускной способности ВЛ 220 кВ. На основе анализа состояния ВЛЭП установлено, что современный уровень отказов превышает уровень 60 - 70 годов прошлого века в 1,9-2,0 раза и обусловлен старением материалов и климатическими воздействиями. По количеству отказов на первом месте стоят провода (37-52%), затем изоляторы (23-31%), опоры (9-13%), арматура (34%). По тяжести отказов на первом месте - опоры, затем провода, арматура, изоляторы. Доказано, что большую опасность для ВЛЭП представляют гололедно-ветровые нагрузки. Дается анализ причин отказов элементов воздушных линий электропередачи и предлагается комплекс факторов для повышения надежности ВЛЭП. В работе основное внимание уделено современным технологиям и материалам, повышающим эффективность ВЛ. Проанализирован мировой опыт использования проводов с повышенной на-гревостойкостью и пониженной усадкой для повышения пропускной способности и увеличения механической прочности воздушной линии. Дана многокритериальная оценка применения металлических многогранных опор.

Повышение эффективности работы воздушных линий электропередачи в сложных метеорологических условиях предложено реализовать на основе оптимизации вариантов их реконструкции по многокритериальной модели. В заключении главы сформулированы задачи исследования, решаемые в диссертационной работе.

Во второй главе сформулирована научно-техническая задача. На основе анализа функций эксплуатационного коэффициента запаса прочности «3 = /(<т,,;,/„,;,/,/0) и стрелы провеса /х = (С;^;«;5„;£;£) составлены варианты реконструкции ВЛЭП: замена металлической решетчатой опоры на многогранную; повышение высоты опоры; уменьшение габаритного пролета, путем подстановки дополнительных опор в середине пролета для

7

вариантов с металлической решетчатой и многогранной опорах; замена провода АС с увеличенной стальной частью; увеличение сечения провода; замена сталеалюминиевого провода на провод с гладкой поверхностью типа Аего-г; замена провода АС на высокотемпературный провод типа ТАСБЯ; замена провода АС на высокотемпературный с зазором типа СТАС8Я. В качестве стратегии повышения надежности линии выбрана частичная реконструкция участков линии, сильно подверженных гололедно-ветровым воздействиям. Сформулированы условия формирования факторов экстремальных механических метеорологических воздействий и определены их параметры для предложенных вариантов реконструкции на примере участка ВЛ 220кВ, расположенного в Камышинском сетевом районе. Так как существующая линия проектировалась согласно ПУЭ-6, предложены к рассмотрению два пути повышения проектной надежности: увеличение периода повторяемости климатических нагрузок до 25 лет (р=0,96) согласно ПУЭ-7 и до 50 лет (р=98), согласно рекомендаций СИГРЕ. Получены зависимости тяжений и стрел провеса проводов от значений температуры воздуха Т = П'(°); скорости ветра Т = Ду); толщины стенки отложений различных видов (измороси; чистого гололеда) Т = ЯЬГ) и гололедных отложений в сочетании с ветром для двух периодов повторяемости нагрузок. Анализ расчетов показал, что ветровые воздействия на провода не являются аварийно-опасными. При увеличении скорости ветра из-за лучшего охлаждения провода можно увеличивать предельные токовые нагрузки.

Тяжения растут при понижении температуры и приближаются к критическим значениям при достижении температуры воздуха -40° С для варианта с уменьшенным габаритным пролетом до 100м (опора ММО) рис. 1а и для провода АЕЯО-г рис. 16 и при достижении температуры воздуха -50° С для варианта с уменьшенным габаритным пролетом до 150м рис. 1а (опора МРО). Для остальных вариантов реконструкции температурные воздействия на провода в диапазоне от -50 до +50 С не являются ава-рийноопасными, но при температуре +40°С лимитирующим моментом является габарит провода (рис.2). Следовательно, пропускная способность по току уменьшается.

При воздействии на провода отложений в виде чистого гололеда без ветра (при I = -5° С) при изменении толщины стенки от 25 до 35мм (Т = 25 лет) и от 33 до 38мм (Т = 50 лет) и при возникновении отложений в виде измороси при изменении толщины стенки от 55 до 70 мм (Т = 25 лет) и от 70 до 80 мм (Т = 50 лет) возникает опасность аварии. Наибольшую опасность представляют отложения с ветром (рис. 3,4).

-40

-20

0

t, град

20

40

1 - T.,.»,; 2 - Т»о,; 3 - Т (опоры ММО, njxvjieT уменьшенный в 2 jvmV, 4- Т{ МРО, пролет уuciiuiicuitw« в 2 ргш); 5 - Попори ММО); б - T^oiiopuMl'O); 7-Т {опориМРО. увеличенной высоты)

-50

-20

•10

t. «рад

^ -Т1а,(АС-400/51); 2 -Xvm(AC-30G/66); 3 -T„„(Aero-Z 366 ); I -T„,{GTACSR 310); 5 -T.MI(TASR 300/516 -T;iet,(ЛС-ЗСЮ/ЗУ); 7 - T {Лего-Z 366); 8 - T (АС-300/66), 9 - T (ЛС-400/51); 10- T(TASK300/S1 ); 11 - TiGTACSR 310); 12 - Т(ЛС-ЗООШ)

Рис.1. Зависимость полного тяжения в проводах при изменении температуры воздуха при Т=25 лет для вариантов реконструкции: а) с заменой опор; б) с заменой проводов

Стрела провеса при изменении температуры (провод АС 300/39)

Стрела провеса при при замене проводов на опоре МРО

S

I «

! v 1

!

✓

ч 1

1 ✓

„ - - ....

