автореферат диссертации по энергетике, 05.14.12, диссертация на тему:Разработка и исследование мер повышения надежности, экономичности и электромагнитной совместимости с биосферой подземных и подводных электропередач высокого напряжения

ГГ5 ОД 2 Ь ФЕБ 1997

На правах рукописи

ВОЙТОВИЧ РУСЛАН АНАТОЛЬЕВИЧ

УДК 621.315.2.016.2

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕР ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ, ЭКОНОМИЧНОСТИ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ С БИОСФЕРОЙ ПОДЗЕМНЫХ И ПОДВОДНЫХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Специальность 05.11.12. - Техника высоких напряжений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Н0В0СИБИРСК-1996

Работа выполнена в Новосибирском государственном техническом университете.

Научный руководитель: доктор технических наук

профессор К.П.Кадомская

Официальные оппоненты: доктор технических наук

профессор Ф.Х.Халилов

кандидат технических наук с.н.с. Э.П.Ка'скевич

Ведущая организация Всероссийский

научно-исследовательский институт кабельной промышленности

Защита состоится "12" февраля 1997 г. в часов на заседании специализированного совета Д.063.34.01 при Новосибирском государственном техническом университете (630092, Новосибирск, пр-т К.Маркса 20, НГТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета

Автореферат разослан

января 1997 г.

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат технических наук, доцент

В.Я.Ольховский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Растущие с каждым годом потребности энергетики в кабельных электропередачах приводят к необходимости повышения экологической безопасности, надежности и экономичности таких электропередач. Эти требования могут быть удовлетворены при условии их учета на всех стадиях сооружения кабельных электропередач высокого напряжения: при конструировании кэбелеЯ, проектировании трасс КЛ и при организации их эксплуатации. Требования экологической безопасности, экономичности и надежности зачастую противоречат друг другу и могут быть удовлетворены лишь с использованием системного подхода.

В настоящей работе рассмотрены некоторые аспекты сформулированной глобальной проблемы применительно к подводным кабелям однофазного исполнения триаксиальной конструкции и к мощным подземным газоизолированным линиям (ГШ) трехфазного исполнения. Выбор именно этих электропередач связан с существенным влиянием их конструктивных параметров на экологическую безопасность и экономичность эксплуатации.

Особенно остро ати вопросы стоят для кабельных линий высокого напряжения подводного исполнения. Стоимость проекта подобной линии в несколько десятков километров может составлять сотни миллионов долларов США. При этом помимо обеспечения достаточной надежности встает проблема экологической безопасности электропередачи для ихтиофауны, чувствительной к электромагнитному полю (ЭМП), наводимому в водной среде по трассе кабельной линии. Эта проблема практически не исследована в литературе и лишь по отдельным фактам можно судить об ее значимости.

Экономически целесообразные решения при сооружении ГИЛ могут быть достигнуты как путем выбора оптимальных соотношений между конструктивными параметрами, позволяющих уменьшить габариты линии при обеспечении приемлемой напряженности электрического поля в диэлектрике, так и путем снижения дополнительных потерь в оболочке в нормальном эксплуатационном режиме. Очевидно, что снижение диаметра оболочки ГШ при обеспечении приемлемого уровня эксплуатационной надежности возможно лишь с применением мер для глубокого ограничения грозовых перенапряжений.

Цельи настоящей работы является разработка рекомендаций к

конструкциям и схемам експлуатации кабельных линий высокого напряжения для повышения их экологической безопасности, экономичности и надежности. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследования:

анализ влияния конструктивных параметров и способов прокладки подводных кабельных линий высокого напряжения на интенсивность электромагнитного поля, наводимого по трассе КЛ в водоеме, и формулировка требований к этим параметрам, исходя из минимума влектромагнитных наводок;

- оптимизация конструктивных параметров закрытых трехфазных электропередач исходя из минимума напряженности електрического поля в нормальном эксплуатационном режиме и определение минимального диаметра етих конструкций, при котором в условиях глубокого ограничения перенапряжений будет обеспечена приемлемая експлуата-ционная надежность;

- разработка аналитической методики расчета мощности потерь в оболочках трехфазных линий электропередачи, обусловленных вихревыми токами, с учетом конечной толщины оболочки, позволяющей проанализировать уровень дополнительных потерь и влияние на етот уровень конструктивных параметров КЛ.

Научная новизна работы и основных ее результатов заключается в следующем:

- разработана инженерная методика оценки уровня электромагнитного поля в водной среде по трассе КЛ, позволяющая выдвинуть требования к конструкциям экрана и брони для обеспечения приемлемых полевых условий для ихтиофауны конкретного водоема;

- разработана методика расчета мощности потерь и продольных погонных параметров в закрытых электропередачах трехфазного исполнения с учетом конечной толщины их оболочек, позволившая сформулировать условия, при которых нельзя пользоваться упрощенной методикой при допущении бесконечной толщины оболочки.

Практическая значимость результатов работы.

