автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Воздушные линии напряжением 6(10) кВ с изолированными проводами

На правах рукописи

ГУЛЬКОВ Владимир Михайлович

ВОЗДУШНЫЕ ЛИНИИ НАПРЯЖЕНИЕМ 6 (10) кВ С ИЗОЛИРОВАННЫМИ ПРОВОДАМИ

Специальность 05.09.03 Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

А в т о р е ф е р а г диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена в АО "Леиэнерго"

Научный руководитель:

доктор технических наук профессор Б.Н.Абрамович Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор С.В.Смоловик,

кандидат технических наук

старший научный сотрудник Е.А.Еулат

Ведущее предприятие: АО "Западсельэнергопроект"

15 ч 15 мин на заседании диссертационного совета К.063.15.04 в Санкт-Петербургском государственном горном институте по адресу: 199026 Санкт-Петербург, В-26, 21-я линия, д.2, ауд. .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Защита диссертации состоится

Автореферат разослан

1997 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета

Б.Г.АНИСКИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Воздушные линии (ВЛ) напряжением 6(10) кВ, являются одним из основных элементов систем электроснабжения промышленных предприятий и представляют собой сложный электротехнический комплекс, состоящий из проводов, изоляторов, траверс, опор, заземляющих устройств, разрядников и устройств защиты от аварийных режимов. Общая протяженность, находящихся в эксплуатации в Российской Федерации ВЛ 6(10) кВ превышает 1200 тыс.км, причем, около 700 тыс. км. ВЛ требуют замены или реконструкции, в т.ч. в АО "Ленэнерго" - 450 км.

Надежность электроснабжения предприятий в значительной мере определяется надежностью ВЛ 6(10) кВ. Ежегодно аварийно отключается 10% всех находящихся в эксплуатации ВЛ 6(10) кВ. Наиболее распространенными видами повреждений ВЛ 6(10) кВ являются междуфазные к.з., обрывы проводов, однофазные замыкания на землю. Среднее время восстановления одного отказа ВЛ 6(10) кВ составляет более 3-х часов, а затраты на восстановление и ликвидацию последствий отказа превышают 3 млн. руб. Поэтому особую важность приобретает повышение надежности и снижение затрат на эксплуатацию В Л 6(10) кВ .

Анализ научно-технических достижений в области передачи и распределения электрической энергии среднего напряжения показал, что одним из основных способов повышения надежности и экономичности В Л 6(10) кВ является замена в них неизолированных проводов на изолированные и установка соответствующих устройств защиты от перенапряжений н перегрузок по току. При этом уменьшаются повреждаемость, габариты, материалоемкость и затраты на эксплуатацию ВЛ, практически исключается возможность возникновения многофазных коротких замыханий (к.з.) и однофазных замыканий на землю (о.з.з.).

Однако, к настоящему времени не решен комплекс вопросов, необходимых для успешного проектирования и внедрения ВЛ 6(10) кВ с изолированными проводами (ВЛИ). Поэтому, представляется особенно актуальным создание теоретического и методического обоснования разработки В ЛИ 6(10), в том числе рекомендаций по ограничению тепловых нагрузок, выбору типов изолированных про-

водов, параметров воздушных линий и средств грозозащиты с учетом климатических особенностей регионов.

Работа выполнена в АО "Ленэнерго" и на кафедре электротехники и электроснабжения горных предприятий Санкт-Петербургского горного института (технического университета) в соответствии с планами научно-исследовательских работ РАО ЕЭС, АО "Ленэнерго" и региональных энергетических комиссий .

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является создание теоретической и методической базы проектирования воздушных линий повышенной надежности напряжением 6(10) кВ с изолированными проводами, обеспечивающими снижение количества и продолжительности перерывов электроснабжения, материалоемкости и эксплуатационных затрат за счет уменьшения междуфазного расстояния, ширины просек и землеоотводов. Для практической реализации поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

• провести электрические и механические испытания изолированных проводов отечественного и зарубежного производства, установить степень соответствия их основных параметров стандартам РФ и рекомендовать наиболее подходящий тип проводов для условий Северо-Запада России;

• разработать систему выбора изолированных проводов воздушных линий по допустимому длительному току и термической стойкости к току к.з. с учетом действия АПВ и подпитки точки к.з. от электродвигателей напряжением свыше 1 кВ;