_ .... -г " i - N

I - fi* (опоры МРО увеличенные); 2 - расчетное значение; 3 - г'.л (опоры МРО); 4 - |'|МСЧ (опоры МРО); 5 - U (опоры ММО); 6 - Г,«,(опоры ММО); 7- I',«, (умении. пролет, МРО); 8 - (г«* (умении, пролет, ММО)

1 ! 1 i I

--

---

\ _б_

Щ

\ -

i |

50 70 I. град

МО ПО 150

I - f,,«(oiюры МРО); 2 - fie„ (АС 300/3'.>); 3 - Г|и„( АС 400/51 ); 4 - (АС 300/66); 5-f1<C4(rACSK300/5U; б- ^{GTACSR 310); 7 - f|«c4 (Aufo-Z 366)

Рис. 2. Зависимость стрелы провеса проводов от температуры воздуха при Т=25 лет для вариантов реконструкции: а) с заменой опор; б) с заменой проводов

Гололедно-ветровая нагрузка (провод АС 300/39, плотность гололеда 250 кг/м3)

3 10000

* 3000

? 8000 i

* 7000

7 6000

« SGGÛ а

~ 4000

I 3CCQ

zoso

Гололедная нагрузка (провод АС 300/39, плотность гололеда 300 кг/м3)

! а

j

<<

!

-

i

.......> V

M

1

1 1

1 - ТМ1 АС 300/39); 2 - Г (ММО, пролег умен, в 2 рай); 3 - Т(МРО, пролег умен, в 2 раза); 4 -1 {ММО); 5 - Т <МРО);\ б - Т (МРО, уислнченной высоты)

а б

Рис. 3. Гололедно-ветровая нагрузка для вариантов реконструкции при Т=25 лет с заменой опор: а) с отложениями в виде измороси; б) в виде чистого гололеда

Гололедно-ветровая нагрузка (опоры МРО, плотность гололеда 250 кг/м5)

Гололедно-ветровая нагруака (опоры МРО, плотность гололеда 600 кг/м3)

12000 т

I - Tam (АС-400/51); 2 -Tam(AC-300/66); 3 - Ta^iAcro-Z 366 ); 4 - Tim(GTACSR 310); 5 -Tja,(TACSR ); 6- Tf (GTACSR 310): 7- Tr (AC-400/51);

8 - Tt(AC-300/66); 9 -XO'ACSl! ACS); 10-7,(АС-ЗИЮ9); 11 -T,(Acro-Z 366); 12 - Тта1 (AC-300/39)

а б

Рис. 4. Гололедно-ветровая нагрузка для вариантов реконструкции с заменой проводов а) с отложениями в виде измороси; б) в виде чистого гололеда при Т=25 лет

Наибольшей надежностью обладают варианты с уменьшенным пролетом у опоры ММО (рис. 3), и при замене провода АС на провод Aero-Z (рис. 4).

Предложен комплексный показатель надежности, отражающий свойства безотказности, долговечности и ремонтопригодности:

^иек ^ пек Д if

ЧЧ A i Qn t

р чех чех гЛ исх ¿7=1

(1)

где кп - механический коэффициент запаса прочности, равный отношению предельной толщины стенки гололеда Ь„ к расчетной до реконструкции Ь,;, Ат - снижение потокоотказов; Д/,- уменьшение времени восстановления поврежденного участка; дЦ - увеличение долговечности линии по сравнению с исходным вариантом;/г„- частные критерии показателя надежности. Разработана методика и предложен алгоритм определения комплексного показателя надежности: выбор исходных данных до реконструкции; требования к разработке после реконструкции; разработка мероприятий по повышению надежности; построение зависимостей тяжений проводов от температуры воздуха, скорости ветра и отложений различных видов с ветром и без ветра и определения по ним значения коэффициента прочности проводов; выбор и обоснование критериев оценки эффективности мероприятий; результаты расчета показателя надежности.

Установлено, что наибольшей надежностью по техническим параметрам обладают варианты с многогранными металлическими опорами с уменьшенным и габаритным пролетами. На третьем месте по комплексному показателю надежности стоит вариант реконструкции с применением композитного провода типа Аего-г.

В третьей главе сформулирована цель системного анализа, предложен алгоритм определения оптимального решения по многокритериальной модели, включающий: обоснование цели и требования к разработке; выделение объекта разработки; постановка задачи; обоснование и выбор системы частных критериев; формирование альтернативных решений; формулировка стратегии достижения целей; оценка климатических нагрузок; анализ изменения токовой нагрузки; расчет матриц значений частных критериев; выбор оптимального решения; принятие решения; технико-экономические показатели выбранного варианта реконструкции.

Можно выделить три основные цели ВЛЭП: бесперебойное обеспечение потребителей электроэнергией; минимальная себестоимость передачи электроэнергии; передача максимальной мощности с минимальными потерями. На основе анализа целей функционирования ВЛЭП выбраны и обоснованы частные критерии оценки вариантов реконструкции: критерий надежности электропередачи Г„, экономичности Г,к, технической эффективности и безопасности Гтех-эф- Составлены их аналитические модели.

Критерий надежности имеет вид

/„=-,,,„ (2) р цех * 1/сх г-*1 цех <:/-!

Пути повышения надежности требуют дополнительных затрат, что позволяет снизить ущерб, возникающий при нарушении надежности электроснабжения. Соизмерение затрат и результатов дает ответ о целесообразности методов и уровне обеспечиваемой надежности.

В качестве критерия экономичности принят комплексный показатель, отражающий экономическую эффективность с разных сторон:

/„ =ЯЧДДЛтТт:) ^тах; (3)

Чистый дисконтированный доход (тыс. руб.):

Г II »1

] Иц, ■ а1'1 шах.