Разработанная инженерная методика оценки уровня интенсивности электромагнитного поля в водной среде может быть использована как при проектировании КЛ с целью оценки электромагнитной обстановки по ее трассе, так и при конструировании подводных кабелей для обеспечения их минимального антропогенного влияния на ихтиофауну водоемов.

Показано, что в случав оптимальных соотношений между конструктивными параметрами закрытых электропередач высокого напряжения трехфазного исполнения и применении мер для глубокого ограничения грозовых перенапряжений можно снизить уровни импульсных испытательных напряжений и, соответственно, уменьшить габариты этих электропередач.

Достоверность полученных результатов основывается.на применении достаточно полных математических моделей, апробированных в теоретической электротехнике и задачах техники высоких напряжений, а также согласием ряда результатов с результатами, полученными отечественными и зарубежными учеными при исследовании подобных режимов и процессов.

Апробация работы и публикации.

Основные положения и отдельные результаты диссертационной• работы докладыввлись и обсуждались на научных семинарах кафедры техники высоких напряжений Новосибирского государственного технического университета, на научной конференции с международным участием "Проблемы электротехники" (НГТУ, Новосибирск, 1993), на научно-техническом семинаре "Энергетика: экология, надежность, безопасность", подсекция "Экология,.безопасность и образовательный процесс" (ТПУ, Томск, 1994). По теме диссертационной работы в периодических научно-технических журналах опубликовано 3 статьи. Тексты докладов и тезисы к докладам опубликованы в трудах двух международных симпозиумов по технике высоких напряжений (Япония 1993 г., Австрия 1995 г.), научной конференции с международным участием - (Новосибирск 1993 г.), научно-технического семинара (Томск 1994 г.) и российской научно-технической конференции (Санкт-Петербург 1996 г.).

На защиту выносятся;

- инженерная методика расчета интенсивности электромагнитного поля по трассе КЛ ВН, позволяющая решать как прямую задачу расчета поля, так и обратную задачу - предъявления требований к конструкции экрана и брони с целью снижения экологического влияния КЛ подводного исполнения на ихтиофауну пересекаемого водоема;

- методика оптимизации конструктивных параметров закрытых электропередач трехфазного исполнения по критерию минимума рабочей напряженности электрического поля;

- методика расчета мощности потерь от вихревых токов в

оболочках и продольных погонных параметров в трехфазных кабельных линиях о учетом конечной толщины оболочки,- методика определения законов распределения кратностей грозовых перенапряжений и токовых нагрузок в ограничителях перенапряжений в типовых схемах использования КЛ;

- рекомендации по оптимальным соотношениям между конструктивными параметрами кабелей трехфазного исполнения, отвечающим минимуму рабочей напряженности электрического поля в диэлектрике;

- рекомендации о необходимости включения в проект подводной кабельной линии высокого напряжения экологического раздела, связанного с оценкой влияния электромагнитного поля, наведенного КЛ, на ихтиофауну пересекаемого водоема;

- рекомендации о возможном снижении импульсных испытательных напряжений и приведении изоляции кабельных линий высокого напряжения "к норме" при условии глубокого ограничения грозовых перенапряжений,

Обьем и структура диссертационной работы.

Диссертационная работа изложена на из страницах машинописного текста, иллюстрируется 32 рисунками и 20 таблицами. Работа состоит из введения, трех разделов, заключения, списка использованных источников и приложения.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы основные задачи исследования.

В первол разделе проанализирована связь конструктивных параметров и способов прокладки подводных кабельных линий с уровнем интенсивности электромагнитного поля.

Во втором разделе проведена оптимизация конструктивных параметров закрытой электропередачи трехфазного исполнения по критерию минимума рабочей напряженности электрического поля, изложена методика определения потерь мощности и продольных погонных параметров етих электропередач с учетом конечной толщины оболочки.

В третъел разделе изложена методика определения уровней грозовых перенапряжений на изоляции кабельных линий и приводится оценка возможности снижения уровня изоляции в различных кабельных конструкциях.

В заключении сформулированы основные выводы по работе.

В приложении приведен способ аппроксимации модифицированных функций Бесселя.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ, НАВЕДЕННОГО КАБЕЛЬНЫМИ ЛИНИЯМИ

ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ, НА ИХТИОФАУНУ ПЕРЕСЕКАЕМЫХ ВОДОЕМОВ

Высокая чувствительность рыб к электромагнитному полю, обусловленная длительной эволюцией в хорошо проводящей среде, создает дополнительные ограничения на конструктивные параметры подводных электропередач. Предварительные расчеты и анализ литературы по ихтиологии показал невозможность создания универсальных рекомендаций по ограничению уровня электромагнитного поля в водоеме вследствие большого разброса пороговых значений чувствительности к ЭМП различных видов рыб. Следовательно, необходимо иметь методику оценки влектромагнитного поля вдоль трассы КЛ, чтобы в каждом конкретном случае можно было бы оценить степень влияния проектируемой кабельной линии на ихтиофауну пересекаемого водоема.