• разработать методику выбора параметров цифровых устройств защиты воздушных линий с изолированными проводами;

• разработать новый эффективный метод защиты В ЛИ от грозовых перенапряжений и экономичные технические средства для реализации его, предотвращающие переход искрового перекрытия в силовую дугу путем удлинения пути импульсного грозового перекрытия;

• разработать специальные длинно-искровые грозозащитные разрядники (ДИГР), исключающие переход искрового разряда в силовую дугу при амплитудных значениях перенапряжений вплоть до 400 кВ и позволяющие снизил» практически до нуля вероят-

кость возникновения силовой дуги при грозовых перекрытиях изоляции;

« установить величины максимальных пролетов ВЛИ 6(10) кВ неходя из условий минимума максимальных значений габаритного и ветрового пролетов и прочности используемых опор.

Идея работы. Заключается в выявлении параметров экстремальных воздействий на элементы воздушных линий тока и напряжения с учетом климатических характеристик регионов и ограничении их на допустимом уровне схемно-гехкичсскими методами с целью повышения технико-экономических и эксплуатационных показателей ВЛИ 6(10) кВ, уменьшения ущербов, связанных с перерывами электроснабжения промышленных (в т.ч. горных) и муниципальных предприятий.

Методы исследований. В работе использованы теория электрических цепей, методы теории электромагнитных процессов в системах электроснабжения, электрических аппаратах высокого напряжения и электрических машинах, теория разряда в газах, методы теории оптимизации, аналитические и численные методы решения уравнений, теория и методы обработки экспериментальных данных.

Научная новизна работы:

• выявлены допустимые параметры экстремальных воздействий на элементы воздушных линий по току и напряжению и зависимость их показателей надежности от физико-химических свойств проводов;

• установлены закономерности выбора изолированных проводов воздушных линий по допустимому длительному току и термической стойкости к токам к.з. от параметров питающей системы, устройств защиты и автоматического повторного включения, конфигурации сети, величины э.д.с. и постоянной времени затухания переходной составляющей тока к.з. от синхронных и асинхронных электродвигателей напряжением свыше 1 кВ;

• разработан новый эффективный метод защиты воздушных линий 6(10) кВ от грозовых перенапряжений. Метод предусматривает ограничение рабочего градиента напряжения при перекрытии изоляции величиной 7 кВ/м. При этом предотвращается переход искрового перекрыли в силовую дугу путем удлинения пути им-

пульсного грозового перекрытия и обеспечивается повышение надежности работы ВЛИ;

• установлено, что при использовании во ВЛИ изоляторов с характеристиками длинно-искрового грозового разрядника (ИДИГР) за счет спирального ребра на поверхности с вылетом 3 см, начальном радиусе спирали канала (цилиндра изолятора) 2,5 см и токах до 10 кА вероятность образования силовой дуги промышленной частоты практически равна нулю, и тем самым, обеспечивается бесперебойная работа электрической сети при грозовых перенапряжениях.

Обоснованность научных положений базируется на применении известных положений теории электрических цепей, теории электромагнитных процессов в системах электроснабжения, электрических аппаратах высокого напряжения и электрических машинах, теории разряда в газах.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается достаточным объемом теоретических исследований, близкой сходимостью расчетных и опытных данных, а также положительными результатами внедрения разработок в АО "Ленэнерго".

Практическая ценность работы заключается в следующем:

• разработана система выбора сечения изолированных проводов воздушных линий по допустимому длительному току и по термической стойкости к токам короткого замыкания и параметров устройств защиты воздушных ЛЭП с изолированными проводами. Показано, что в условиях Северо-Запада РФ наиболее подходящим типом провода являются провода, имеющие конструкцию, аналогичную проводам типа "SAX" фирмы Nokia Cables;

• разработаны методики проверки термической стойкости изолированных проводов воздушных линий 6(10) кВ в экстремальных условиях с учетом и без учета параметров двигательной нагрузки и автоматического повторного включения;

• разработаны специальные длинно-искровые грозозащитные разрядники (ДИГР), исключающие переход искрового разряда в силовую дугу;

• синтезирована конструкция ИДИГР, обеспечивающая выполнение основной функции - изоляции и одновременно грозозащиты ВЛИ.