г=| 1=1

(4)

Рентабельность производства (%): <у4 = Я = —> шах, (5)

I*.

1=0

где Пв, - валовая прибыль по годам расчетного периода Т, тыс. руб./год,

г

£ К, - стоимость производственных фондов, тыс. руб.

Индекс доходности (руб./руб.) q2 = ИД = 4M- щах.

(6)

Срок окупаемости (лет): = Тж -»min,

Критерий экономической эффективности примет вид

ЧЩт ИДи • Ток Лтм 4 ^ ' где а - коэффициент важности частных критериев qr

Важным показателем функционирования BJI является передача электроэнергии с минимальными потерями. Техническая эффективность работы BJI зависит от ее пропускной способности по току 1пр. Но при протекании большого тока увеличивается стрела провеса f, следовательно, уменьшается безопасность работы линии. Поэтому стрела провеса служит ограничением. Другим ограничивающим фактором являются минимальные потери электрической энергии в линии. Передачу электроэнергии с минимальными потерями можно оценивать энергетическим коэффициентом р

——^ . Предельная токовая нагрузка, определяемая при условии сохранения нормированных вертикальных расстояний между проводом и землей является функцией следующих величин:

/пред =f( I , honp, F, tn v, s, а, E, p ) при fx < /[га(; адоп > cx, (8)

где / - длина пролета; honp - высота опоры; F - сечение провода; tn - температура провода; v - скорость ветра; г - относительное удлинение провода при растяжении; а - температурный коэффициент относительного удлинения; Е - модуль упругости провода, р - удельное сопротивление материалов провода, сдоп- допустимое напряжение в проводе.

Пропускную способность по току будем характеризовать относительным коэффициентом (кратность увеличения токовой нагрузки)

^=7=^. (9)

доп

Обобщенный коэффициент показателей технической эффективности и безопасности определяется умножением энергетического коэффициента и относительного коэффициента пропускной способности. Тогда локальный критерия технической эффективности и безопасности примет вид

/„«»,/, =(><теХэффе« = Кэтг><про„-*™Х / < /J. (10)

Согласно выражению (8) возможны следующие варианты увеличения пропускной способности ВЛЭП по току:

1. При реконструкции действующих ВЛ без замены провода уменьшение стрелы провеса создается за счет сокращения длины пролета при подстановке промежуточных опор 1пред= £ (Дп, /).

2. При замене опор на более высокие /пргд=/(1„, /гопр).

3. При замене проводов действующей ВЛ на провода с большим сечением алюминия /пред = /0п» Ра)-

4. При замене проводов действующей ВЛЭП на провода с меньшим температурным коэффициентом удлинения провода -а и большим значением . Рассмотрены следующие варианты реконструкции:

а) замена проводов действующей ВЛ на провода с большим сечением стали (АС300/66).

б) Замена проводов действующей ВЛ на специальные типы проводов: СТАС5И 310, ТАСЗШАСБ 300/50, Аего-2 366-2г.

Кратность увеличения токовой нагрузки для разных вариантов реконструкции при повторяемости климатических нагрузок 25 и 50 лет, представлена в табл. 1.

Так как локальные критерии рассчитаны с учетом изменения токовой нагрузки, то целевая функция оптимизации приведена к виду

П III

*»=2>Л>-*тахдХ/';=1. (П)

/-1 ^

где Гт - математического ожидания оценочного функционала: Р, - вероятность изменения токовой нагрузки; ш - число рассматриваемых изменений; ^ - значение оценочного функционала при /' темпе роста нагрузки.

При свертке критериев в единый оценочный функционал применят

лась мультипликативная свертка: ^ = П Л ■

Таблица 1

Кратность увеличения токовой нагрузки

Марка провода Пролет /, м А проп

Т = 25 лет Т = 50 лет Т = 25 лет Т =5 0 лет

Уменьшение пролета между промежуточными опорами

АС 300/39 150; 100 120; 80 2,03 2,05

Увеличение высоты опоры

АС 300/39 350 290 1,48 1,72

Замена проводов без замены опор

АС400/51 300 240 2,44 2,44

АС 300/66 300 240 2,02 2,04

СТАС8К310 300 240 3,2 3,6

ТАС5 Я/АС5-300/50 300 240 2,42 3,2

Аего-2 366-2г 300 240 1,89 2,05

В четвертой главе проанализированы статистические данные по электрическим нагрузкам ВЛ 220 кВ в предшествующий период и спрогнозировано развитие электрических нагрузок по нормальному закону распределения. Сравнительный анализ вариантов реконструкции по трем критериям показал, что наибольшей надежностью обладает вариант реконструкции с заменой металлических решетчатых опор на многогранные с уменьшением промежуточного пролета в два раза (четвертый), наибольшей технической эффективностью и безопасностью - вариант с заменой провода АС на высокотемпературный типа СТАС8Я без замены опор (восьмой), а экономической эффективностью - вариант с заменой провода АС на Аего-2 без замены опор (седьмой) при повторяемости климатических нагрузок Т = 25 лет, а при Т = 50 лет - вариант реконструкции с заменой металлических решетчатых опор на многогранные (первый). Оптимальное решение должно принадлежать зоне компромисса. Выбор оптимального решения многокритериальной задачи с неопределенной информацией произведен по критерию Байеса при мультипликативной свертке. Расчет показал, что оптимальным считается вариант реконструкции с заменой металлических решетчатых опор на многогранные с уменьшением промежуточного пролета в два раза (четвертый) при повторяемости нагрузок Т = 25 лет, а при Т = 50 лет - вариант реконструкции с заменой металлических решетчатых опор на многогранные (первый). Показатели эффективности оптимальных вариантов для двух периодов повторяемости представлены в табл.2