Вектор плотности тока в водной среде б и векторы напряженностей электрического Е и магнитного Н полей вдоль трассы КЛ могут быть найдены путем решения уравнений Максвелла:

rot Н = б, rot б = Ш2Н, E^S/T^, (1)

ср

где т=е37С/4^Ц „7 (3=e;'1t/'4k - комплексное волновое число, "ср'ср

Цср и 7ор - магнитная проницаемость и проводимость водной среды. Для случая однофазного кабеля в цилиндрической системе координат уравнения (1) записываются в виде:

<»гб (г) 1 «б (г)

Г дт

т2б (г),

1 *уг-) Нф(Р г

-*=-+--*---*-g- = m^H.tr),

Br г От г V

(2)

Решение уравнений (2) при граничных условиях Нф(оо)=0, Нф(гк) = |1ср|/21Сгк ( где 1ср=1ж+1э+1б, гк - внешний радиус кабеля, I .1 .1,,т „ - комплексы токов в жиле, экране, броне КЛ и водной

~Ж ~о ~0 —Ср

среде, соответственно ) записывается в виде:

1„„ т (шг) К,(тг)

вжСг)---— Нд.(г) = - -°Р к1.г ■ , (3)

гтиг„ к1(тгк' "Ф гиг К1 (тгк'

к к

где К0(г) и К^а) - функции Макдональда нулевого и первого

порядков, соответственно.

Токи' в. металлических элементах п-фазной кабельной линии, броня и екрай которой заземлены по концам, определяются путем

решения'матричного уравнения: г1=Е. (4)

Нижа приводятся матрицы, входящие в уравнение (4), для случая подводки^ кабельных линий в броне:

Т т

.1э1 .1б1 ••• ^жп^ап^бп5 '

^^^„О.О.Ез.О.О.....Е ,0,0]Т,

г =

№ гфф12 ' 2фф1п

ФФ21 2фа ' 2ффгп

. 2ффп1 2ффп2 • фп

{ сУ

1-г

51-3

"г-з

21-3 '

г2-3 2фф1>7 - гффуу

в3 гФт гффг>7 *фф1>7

рде х1,г2,в - собственные сопротивления петель жила-проводящая С^ада (рода или земля), экран-среда, броня-среда;

"1-г •

г-;

¿обтратствующими петлями; г

взаимные сопротивления между "Ф^Т ~ взаишше сопротивления между фазами' V и ~Г; и г^ - сопротивления системы и нагрузки г'-ой

фазы' (для ре¡кима внешнего короткого замыкания принимается

равным нулю).

Фазы подводной кабельной линии, как правило, прокладывают на расстоянии несколько десятков или сотен мэтров друг от друга. В редких случаях фазы кабельной линии прокладывают в одной траншее. Сравнительные расчеты поля для двух случаев прокладки показали, что, несмотря на взаимную электромагнитную компенсацию, величина напряженности магнитного поля в водной среде вблизи кабельной линии при прокладке фаз вплотную даже выше, чем при независимой прокладке фаз, так как при прокладке фаз КЛ вшитиую токи, наводимые в водной среде каждой отдельной фазой, существенно больше токов в водной среде для случая независимой прокладки фаз. Однако по мере удаления от кабельной линии интенсивность ЭМП при црокладке фаз вплотную уменьшается значительно быстрее, чем при прокладке фаз на большом расстоянии друг от друга.

Исследования также показвли, что интенсивность электромагнитного поля вокруг кабельной линии зависит от суммарной погонной

«VI г1-г

проводимости экрана и брони, определяемой на постоянном токе:

gS=u6wpW2VW + VÖP^W)- (5)

Расчеты продольной плотности тока и напряженности магнитного поля в водной среда, а также отношения тока в водной среде к току в жиле, от которого в основном и зависят эти харатеристики, позволили выдвинуть гипотезу о линейных квазистохастических связях:

= /(GS) - Ь® + bS-G2: -55^- - /<GS) = b» . (6)

Или в общем виде; Y=b0+bjG£ . (V)

Для статистической проверки предположения о зависимости интенсивности ЭМП от Gg были проведены серии вычислительных экспериментов для трех базовых конструкции на разные классы напряжений, две из которых - отечественного производства (на 110 кВ и на 35 кВ), и одна - конструкция кабельной линии 345 кВ с бумажно-масляной изоляцией, спроектированная в США.

На рис.1 в виде сплошных линий приведены зависимости характеристик электромагнитного поля в непосредственной близости от КЛ от суммарной проводимости брони и экрана в нормальном эксплуатационном режиме IUI, рассчитанные по аппроксимирующим выражениям. На этих же рисунках точками нанесены результаты вычислительных экспериментов.

Из рис.1 видно, что характеристики Т0р*1ж/0цр и Н8

зависят от класса напряжения кабельной линии. В случае траншейной прокладки эти характеристики не зависят также и от проводимости водной среды. В случае прокладки фаз на значительном расстоянии друг от друга (бестраншейной прокладки) параметр 1ж/(Нф*гк) растет с увеличением проводимости водной среды.