Реализация выводов и рекомеадацгш работы. Разработана теоретическая и методическая основа проектирования ВЛИ 6(10) кВ, которая используется в АО "Западсельэкергопроект". Ожидаемый экономический эффект от внедрения ВЛИ с изолированными проводами SAX в АО "Ленэнерго" при реконструкции 450 км ВЛ 6(10) кВ составляет свыше 2300 млн.руб. Результаты диссертационной работы использованы при сооружении в условиях Северо-Запада свыше 100 км ВЛ с изолированными проводами. При этом наряду с повышением надежности и бесперебойности электроснабжения достигнуто уменьшение площади земельных отводов, издержек на эксплуатацию и убытков как АО "Ленэнерго", так н Ленинградской области.

На защиту выносится: 9 закономерности и параметры, хара5сгеризующие длительные и экстремальные воздействия на элементы воздушных линий по току и напряжению с учетом физико-химических свойств изолированных проводов, параметров питающей системы, нагрузки, устройств защиты и автоматического повторного включения; • метод и технические средства защиты воздушных линии 6( 10) кВ, ограничивающие рабочий градиент напряжения при перекрытии изоляции и предотвращающие переход искрового разряда в силовую дугу.

Апробация.

Основные положения к результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на семинарах ученых кафедры электротехники и электроснабжения горных предприятий СПбГТИ (ТУ), конференциях молодых ученых СПбГГИ (ТУ) в 1995-1997 годах, IV международном симпозиуме "Горное оборудование, переработка минерального сырья, новые технологии, экология", С.-Петербург, 1996, международном симпозиуме "Энергосберегающие технологии добычи, транспортировки и переработки твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых", С-Петербург, 1996, и международном научно-техническом семинаре "Проблемы энергетики и пути их решения", Барселона, 1997.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 8 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 154 страницах. Содержит 39 рисунков, 25 таблиц, список литературы го 106 наименований и 5 приложений. Общий объем работы 177 страниц.

Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается ее актуальность, дается краткая характеристика полученных результатов, их научная значимость и практическая ценность.

В главе 1 рассмотрены проблемы использования изолированных проводов при строительстве и реконструкции ВЛ 6(10) кВ с изолированными проводами, сформулированы цель и задачи исследования.

В главе 2 приведены результаты испытания изолированных и неизолированных проводов отечественного и зарубежного производства для ВЛ 6(10) кВ, установлены их прочностные электрические и механические характеристики, проведен их сравнительный анализ. Даны рекомендации по применению различных типов изолированных проводов для производственных, горных и муниципальных предприятий Северо-Запада.

В главе 3 разработана система выбора сечения изолированных проводов воздушных линий по допустимому длительному току и по термической стойкости к токам короткого замыкания и параметров устройств защиты воздушных ЛЭП с изолированными проводами, позволяющая выбрать сечение изолированных проводов с учетом мощности силовых трансформаторов электроподстанций, конфигурации сети.

В главе 4 разработаны метод и средства грозозащиты ВЛ 6(10) кВ с изолированными проводами с помощью длинно-искровых разрядников, предотвращающих переход искрового разряда силовую дугу. Синтезирована конструкция ИДИГР, сочетающая свойства изолятора и длинно-искрового разрядника. Определены параметры разрядника, при которых канал разряда остается на поверхности изолятора.

В главе 5 рассмотрены особенности электрического и механического расчета ВЛ 6(10) кВ с изолированными проводами, адаптирована применительно к условиям В ЛИ методика расчета механических напряжений и тяжений проводов, определения максимальных пролетов между опорами ВЛ. Разработана методика экономического

обоснования строительства и реконструкции В Л 6(10) кВ с применением изолировашшх проводов.

Заключение отражает обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решенными задачами.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Положение 1.

Закономерности и параметры, характеризующие длительные и экстремальные воздействия на элементы воздушных линий по току и напряжению с учетом физико-химических свойств изолированных проводов, параметров питающей системы, нагрузки, устройств защиты и автоматического повторного включения;

В настоящее время для внедрения п В Л 6(10) предлагается широкая номенклатура »полированных и неизолированных проводов, параметры которых указываются в соответствии с национальными стандартами производителей. Для определения допустимых экстремальных воздействий в соответствии со стандартами РФ были проведены сравнительные испытания изолированных и неизолированных проводов. Сравнительные электрические и механические испытания проводились на следующих образцах проводов:

• отечественные алюминиевые марки А 70;

• отечественные сталеалюминиевые марки АС 70;

• скрученные провода "Торсада" 3x70+70; .