Таблица 2

Показатели эффективности оптимальных вариантов реконструкции

Показатели Единицы измерения Исход ный вариант Оптимальные варианты реконструкции

№4 №1

Период повторяемости климатических нагрузок лет 10 25 50

Вероятность безотказной работы o.e. 0,9 0,96 0,98

Надежность принятых расчетных нагрузок (увеличение) o.e. (раз) 0,025 0,2396 (9.6) 0,493 (19,7)

Капитальные вложения в 10 км ВЛЭП млн. руб. - 32,361 23,987

Системный эффект от снижения ущерба млн. руб. - 27,45 50,91

Чистый дисконтированный доход млн. руб. - 178,479 403,146

Индекс доходности руб. / руб. - 4,14 12,63

Срок окупаемости лет - 1,5 0,6

Увеличение пропускной способности раз 1 2,03 2,06

Увеличение механической прочности раз 1 1,8 1,65

Параметр потока отказов отк. /100 км 0,074 0,022 0,024

Нормативный срок службы лет 30-35 50-70 50-70

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ статистических данных по устойчивым отключениям ВЛЭП и установлены факторы, снижающие их надежность: климатические воздействия (38%), посторонние вмешательства, старение оборудования, снижение пропускной способности. Выявлено, что уровень отказов воздушных линий электропередачи за последние сорок лет возрос в 1,9-2 раза. В качестве мероприятий, повышающих эффективность ВЛЭП, предложено реконструировать участки линии, наиболее подверженные климатическим воздействиям, используя современные высокотехнологичные материалы и конструкции проводов, опор и изоляторов.

2. Обоснованы варианты реконструкции воздушной линии электропередачи за счет сокращения пролета в два раза; замены существующих опор на металлические многогранные без сокращения промежуточного пролета и с сокращением в два раза; замены опор на более высокие; замены провода АС на композитные типа АЕЯО-г и высокотемпературные провода ОТАЗИ. и ТАБЯ; на АС с увеличенным сечением алюминиевой или стальной части провода.

Анализ ожидаемых механических нагрузок на провода участка ВЛЭП для двух периодов повторяемости климатических нагрузок Т = 25 лет иТ = 50 лет показал, что температурное и ветровое воздействия, как правило, не являются аварийноопасными. При воздействии на провода отложений с ветром опасность аварии возникает как при чистом гололеде, так и при измороси. Наибольшей надежностью обладают варианты с многогранными опорами при уменьшенном в два раза пролете и вариант с проводом АЕЯО-г.

3. Разработана методика многокритериального выбора оптимального варианта реконструкции воздушных линий электропередач, работающих в сложных метеорологических условиях, отличающаяся от известных учетом климатических нагрузок и технико-экономическим сравнением, позволяющая проектировщикам разрабатывать линии с заданным уровнем надежности электроснабжения.

Составлен алгоритм решения многокритериальной задачи, включающий: обоснование цели и требования к разработке; выбор системы частных критериев и формирование альтернативных решений; расчет ожидаемых механических климатических нагрузок; выбор модели и метода принятия решения; подготовку данных для оценки ранжирования альтернатив по критерию Байеса-Лапласа с учетом изменения токовой нагрузки; обоснование принятия решения и технико-экономические показатели оптимального варианта.

4. Сформулированы и обоснованы частные критерии оценки вариантов реконструкции: критерий надежности электропередачи, экономичности, эффективности и безопасности и получены их аналитические модели.

Предложены: комплексный показатель надежности, отражающий свойства безотказности, долговечности и ремонтопригодности; комплексный показатель экономичности, учитывающий снижение системного ущерба от внедрения мероприятий по повышению надежности ВЛЭП, чистый дисконтированный доход, срок окупаемости, индекс доходности, рентабельность производства; и комплексный показатель технической эффективности и безопасности, отражающий повышение пропускной способности и снижение потерь мощности. Разработаны методики определения комплексных показателей надежности, технической эффективности и безопасности. Доказано, что предложенные критерии оценки эффективности вариантов реконструкции полностью характеризуют бесперебойность обеспечения потребителей электроэнергией, минимальную себестоимость передачи электроэнергии, передачу максимальной мощности с минимальными потерями. Для определения оптимального варианта реконструкции указанные критерии объединены в целевую функцию.

5. Определены оптимальные варианты реконструкции ВЛЭП с разной степенью надежности. При повторяемости нагрузок Т = 25 лет (р = 0,96) оптимальным считается вариант с заменой металлических решетчатых опор на многогранные с уменьшением промежуточного пролета в два раза. Системный эффект от внедрения мероприятий при средней токовой нагрузке составил 27,45 млн. руб. в год. При Т = 50 лет (р = 0,98) - вариант реконструкции с заменой металлических решетчатых опор на многогранные без сокращения пролета, системный эффект - 50,91 млн. руб. в год.

Список опубликованных работ по теме диссертации: В изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ

1. Шевченко, Н.Ю. Анализ концепций развития воздушных линий электропередачи 110-500 кВ, работающих в сложных метеоусловиях / Н.Ю. Шевченко, Ю.В. Лебедева, Г.Г. Угаров, А.Г. Сошинов // Электрооборудование: эксплуатации и ремонт. - М., 2010. -№12 - С. 8-12.

2. Шевченко, Н.Ю. Анализ прогнозируемых механических нагрузок на провода реконструируемого участка воздушной линии электропередачи / Н.Ю. Шевченко // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. - 2010. - №4 (110). - С. 66-72.