Таким образом, зная проводимость водной среды, конструктивные параметры и ток, протекающий по жиле кабельной линии, с высокой степенью точности-можно определить характэристики электромагнитного поля вокруг подводной кабельной линии по выражениям и графикам, приведенным в тексте диссертации.

В табл.1 приведены значения продольной плотности тока и напряженности магнитного поля в непосредственной близости от КЛ для базовых конструкций при прокладке фаз на расстоянии 100 м друг от друга.

Из табл.1 видно, что с увеличением номинального напряжения кабельной линии уровень электромагнитного поля, наводимого вокруг линии в водоеме, падает, так как проводимость акранов КЛ на 35 и 345 кВ отличается на два порядка, а токи, протекающие по жиле всего в пять раз. Очевидно, что особую опасность для ихтиофауны представляют кабельные линии на средние, а не на сверхвысокие классы напряжения.

и/0мзхЮ5 Тер^/бпр

м/0м4хЮ5 Тср^пр

150,

100

1ж/нфгк

х 10 ы/Ом

х 10 м/Ом

б)

| С2 3

х10 м/Ом

! Ст

х10 м/0м

Рис.1.Зависимости характеристик интенсивности влектромагнитного поля в непосредственной близости от подводной КЛ от погонной суммарной проводимости экрана и брони (проводимость водной среды 1 1/Ом.м); а,в - прокладка фаз КЛ вплотную; б,г - прокладка фаз на расстоянии 100 м. друг от друга.

При проектировании подводных переходов через водоемы с чувствительной к электромагнитному полю ихтиофауной на такие

Ю

классы напряжения конструкцию кабельной линии, по-видимому, придется корректировать (увеличивать толщину экрана или брони).

Таблица 1

Уровни интенсивности электромагнитного поля в непосредственной близости от КЛ для базовых конструкций (7 =1 1/0м.м)

класс напряжения КЛ, кВ 35 110 345

ток в жиле, А 250 500 1250

м проводимость екрана, -щ- 800 26 080 120 340

проводимость брони, 900 2 860 6 360

суммарная проводимость екрана и брони с^, м/Ом 1700 28 940 126 700

плотность продольного „ тока 0т, А/м пр' 0,0898 0,0155 0,0093

напряженность магнитного ПОЛЯ Нф, А/м 1235 119 45

Так, например, увеличение толщины екрана базовой конструкции КЛ 35 кВ с 0,15 мм до 2,5 мм приводит к уменьшению напряженности магнитного поля с 1235 А/м до 204 А/м и уменьшению продольной плотности тока с 0,0898 А/м2 до 0,0162 А/м2.

Уровни интенсивности электромагнитного поля для нормального режима работы КЛ и для режима внешнего короткого замыкания отличаются в 1н /1к 3 раз как для плотности продольного тока, так и для напряженности магнитного поля, т.е. в реальных случаях в 4...8 раз. Вопрос о том, какой из двух режимов будет определяющим при выборе параметров КЛ, исходя из их влияния на ихтиофауну, связан с зависимостью максимальных допустимых значений 8 и н от времени экспозиции поля и должен адресоваться, по всей видимости, ихтиологам. '

Помимо изменения конструктивных параметров кабельной линии возможен и другой путь уменьшения интенсивности электромагнитного поля в водоеме - ограничение передаваемой по КЛ мощности. Эта мера позволяет более гибко учитывать особенности конкретного водоема и, по-видимому, является единственным способом изменения уровня поля в водоеме для уже существующих подводных линий. Например, в случае, если КЛ пересекает путь миграции нерестовых рыб, то на период

нереста можно дополнительно снижать мощность, передаваемую по подводной линии, исходя из порога чувствительности нерестовых рыб.

Альтернативой вышеперечисленным мерам является заглубление кабельной линии в дно водоема; в случае водоема с достаточно мягким грунтом вта мера может оказаться самой выгодной с економи-ческой точки зрения, хотя и привнесет дополнительные екологические "неприятности" в период прокладки КЛ.

ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТРЕХФАЗНЫХ-ПОДЗЕМНЫХ ЛЭП НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В НОРМАЛЬНОМ ЭКСПЛУАТАЦИОННОМ РЕЖИМЕ

В трехфазной конструкции ГИЛ с расположением токопроводов по окружности (рис.2) напряженность в любой точке на поверхности токопровода (например, в точке М на рис.2) при использовании метода наложения можно определить с помощью выражения:

Ей • * в + с • (8)

где ец - напряженность в точке М, определяемая

зарядом фазы У в предположении отсутствия заряда на токопроводах других фаз. При определении ем у исходная конструкция отображалась на плоскость и) таким образом, чтобы заряженный токопровод и заземленная оболочка кабеля представляли собой концентрическую систему. В случае, если в центр системы отображалась фаза А, напряженность в точке М токопровода этой фазы определялась без учета наведенного потенциала на токопроводах других фаз. При отображении в центр системы токопроводов фаз В или С учитывалось удвоение нормальной составляющей напряженности в точке М за счет влияния токопровода фазы А. Конформное отображение, переводящее любой из токопроводов А, В и С в центр системы на плоскости ш, имеет вид:

ъ » е а

Ш=--х-(9)

г * е а2

(ф = О, -2*7С/3, 2*11/3 при отображении в центр системы фаз А, В и С соответственно); ^ и - точки на плоскости г (рис.2), одновременно сопряженные как относительно токопровода фазы, переводимой в центр системы на плоскость и, так и заземленной оболочки.