• изолированные провода фирмы Cableries de Lens сечением жилы 54, 6 мм2, предназначенные для ВЛ 6 кВ;

• изолированные провода типа "SAX-70" для ВЛ 10 кВ.

Высоковольтные испытания изолированных проводов проводились с целью определения их электрической прочности в наиболее опасных условиях, возможных в процессе эксплуатации ВЛ. К таким условиям, в первую очередь, относятся условия, имитирующие падение дерева на линию и схлестывание проводов при штормовом ветре. Испытания изолированных проводов проводились на лабораторном стенде высоковольтной установки 200 кВ. Для испытаний, имитирующих воздействие упавшего дерева, к образцу в средней его части через колесо с диаметром желоба 180 мм подвешивался сосредоточенный груз массой 250 кг. Для определения пробивной прочно-

ста изоляции и имитации междуфазного перекрытия проводов применялся метод с погружением концов провода в сосуд с маслом. Для испытаний, имитирующих междуфазное перекрытие, использовались деа образца переплетенные между собой по крайней мере в двух местах.

Все испьггьшавшиеся провода имели примерно одинаковую толщину изоляции. В результате испытаний установлено, что пробивная прочность фазных проводов "Торсада" 0,4 кВ и проводов "SAX" в 1,5 раза превосходит прочность провода фирмы Cableries de Lens 6 кВ и троса "Торсада" (45 кВ и 30 кВ). Анализ образцов по месту пробоя выявил следующую закономерность. Провода с более низкой электрической прочностью имеют одинаковую конструкцию, одна проволока в центре и 6 по краям эксцентрично относительно центра провода. Пробои происходили в местах с наиболее тонкой изоляцией. Кроме того, жилы проводов с более высокой электрической прочностью более уплотнены. Прочностные характеристики этих проводов имеют наибольшее абсолютное значение и наименьший разброс при испытаниях. Образцы провода "SAX" имеют стабильно неизменную величину электрической прочности междуфазной изоляции, равную 65 кВ. У провода фирмы Cableries de Lens 6 кВ пробивное напряжение за счет эксцентриситета имело разброс от 45 до 65 кВ.

Проверка и сравнение основных механических характеристик проводов различных фирм-изготовителей проводились на разрывной машине FPZ-100/1 с записью диаграммы F - Д1.

Из сравнения результатов испытаний следует, что предел прочности отдельно зажатой проволоки на 5*7% выше прочности всего пучка, что связано с явлением "выползания из зажимов" образца при испытаниях пучка. Предел прочности стн" отечественного сталеалюминиевого провода (327 МПа) практически совпадает с аналогичной величиной зарубежных проводов ( "SAX70" и фирмы Cableries de Lens 6 кВ). В отечественных сталеалюминиевых проводах не происходит накопления вязких деформаций (деформаций ползучести) за счет наличия стального провода. Воздушные линии электропередачи с алюминиевыми проводами обладают ползучестью и постоянным увеличением стрелы провисания при гололедных на-

грузках. Алюминиевые провода из сплавов повышенной прочности этими недостатками не обладают.

Условия охлаждения изолированных проводов отличаются от соответствующих условий для неизолированных проводов. Длительно допустимая температура нагрева изолированного провода 80°С, при к.з. температура нагрева проводов не должна превышать 200°С. Сечение изолированных проводов необходимо выбирать по нагреву длительно допустимым током и проверять на термическую стойкость при максимально возможных токах к.з.

Учитывая ограниченную возможность изоляции проводов, для В ЛИ предъявляются повышенные требования к точности определения тока к.з. и выбору технических средств и уставок устройств релейной защиты и сетевой автоматики. Максимальный ток трехфазного к.з. на шинах подстанции (без учета подпитки от электродвигателей) 1к(3)Макс вн (А), приведенный к стороне высшего напряжения, вычисляется по формуле:

у-(З) ^^^^ном^тр.ном

к.макс.ВН

Iз| ЮОЛ'......';„,„,„, +и......['/.

где: UKMIM - напряжение к.з. трансформатора соответствующее крайнему ''минусовому'' ответвлению регулируемой обмотки, %; Ucp.BH - среднее напряжение на стороне ВН, кВ; Ли*рпн - половина полного (суммарного) диапазона регулирования напряжения на стороне ВН трансформатора (в относительных единицах);

S^hom - номинальная мощность трансформатора, MB А. UH04 - номинальное напряжение сети, В; Хс махс - наименьшее сопротивление питающей системы в максимальном ее режиме, отнесенное к стороне ВН, Ом.