3. Шевченко, Н.Ю. Совершенствование системы тарифообразования на электрическую энергию / Н.В. Гусева, Н.Ю. Шевченко, А.Г. Сошинов, Ю.В. Лебедева // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. - 2010. - №5 (1) - С. 277-280.

В центральных научных периодических изданиях

4. Шевченко, Н.Ю. Методика выбора технических мероприятий по повышению надежности ВЛЭП в экстремальных метеоусловиях / Н.Ю.

Шевченко, Ю.В. Лебедева, А.Г. Сошинов // Известия Волгоградского технического университета. - 2009. - №7. - Вып. 2. - С. 77-80.

5. Шевченко, Н.Ю. Многокритериальная оптимизация вариантов реконструкции ВЛЭП, работающих в экстремальных метеоусловиях / Н.Ю. Шевченко, Ю.В. Лебедева, А.Г. Сошинов // Современные проблемы науки и образования. - 2010. - №6 - С. 102-105.

6. Шевченко, Н.Ю. Внедрение автоматизированной системы наблюдения за гололедом в Камышинских электрических сетях / Н.Ю. Шевченко, А.Г. Сошинов, Ю.В. Лебедева, Н.П.Хромов // Современные проблемы науки и образования. - 2009. - №5 - С. 127-132.

Прочие публикации

7. Шевченко, Н.Ю. Выбор критериев сравнительной технико-экономической эффективности проектирования и строительства электрической сети / Н.Ю. Шевченко, Ю.В. Лебедева // Инновационные технологии в обучении и производстве: матер. V Всерос. науч. пр. конф.: в 3 т. / КТИ (филиал) ВолгГТУ. - Камышин, 2008. Т. 1. - С. 227-230.

8. Шевченко, Н.Ю. Эффективность конструкции элементов ВЛЭП, противодействующих экстремальным метеовоздействиям / Н.Ю. Шевченко, Ю.В. Лебедева // Инновационные технологии в обучении и производстве: матер. V Всерос. науч. пр. конф.: в 3 т. / КТИ (филиал) ВолгГТУ. -Камышин, 2008. Т. 1. - - С. 232-236.

9. Шевченко, Н.Ю. Новые технологии для улучшения физико-механических свойств проводов линий электропередач / Н.Ю. Шевченко, Ю.В. Лебедева // Материалы и технологии XXI века: VII Международная научно-техническая конференция / Приволжский дом знаний. - Пенза, 2009.-С. 155-156.

10. Шевченко, Н.Ю. Технико-экономическое сравнение вариантов строительства ВЛЭП / Ю.В. Лебедева, Н.Ю. Шевченко И Энергетика в современном мире: матер. IV Всерос. науч.-практ. конф. / ГОУ ВПО «ЧитГУ», Филиал ОАО «МРСК Сибири» - «Читаэнерго». - Чита, 2009.-Т. 1.-С. 258-264.

11. Шевченко, Н.Ю. Применение многогранных металлических опор для повышения надежности работы электросетей / Н.Ю. Шевченко, Ю.В. Лебедева, А.Г. Сошинов // Тинчуринские чтения: матер, докл. IV Между-нар. молодежной науч. конф.: в 4 т. / ГОУ ВПО Казан, гос. энерг. ун-т [и др.]. - Казань, 2009. - Т. 1. - С. 39-41.

12. Шевченко, Н.Ю. Повышение сетевой надежности путем применения современных типов изоляторов / Н.Ю. Шевченко, Ю.В. Лебедева, А.Г. Сошинов // Тинчуринские чтения: матер, докл. IV Междунар. молодежной науч. конф.: в 4 т. / ГОУ ВПО Казан, гос. энерг. ун-т [и др.]. - Казань, 2009.-Т. 1. - С.37-39.

13. Шевченко, Н.Ю. Повышение пропускной способности электрической сети / Н.Ю. Шевченко, Ю.В. Лебедева, К.Н. Бахтиаров // Проблемы

электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: сб. тр. Между-нар. н.-т. конф.: в 3 т. / Тольяттинский гос. ун-т. - Тольятти, 2009 - Т. 1. -С. 319-322.

14. Шевченко, Н.Ю. Системный подход к повышению надежности и эффективности работы ВЛЭП I Н.Ю.Шевченко, Ю.В.Лебедева, А.Г.Сошинов // Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов: сб. тр. междунар. н.-т. конф. студентов, магистров, аспирантов I Тольяттинский гос. ун.-т. - Тольятти, 2009. - С. 54-56.

15. Шевченко, Н.Ю. Многокритериальная оценка опор линий электропередачи / Н.Ю. Шевченко, Ю.В. Лебедева, А.Г. Сошинов // Проблемы электроэнергетики: сб. науч. тр. / Сарат. гос. техн. ун-т. - Саратов, 2009. -С. 46-49.

16. Шевченко, Н.Ю. Экономическая эффективность инвестиций, направляемых на повышение надежности ВЛЭП в экстремальных метеоусловиях I Ю.В. Лебедева, Н.Ю. Шевченко, А.Г. Сошинов // Проблемы электроэнергетики: сб. науч. тр. / Сарат. гос. техн. ун-т. - Саратов, 2009 - С. 110-114.

17. Шевченко, Н.Ю. Некоторые аспекты многокритериального моделирования реконструкции воздушной линии электропередачи / Н.Ю. Шевченко, Ю.В. Лебедева, Г.Г. Угаров, А.Г.Сошинов // Инновационные технологии в обучении и производстве-, матер. VI Всерос. науч.-практ. конф.: в 3 т. / КТИ (филиал) ВолгГТУ. - Камышин, 2009. - Т. 2. - С. 110-114.