12

Составляющие напряженности поля на плоскости ш в точке м

трехфазной ГИЛ

Проведенные расчеты показали, что минимальная относительная напряженность поля в данной конструкции при уравновешенной системе потенциалов (зарядов) фаз (1, -0.5, -0.5) и оптимальных соотношениях геометрических размеров (ь/г.=0.37, гп/г.=0.21) будет равна * *

Е =Ег1/11ф=3,8. Параметр Е позволяет легко оценивать внешний габарит КЛ (ГИЛ) при заданных номинальном напряжении и допустимой для изоляции напряженности влектрнческого поля.

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ ПОГОННЫХ ПАРАМЕТРОВ И ШШШЗАЦИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ПОТЕРЬ ОТ ВИХРЕВЫХ ТОКОВ В ОБОЛОЧКАХ ТРЕХФАЗНЫХ КАБЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯ

Для решения задач, связанных, в частности, с оптимизацией конструкций и схем эксплуатации кабельных и газоизолированвых линий трехфазного исполнения в металлических оболочках (броне), необходимо определение как их йродольных параметров, так и потерь в оболочках.

Продольные погонные сопротивления (собственные и взаимные) при протекании по жилам синусоидального тока могут быть определены по выражениям:

2кк=т[^ -Ех(ггф)] = 4-[лш ад(г1)-Ад(Ь)}-11-а1(г1.ф)].

-Еж(*1-Ф,]я"И1и )-Ад(Ьг)>-а^Сг,.ф)],

где и собственный и взаимный потоки в диэлектрике,

В - продольная составлящая напряженности электрического поля на внутренней поверхности оболочки, I - ток, протекающий по оболочке, лх — плотность тока вдоль внутренней поверхности оболочки.

Решение уравнения Гельмгольца для плотности тока в оболочке можно записать в следующем виде: со

.1(Г,ф)= к £ ^тЛ,^5 + с к 1бг)>*ооз(пф) . (13)

п=0

где к - единичный орт, направленный по оси конструкции,

6=П*'1Г/'4*№)*|10(5»706 - комплексное волновое число.

Аналогичное решение можно записать и для векторного магнитного

ц б

потенциала в диэлектрике А_(г,ф)=-^г,ф) ~ .

Д б^

После ряда преобразований с учетом граничных условий и I lz)=—A—-, К было получено:

П Т/^т--п '

и'п г г1 v"1 1 6 с«1гп

"иг [ Ы~ * 2-,сп ] «,л ■ <15>

Г0 П—1 1

2 со Ь п

г>7= да ^ Г-^-Ш _ - ^- + У" Сп Г^Гоо. пб , 1 +

б с1;1г2п

+ "гт5уГ- <1б>

где

1 V

с= -

2п п г,

2п г г сШг.+п((1+1 )

гцп—г—г-"---

[Г1 (Ц -1 ) + + п[а1 (Ц+1 )+2г(Ц-1 )]о^с

При г2=» оо и &к=Ь|=Ь и д^=г%/з продольные погонные сопротивления запишутся в следующем виде:

1 Ъ2п (Ц+1 )п-бг.

1 5

] + 21Сг,7 ■

п г2п (Ц-1 )п+бг.

(17)

О п=1

5

(18)

+ 2Тиг,7 '

Расчеты по выражениям (17) и (18) дают близкие результаты с расчетами по (15) и (16) в конструкциях ГИЛ ВН. В случае кабелей трехфазного исполнения с пластмассовой изоляцией на относительно низкие напряжения использование (17) и (18) недопустимо. Поскольку, однако, применение уточненной методики (выражения (15) и (16)) не приводит к существенному усложнению расчетов, можно рекомендовать и* к использованию при определении погонных продольных параметров КЛ всех классов напряжения.

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ В СТАЛЬНЫХ ОБОЛОЧКАХ, ОБУСЛОВЛЕННЫХ ВИХРЕВЫМИ ТОКАМИ

При определении плотности тока в оболочке был применен принцип наложения (ц=соп51):

где Лл(г.ф)=-^х £ <рп*1п(ег' + Сп*Кп(ег)}ооа0Лп ' <3=1.2.3)

Л(г.ф)=Л1(г.ф)+Л2(г.ф)+Л3(г.ф),

(19)

«1 2

п=1

Потери в оболочке определятся как:

г% 2 тс г2

Р="5^т"-Г ^ / I I л(г.ф.0)г)|2г<1г ,

р=

(20)

О О г.