18. Шевченко, Н.Ю. Анализ применения интегральных критериев экономической эффективности инвестиционных проектов в электроэнергетику / Н.В. Гусева, Н.Ю. Шевченко, Ю.В. Лебедева // Инновационные технологии в обучении и производстве: матер. VI Всерос. науч.-практ. конф.: в 3 т. / КТИ (филиал) ВолгГТУ. - Камышин, 2009. - Т. 2. - С. 45-46.

19. Шевченко, Н.Ю. Варианты увеличения нагрузочной способности действующих воздушных линий по току / Н.Ю. Шевченко, Ю.В. Лебедева, А.Г. Сошинов // Проблемы электроэнергетики: сб. науч. тр. / Сарат. гос. техн. ун-т. - Саратов, 2010 - С.80-84.

20. Шевченко, Н.Ю. Выбор оптимального варианта повышения пропускной способности воздушной линии электропередачи / Ю.В. Лебедева, Н.Ю. Шевченко, А.Г. Сошинов // Проблемы электроэнергетики: сб. науч. тр. / Сарат. гос. техн. ун-т. - Саратов, 2010 - С.101-104.

Подписано в печать 17.03.11 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,16(1,25) Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 36 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ИЗУЧАЕМОЙ ПРОБЛЕМЫ.

1.1. Требования правовых и технических документов к надежности электрических сетей высокого напряжения. г. 1.2. Техническое состояние воздушных линий электропередачи высоко' го напряжения, находящихся в эксплуатации.

1.3. Показатели надежности электрической сети.

1.4. Анализ отказов ВЛЭП.

1.5. Влияние метеоусловий на надежность ВЛЭП.

1.6. Надежность элементов ВЛЭП.

1 1.7. Цель работы и постановка задачи исследования.

Выводы.

2. АНАЛИЗ ПРОГНОЗИРУЕМЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ НАГРУЗОК НА ПРОВОДА РЕКОНСТРУИРУЕМОГО УЧАСТКА ВОЗДУШНОЙ

I ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ.

I 2.1. Разработка вариантов реконструкции.

2.2. Оценка ожидаемых механических нагрузок на провода ВЛЭП.

1 2.3. Исходные эксплуатационные механические нагрузки.

2.4. Ожидаемые ветровые нагрузки. г 2.5. Ожидаемые нагрузки отложений различных видов.

2.6. Ожидаемые гололедно-ветровые нагрузки.

Выводы.

3. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ

I ОПТИМИЗАЦИИ КОНСТРУКЦИИ ВЛЭП В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ

МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ.

3.1. Решения оптимизационных задач в многокритериальной постановке

3.2. Обоснование алгоритма выбора оптимального решения по многокритериальной модели.

3.3. Оптимизационная модель реконструкции ВЛЭП в экстремальных метеорологических условиях.

3.3.1. Выбор целей и формирование системы частных критериев.

3.3.2. Аналитические модели показателей технической эффективности и безопасности.

3.3.3. Аналитические модели показателя экономичности.

Выводы.

4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

ИНВЕСТИЦИОННОГО ПРОЕКТА РЕКОНСТРУКЦИИ ВЛЭП.

4.1. Представление развития электрических нагрузок систем электроснабжения как фактор неопределенности.

4.2. Приведение многокритериальной задачи оптимизации к однокрите-риальной.

4.3. Экономическое обоснование проектных решений.

Выводы.

Развитие электрических сетей является одним из важнейших показателей уровня электроэнергетики страны. В России более 50 % оборудования электрических сетей выработало свой расчетный ресурс, хотя еще сохраняет достаточную работоспособность. Ухудшение технического состояния электрических сетей является одной из основных причин роста повреждаемости воздушных линий электропередачи (ВЛЭП) и силового оборудования подстанций. Остро стоит задача реконструкции и модернизации электрических сетей, что требует огромных капитальных вложений. Поэтому актуальной задачей остается выбор оптимального варианта реконструкции линии с заданной степенью надежности.

Надежность работы линий электропередачи зависит от многих факторов: качества проектирования и выполнения строительно-монтажных операций, ввода в действие и грамотной эксплуатацией в различных режимах и атмосфер-но-климатических условиях.

Основные метеорологические факторы, влияющие на безаварийность работы ВЛЭП: гололедообразование, ветер и температура воздуха. Гололедно-ветровые аварии сопровождаются многочисленными обрывами проводов и тросов, поломкой опор, массовыми отключениями воздушных линий всех классов напряжения и нарушением электроснабжения, потребителей с соответствующим ущербом.

Глобальные изменения климата, наблюдаемые в последнее время, приводят к тому, что складывается устойчивая тенденция постоянного усиления гололедных и ветровых явлений. Происходящие с регулярной повторяемостью в разных районах страны (Урал, Поволжье, Центр, Север и Северо-запад, Северный Кавказ, Дальний Восток, Сахалин и др.) чрезвычайные происшествия в электросетях энергосистем («Южэнерго», «Средняя Волга», «Дальэнерго» и «Центрэнерго») свидетельствуют о том, что надежность энергоснабжения народно-хозяйственных комплексов в районах страны является приоритетной задачей [3]. Аварии ВЛЭП, в более чем 40 энергосистемах за последние 30 лет нанесли большой экономический ущерб во всех отраслях народного хозяйства и коммунально-бытовой сфере. Например, в Сочинских электрических сетях ОАО «Кубаньэнерго» в декабре 2001 г. общая, протяженность поврежденных ВЛ напряжением 0,38-220 кВ составила 2,5 тыс. км., была полностью прекращена на длительное время подача электроэнергии в коммунально-бытовой сектор с населением 320 тыс. человек [97]. Серьезные повреждения от сильного гололеда (поломки опор ВЛЭП 330-500кВ, разрушение изоляции, арматуры, обрывы проводов и грозозащитных тросов) на линиях электропередачи МЭС Юга произошли в 2003-2004 гг. Январь - февраль 2005 г. почтой же причине принес ущерб АО «Ростовэнерго» в виде поломок и падений пяти опор ВЛЭП 220 кВ, двух опор ВЛЭП 110 кВ и 1910 опор ВЛЭП 10 кВ, при этом 53 населенных пункта остались без электроэнергии [39]. Экономический ущерб от гололедных, явлений 1993 года в Камышинских электрических сетях ОАО «Вол-гоградэнерго» составил более одного млрд. рублей- [74], в ОАО «Саратовэнер-го» более 10 млрд. рублей в ценах 1994 г [75], в 2010-2011 годах в Поволжье и центральных регионах России составил более одного млрд. рублей.

Подобные гололедно-ветровые аварии происходят и за. рубежом: Канаде, США (северные штаты), включая Аляску, Украине, Чехии, Словакии, Германии Швеции, Норвегии, Финляндии.

Из отмеченных примеров следует, что электрические' сети в гололёдно-ветровой ситуации являются системой, подвергающейся воздействию случайных возмущений и имеющей случайные параметры. Отсюда особенно четко видна необходимость применения системного подхода к проектированию воздушных линий электропередачи [37].

Для предотвращения снижения надежности ВЛ из-за отрицательного воздействия на них гололедно-ветровых нагрузок в нашей стране и за рубежом уже давно ведутся интенсивные разработки и внедряются различные системы предотвращения гололедно-ветровых аварий на ВЛ. Значительный вклад в решение этой проблемы сделали многие известные ученые и инженеры:

Аллилуев A.A. [34], Абжанов P.C. [1], Будзко И.А. [16], Бургсдорф В.В. [15], Дьяков А.Ф. [34, 36, 37, 38], Дьяков Ф.А. [35, 39], Левченко И.И. [34, 36], Са-цук Е.И. [34], Каверина P.C. [120, 121, 123, 124], Холодов В.В. [110], Никифоров Е.П. [81], Яковлев JI.B. [120 - 124] и другие.

ВЛЭП, являясь элементом электрической системы, обладает присущими для нее свойствами: динамикой развития, управляемостью, множеством целей функционирования и неопределенностью части исходной информации для исследования которой, требуется системный подход. Для принятия оптимальных решений на стадии проектирования ВЛЭП необходимо по возможности учитывать все факторы, позволяющие найти «золотую середину» между себестоимостью сооружения линии электропередачи, издержками на ее эксплуатацию и надежностью электроснабжения потребителей.

Эти свойства подразумевают решение задач оптимизации вариантов реконструкции ВЛЭП по многокритериальной модели. Такая задача оптимизации ранее не решалась.

До последнего времени задачи оптимизации параметров ВЛЭП решались по критерию минимума приведенных затрат без учета динамики неопределенности исходной информации в перспективе.

Разработкой многокритериальных методов принятия решений занимались известные зарубежные ученые: Р. Беллман [7], Л. Заде [44], Т. Саати [92] и другие. Среди российских ученых значительный вклад в исследование данной проблемы внесли Березнев Ю.И. [10, 11], Березовский Б.А. [9], Брахман Т.Р. [14], Веников В .А. [16], Венцель Е.С. [17], Левин М.С. [16], Лещинская Т.Б. [62, 63, 65, 66, 67, 68] и другие.

Цель диссертационной работы заключается в разработке способов оценки эффективности вариантов реконструкции воздушных линий электропередачи, работающих в экстремальных метеоусловиях.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. На основе анализа причин отказов воздушных линий электропередачи, установить факторы, снижающие надежность и разработать мероприятия, повышающие эффективность работы воздушных линий электропередачи в сложных метеорологических условиях.

2. Обосновать варианты реконструкции воздушных линий электропередачи, работающих в сложных метеоусловиях и проанализировать их работу при различных ожидаемых механических нагрузках на провода реконструируемого участка воздушной линии электропередачи напряжением 220 кВ.

3. Разработать методику оптимизации вариантов реконструкции и составить алгоритм решения задачи оптимизации.

4. Сформировать и обосновать систему частных критериев, получить их аналитические модели.

5. Определить оптимальный вариант реконструкции ВЛЭП, с заданной степенью надежности и его технико-экономические показатели.

Методы исследования, используемые в работе, включают в себя методы механического расчета ВЛ, теоретические основы электротехники, методы многокритериальной оптимизации и теории принятия решений, системный анализ, методы теории вероятностей и математической статистики, численные методы программирования, методы оценки ■ эффективности инвестиционных проектов.

Краткое содержание работы по главам

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи работы. Дается краткая аннотация содержания работы по разделам. Сформулирована научная новизна основных результатов и практическая ценность исследований. Приведены основные положения, выносимые на защиту. Указаны апробации полученных результатов. Приведена структура диссертации.

Первая глава диссертационной работы посвящена анализу проблем снижения надежности воздушных линий электропередач напряжением 220-500 кВ. Отражена актуальность темы исследования. Описан объект исследования — воздушная линия электропередачи высокого напряжения. Дается анализ причин отказов элементов ВЛЭП и комплекс факторов для повышения её надежности. В работе основное внимание уделено современным технологиям и материалам, повышающим эффективность ВЛ. Проанализирован мировой опыт использования проводов с повышенной нагревостойкостью и пониженной усадкой для повышения пропускной способности и увеличения механической прочности воздушной линии. Дана многокритериальная оценка применения металлических многогранных опор.