Или после преобразований;

9х4г ос [ г ) Г х? С(Х+1 )2

Р =--2 ~р-—5— 1-- ^ Е^гД - аьгд > +

7 ее n + 1т n i

Г—Г

Г1 -> _

- \ - зпс:а / +

„

(21)

г

+ —{ з1пгЛ + вьгЬ. ) + -— { оьгД + созгдн ,

г )

гУг

2 2

Не N + 1ш N =-~- |па(Цг-1 { сЪ.гЬ - сов2Д ) +

+ { сьгД + созгД } + ——пгае хсиг-1) { зьгД + з1пгД ) +

с п у^- П ^

+ ——г.г^зАг { зигД - з1п2Д }, Уг 1 г п •1

где Ц=Цов/Ц0' л=—~г^-. аеп=П{Г1 (Ц+1 )+г2(Ц-1 )}.

При 00 е ъ -,гп

,2

Г-^- V

9x1 ',„, со I Г1 Л

2%уУ2~ г^ т? (Ц.-1 )г и | >?"п(Ц-1 )

(22)

X г( 1

Расчеты показали, что использование более простого выражения (£2) при определении потерь от вихревых токов в оболочках ГИЛ ВН, так же как и при определении продольных погонных параметров не приводит к значимым погрешностям.

Следует отметить такзе, что проблема потерь в оболочках трехфазных кабельных конструкций за счет вихревых токов - это проблема линий большой пропускной способности (типа ГИЛ). Для относительно низковольтных линий с небольшим диаметром оболочки и малым сечением токопроводов потери в токопроводах существенно превышают потери в оболочке.

КООРДИНАЦИЯ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ С УРОВНЯМИ ВОЗДЕЙСТВУЮЩИХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Выбор рабочей напряженности электрического поля в диэлектрике определяется как условиями эксплуатации изоляции при длительном приложении напряжения в нормальном эксплуатационном режиме, так и требованиями надежной эксплуатации изоляции при воздействии грозовых перенапряжений (благодаря относительно небольшой протяженности кабельных линий грозовые перенапряжения предъявляют к изоляции более жесткие требования, чем коммутационные перенапряжения). Если с внедрением оксидно-цинковых ограничителей перенапряжений не потребуется исходя из грозовых перенапряжений выдвигать к конструкции КЛ дополнительных требований по сравнению с нормальным эксплуатационным режимом, то это означает, что изоляция КЛ может быть "приведена к норме".

При анализе атмосферных перенапряжений в качестве типовых расчетных схем были приняты следующие: о

- схема с кабельной линией без нагрузки (ВЛ-КЛ, 1=15 км);

- схема вставки КЛ в месте пересечения воздушных линий (ВЛ-ГИЛ-ВЛ, 1=300 и);

- схема ввода-вывода мощности (ВЛ-ГИЛ-КРУ, 1=1,5 км).

В случае прорыва молнии сквозь тросовую защиту ВЛ выражение для набегающей на КЛ волны можно записать в виде :

v ( t ) = V*(e"at-e_|3t), (23)

где ^га*ехр(а»<тф). а - ■ vm=yzB.

I.. - амплитуда тока молнии, z„ - волновое сопротивление M в

воздушной линии при ударе молниц а провод. Длина волны tB принималась постоянной, равной 50 мкс.

В качестве закона распределения как амплитуды волны тока молнии, так и крутизны тока» молнии принимался логарифмически нормальный закон со следующими параметрами: M[ïgIM]=1.48,

0[lgIM]=0.27, H[XgI^]=l.l, O[ZgI^]=0.26). Границы изменения

случайных факторов были заданы на уровнях функции распределения

p(x<xrain)=0.05 (минимум) и Р(*<хгаах)=0,95 (максимум) (1^1гоах = 84 кА,

1„ . =11 КА, I,' = 34 КА/МКС, li . =4.7 КА/МКС).

Mmin Mmax Mmm

Матрица центрального ортогонального композиционного плаца

второго порядка с использованием в качестве ядра плана полного факторного эксперимента (ПФЭ) типа 22 при изменении факторов в диапазонах (-1...+1) приведена в табл.2.

Таблица 2

Матрица случайных факторов центрального композиционного ортогонального плана

Точки плана

Параметры 1 2 3 4 5 б 7 8 9

Х1 - 1 -1 1 -1 1 -1 0 0 0

Х2 - 1 1 -1 -1 0 0 1 -1 0

Ъ кА 64 11 84 11 84 11 47 47 47

кА мкс 34 34 4.7 4.7 19 19 34 4.7 19

Расчет формы воздействующей на изоляцию КЛ волны производился с учетом вольт-секундной характеристики изоляции ВЛ по формуле Машкиллейсона.

Математическая модель системы, содержащей элементы как с сосредоточенными, так и раопредэленными параметрами, содержала уравнения, описываициэ переходные процессы в узлах схемы и уравнения длинных линий, связывающих эти узлы.