Повышение эффективности работы воздушных линий электропередачи в сложных метеорологических условиях предложено реализовать на основе оптимизации вариантов их реконструкции по многокритериальной модели. В заключении главы сформулированы задачи исследования, решаемые в диссертационной работе.

Во второй главе сформулирована научно-техническая задача. На основе аналитических моделей показателей надежности составлены варианты реконструкции ВЛЭП. Представлены результаты расчетов и анализа ожидаемых механических нагрузок на провода ВЛЭП при всех возможных режимах эксплуатации линии для двух периодов повторяемости климатических нагрузок Т = 25 лет и Т = 50 лет. В качестве стратегии повышения надежности линии выбрана частичная реконструкция участков линии, сильно подверженных гололедно-ветровым воздействиям.

В третьей главе сформулирована цель системного анализа и разработана методика многокритериальной оптимизации вариантов реконструкции ВЛЭП, работающих в сложных метеорологических условиях и представлен алгоритм её решения. На основе анализа целей функционирования ВЛЭП выбраны и обоснованы частные критерии оценки вариантов реконструкции.

В четвертой главе проанализированы статистические данные по электрическим нагрузкам ВЛ 220 кВ в предшествующий период и спрогнозировано развитие электрических нагрузок по нормальному закону распределения.

Выбор рационального варианта, реконструируемой ВЛ произведен с учетом неопределенности исходной информации для двух периодов повторяемости климатических нагрузок Т = 25 лет и Т = 50 лет. Представлено экономическое обоснование проектных решений.

В заключении приводятся основные результаты и выводы.

Научная новизна работы:

1. Определены основные направления реконструкции ВЛЭП, позволяющие проектировать их с заданной степенью надежности.

2. Разработана методика многокритериального выбора оптимального варианта реконструкции воздушных линий электропередач, работающих в сложных метеорологических условиях, отличающаяся от известных учетом климатических нагрузок и технико-экономическим сравнением, позволяющая проектировщикам разрабатывать линии с заданным уровнем надежности электроснабжения.

3. Предложены и теоретически обоснованы критерии эффективности: комплексный показатель надежности, отражающий безотказность, долговечность и ремонтопригодность; критерий экономичности, учитывающий системный эффект от внедрения мероприятий, повышающих эффективность работы» ВЛЭП, индекс доходности, срок окупаемости и рентабельность производства; и критерий технической эффективности и безопасности, учитывающий увеличение пропускной способности и снижение потерь электроэнергии.

4. Разработана методика определения комплексного показателя надежности, позволяющая оценивать эффективность мероприятий, повышающих надежность воздушных линий электропередач.

5. Разработана методика определения критерия технической эффективности и безопасности, позволяющая оценивать энергетическую эффективность и пропускную способность ВЛЭП.

6. Разработана методика определения критерия экономической эффективности, позволяющая оценивать конкурентоспособность вариантов реконструкции на интервале в несколько лет.

Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается применением для теоретических исследований научных положений теории вероятности, теории надежности, теоретических основ электротехники и корректным использованием статистического материала и подтверждается результатами эксплуатации ВЛЭП энергосистемами развитых стран. Результаты, выносимые на защиту:

1. Методика многокритериальной оптимизации вариантов реконструкции воздушных линий электропередачи, использование которой позволяет обеспечить их максимальную эффективность в экстремальных метеоусловиях с учетом изменения токовой нагрузки.

2. Методика расчета комплексного показателя надежности, позволяющая оценивать варианты реконструкции воздушных линий электропередачи.

3. Система частных критериев эффективности и их аналитические модели, позволяющие прогнозировать конкурентоспособность вариантов реконструкции воздушных линий электропередачи.

4. Результаты решения многокритериальной- задачи и технико-экономические показатели.

Практическая ценность работы:

1. Предложенные алгоритмы расчета могут быть использованы, для разработки и оценки проектов реконструкции ВЛЭП высокого напряжения.

2. Программные модули для расчетов и построения зависимости тяжений и стрел провеса проводов от различных климатических нагрузок и для определения показателей экономической эффективности могут использоваться в учебном процессе по специальности «Электроснабжение».

Апробация работы. Основные положения и теоретические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научных и всероссийских научно-практических конференциях: V Всероссийской научно-практической конференции. «Инновационные технологии в обучении и производстве», г. Камышин, (2008); IV международной, молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения», г. Казань, (2009); VI Всероссийской научно-практической конференции. «Инновационные технологии в обучении и производстве», г. Камышин, (2009); VII Всероссийской научно-практической конференции. «Инновационные технологии в обучении и производстве», г. Камышин, (2010).

Реализация; результатов работы: разработанная методика многокритериального выбора оптимального варианта реконструкции ВЛЭП с учетом изменения токовой нагрузки и климатических нагрузок, программные модули для расчета и построения тяжений и стрел провеса проводов от различных климатических нагрузок и для определения показателей экономической эффективности прит няты и используются Волго-Донским предприятием магистральных электрических сетей филиала ОАО «ФСК ЕЭС» МЭС Центра при выполнении реконструкции ВЛЭП 220 кВ, что подтверждается- актом внедрения от- 20 декабря4 2010г.

Публикации. По теме диссертации было опубликовано 20 печатных работ, в том числе 3 из них в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, 6 приложений и списка литературы, включающего 124 наименования. Работа изложена на 163 страницах. Основная часть содержит 132 страницы машинописного текста, 29 рисунков и 47 таблиц;