В качестве функциональной связи между максимумами перенапряжений или токов черэз ОПН и случайными факторами был принят полный квадратичный полином вида:

У=Ь0+Ь1.х1+ьг*х2+ьз»х^+ъд«х|+ъ5»х1*Хг- (24)

При известных законах распределения случайных факторов и функциональной связи функции отклика со случайными факторами вида (24) можно определить закон распределения функции отклика. Исследования показали, что наибольшее согласие с результатами вычислительных экспериментов дает р-распределение первого рода.

Результаты исследования неограниченных перенапряжений показали, что вероятность превышения допустимого импульсного уровня в случае использования схем ВЛ-КЛ-ВЛ и ВЛ-КЛ для МНК-110 и ГИЛ-500 практически равна единице, для КПИ-110, МНК-220 и МНК-500 - находится в пределах 0,2...О,о. Схема с трансформатором на конце КЛ (ВЛ-КЛ-КРУЭ)практически является самозащшденной, т.е. перена-

пряжения в такой схеме не превышают допустимый импульсный уровень. Опасность представляют лишь "полные" грозовые волны, длительность фронта которых больше времени заряда емкости трансформатора.

Результаты расчетов грозовых перенапряжений в схемах эксплуатации КЛ с установленными по концам ОПН показали, что максимальное значение тока через ограничитель в схемах о КЛ-110 кВ не превышает 10 кА, в схемах с КЛ-220 кВ - 13 кА и в схемах с КЛ-500 кВ - 20 кА. Это вполне допустимые значения токовых нагрузок для современных нелинейных ограничителей перенапряжений. Исследования также показали, что при установке нелинейных ограничителей по концам КЛ перенапряжения на изоляции не превышают уровня 1050 кВ для КЛ-500, 560 кВ - для КЛ-220 и уровня 290 кВ для КЛ-110. Сравнение приведенных данных с уровнями импульсных испытательных напряжений свидетельствует о большом запасе надежности при эксплуатации кабельных линий высокого напряжения с установленными ограничителями перенапряжений по концам. Это позволяет сделать предположение о возможности снижения уровня импульсных испытаний высоковольтных кабельных изделий, а следовательно, и о снижении внутреннего радиуса оболочки КЛ при условии глубокого ограничения перенапряжений атмосферного происхождения.

Таким образом при глубоком ограничении перенапряжений и оптимальных .соотношениях конструктивных параметров в кабелях трехфазного исполнения их габариты могут уменьшены по сравнении с габаритами существующих конструкций (так например, для ГИЛ 500 кВ трехфазного исполнения внутренний радиус оболочки может быть уменьшен с 0.5 м до величины порядка 0.35...О.4 м).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ-

По результатам проведенных исследований можно сформулировать следующие выводы методического характера:

1. Разработанная методика -расчета интенсивности электромагнитного поля в непосредственной близости от подводной КЛ позволяв* при вполне приемлемой точности результатов определять на основе линейных регрессионных полиномов плотность продольного тока Й напряженность магнитного поля в водной среде для кабелей любы! классов напряжения любой конструкции в зависимости от суммарной погонной проводимости их экрана и брони.

2. Разработанная методика определения продольных погонных

параметров и потерь в металлических оболочках КЛ трехфазной конструкции■при учете их конечной толщины позволила показать, что использование упрощенной методики (бесконечная толщина оболочки) не приводит к значимым погрешностям в случае КЛ ВН повышенной пропускной способности (например, ГИЛ ВН). Погрешности при использовании упрощенной методики применительно к конструкциям трехфазного исполнения на относительно небольшие напряжения не позволяют в атом случае рекомендовать ее к использованию.

3. Разработанная методика, основанная на использовании теории планирования эксперимента, позволила установить, что как неограниченные грозовые перенапряжения в типовых схемах использования КЛ ВН, так и токовые нагрузки в ограничителях перенапряжений описываются, в основном, р-распределением первого рода.

Практические выводы по работе можно сформулировать следующим образом:

1. Разработанная приближенная методика расчета напряженности магнитного поля и плотности продольного тока по трассе КЛ может быть использована при проектировании подводных кабельных линий высокого напряжения для выбора их конструктивных параметров с целью обеспечения приемлемой электромагнитной обстановки в пересекаемом" водоеме, а также для оценки совместимости уже существующих подводных электропередач с ихтиофауной.

2. Существенного снижения интенсивности электромагнитного поля," наводилого 'в "Водной среде КЛ ВН, можно добиться либо увеличением"суммарной'проводимости экрана и брони (например, при из1?от'ЬвЛенйи'-их- из 'мёда), либо заглублейием линии в дно водоема.

: "СЛе'дует• особо' отметить, "что при прокладке трех фаз вплотную - замублёние' приноси'т больший аффект ослабления поля в водоеме, чем ■ приТтрйкладке"фаз'на расстоянии. При прокладке КЛ непосредственно "погдну'7во'доема' взаимное расположение ' фаз и цепей несущественно 'вЛляетна плотность продольного тока в водной среде по трассе КЛ.

3. Соотношения конструктивных ' параметров, при которых напряженность электрического поля в диэлектрике трехфазной кабельной ' конструкции будет минимальна, следующие; Ь/г^О.4, гд/г^о. 2. Относительная напряженность при 'етих соотношениях параметров равна Е*=Ег1/иф«4.

4. Проблема потерь от вихревых - токов .в оболочках - это проблема мощных кабельных линий трехфазного исполнения высокого

напряжения, например ГИЛ 175...750 кВ, характеризующихся большими диаметрами труб: потери в трубах таких конструкций превышают технологические потери в жилах примерно в 2 раза.

5. Установка оксидно-цинковых ограничителей перенапряжений по обоим концам кабельной линии обеспечивает надежную эксплуатацию изоляции КЛ при грозовых перенапряжениях. Условия эксплуатации нелинейных ограничителей при этом вполне приемлемы.

6. При глубоком ограничении перенапряжений можно рекомендовать выбор изоляции кабельных линий высокого напряжения исходя лишь из требования ее надежной эксплуатации в нормальном режиме, иными словами, изоляция КЛ может быть "приведена к норме".

Для реализации этого предложения должны Сыть расширены работы по установлению допустимой рабочей напряженности в кабелях различного конструктивного исполнения, обусловленной требуемым сроком службы КЛ.

7. При глубоком ограничении перенапряжений и оптимальных соотношениях конструктивных параметров в кабелях трехфазного исполнения их габариты могут уменьшены по сравнению с величинами в существующих конструкциях. Так, например, для ГИЛ 500 кВ внутренний радиус оболочки может быть уменьшен с 0.5 м до величины порядка 0.35...0.4 м, т.е. примерно на 20...ЗОЯ (е„._=3 kB/mm).

ДСП

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ

1. Влияние конструктивных параметров кабельных линий высокого напряжения на их эксплуатационные характеристики.// Электричество. .111.1995.-0.8-14. (в соавторстве)

2. Продольные погонные параметры и потери в оболочках в кабелях трехфазного исполнения.// Научный вестник НГТУ, №1, 1995.-С.59-67. (в соавторстве)

3. Optimization of design and exploitation scheme of gas insulated transmission lines.// 8-th International Symposium on High Voltage Engineering. Yokohama, Ларап. Paper Ji 33.09, pp.351-354, 1993. (В соавторстве)

4. Optimization of design and service scheme of high-voltage cable transmission lines.// 9-th International Symposium on High Voltage Engineering. Graz, Austria. Paper Л 7898, 1995. (В соавторстве)

5. Оптимизация конструкций кабельных линий высокого напряжения трехфазного исполнения.//Сб. научн. тр. НГТУ "Техника и

электрофизика высоких напряжений".- Новосиб. гос. техн. ун-т. Новосибирск.- 1994.- С.3-11. (в соавторстве)

6. Проектирование подзешшх и подводных электропередач высокого напряжения с учетом требований экономичности, эксплуатационной надежности и экологической безопасности.// Тез.докл.научн.конф.с междун.участием "Проблемы электротехники".- Новосиб. гос. техн. ун-т. Новосибирск.- 1993.- С.102-107. (в соавторстве)

7. Влияние кабельных линий высокого напряжения на окружающую среду и биосферу.// Тез. докл. научн-техн. семин."Энергетика: экология, надежность, безопасность".-Томский политехи.инст-т. Томск.-1994.-С.83. (в соавторстве)

8. Влияние воздушных и подводных каналов передачи электроэнергии через водные преграды на ихтиофауну водоемов.// Тез.докл.IV российской научн.-техн.конф."Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов".ЭМС-96.-Санкт-Петербург. -1996.-С.543-545. (в соавторстве)

9. Повышение эксплуатационной надежности, экономичности и экологической совместимости с техно и био-сферой сетей 6-1150 кВ. - Отчет о НИР (промежут.).-Г/Б .'S 8-94. Рук.работы К.П. Кадомская. Новосиб.гос.техн.ун-т. -Новосибирск, 1994. Я г.р.01.94.ООО.92.30. ИНВ.Л 02.9.40 004530. 71С.

10. Повышение эксплуатационной надежности, экономичности и экологической совместимости с техно и био-сферой сетей 6-1150 кВ. Отчет о НИР ^промежут.).-Г/Б № 8-94. Рук.работы К.П. Кадомская. Новосиб.гос.техн.ун-т. -Новосибирск, 1995. № г.р.01.94.000.92.30. Инв..4 02.9.60 000542. 78С.

11. Влияние воздушных и подводных каналов передачи электроэнергии через водные преграды на ихтиофауну водоемов. - Отчет о НИР (промежут. ) .-Г/Б 54.Рук.работы К.П.Кадомская. Новосиб.гос. техн. ун-т.- Новосибирск,19Э5..И Г.р.01.9.50.000383.ИНВ.М 02.9.50 004293. 47С.