сд

КО)

АД

Рис.1. Расчетная схема дня определения импульса квадратичного тока с учетом подпитки от электродвигателей.

В соответствии с расчетной схемой на рис. 1 и аппроксимации составляющей теплового импульса от эквивалентного дополнительного источника методом наименьших квадратов, получено аналитическое выражение для определения теплового импульса к.з. с учетом подпитки точки к.з. от двигателей напряжением свыше 1 кВ в виде:

Вк = (/^/r)2(ijl,05055 - 1,215 • 10"'х - 1,683 • 1(Г> -

-3,567• 10_1ху + 5,025• КГ2/ + 5,575-10~2ху2-6- Ю-2/ "

ЗД7 • 10~3ху3 +2,38- Ю-4/ + 4,58 • 10~5 ху4j + Гй э),

/(3) Г +/(3)7' // ч

т к.вн.махс а.с ДЭ а.ДЭ _ w3) // (3) , т(3)\

1 а.Э ~ г(3) , т(3) > л ~ 1 ДЭ/ у к.сн.махс 1 ДЭ) '

к.вк.махс ДЭ

y = tnJTM3-

1<3 дэ - ток подпил си точки к.з. от эквивалентного дополнительного двигателя - дополнительного источника; tn - приведенное время протекания тока к.з. Оценка реального диапазона изменения тока подпитки точки к.з. для предприятий горнодобывающей промышленности показала, что она может приводить к увеличению импульса квадратичного тока к.з. Вк на 30%:

К = к^в,

где: Клод = 1+1,3 - коэффициент, учитывающий увеличение импульса квадратичного тока В при подпитке точки к.з. от двигателей. Проверку проводов типа SAX на термическую стойкость проводится по формуле:

1^Вк>

где: 1т - максимально допустимый ток термической стойкости изоли-

рованного провода в течение времени tT.

tn - приведенное время протекания тока к.з.

Величина tn при наличии АПВ и электромеханических реле составляет 1,3+2,6 с. Снижение величины tn до 0,3+0,65 с достигается путем применения цифровых реле за счет ускорения отключения

к.з. благодаря их более высокой точности работы и наличию ускорения действия защиты после АПВ линии.

Выполнен сравнительный анализ показателей надежности BJI с изолированными и неизолированными проводами на основе статистических данных по отказам в ВЛ 6(10) кВ АО "Ленэнерго". Частота отказов на 1 км ВЛ с неизолированными проводами определена по формуле:

пх +щ+п2+ п4

^ = MKt '

где: l(t) - средняя длина ВЛ 6(10) кВ за расчетный период;

П] - отказы обусловленные изменением свойств материала в процессе эксплуатации; п2 - отказы вызванные влиянием климатических условий; п3 - отказы вызванные посторонними воздействиями; 114 - отказы, обусловленные недостатками проектирования, дефектами конструкции и изготовления, дефектами монтажа, транспортировки и хранения и т.п.; At= 1 год - расчетный период.

Частота отказов В ЛИ определена из выражения:

пх +п4 ~ /(/)Д/ '

Среднее значение юн = 0,0684 год'1, среднее значение сви = 0,0287 год"1.

На основании сопоставления значений юи и ю„, можно ожидать, что применение изолированных проводов в ВЛ 6(10) приведет к уменьшению частоты их отказов в среднем 2,4 раза.

Показано, что для условий Северо-Запада РФ наиболее подходящим типом проводов являются провода, имеющие конструкцию, аналогичную проводам типа "SAX" фирмы Nokia Cables.

Положение 2.

Метод и технические средства защиты воздушных линий 6(10) кВ, ограничивающие рабочий градиент напряжения при перекрытии изоляции и предотвращающие переход искрового разряда в силовую дугу.

Разработан метод, позволяющий улучшить грозозапцпу линий электро предачи путем удлинения пути импульсного грозового пере-

крытия за счет использования специальных длшшоискровых грозозащитных разрядников (ДИГР), предотвращающих переход скользящего разряда в дуговой. Главным элементом ДИГР является отрезок изолированного провода длиной, в несколько раз превышающей длину изоляторов линии. Конструктивные особенности разрядника обеспечивают его более низкую импульсную электрическую прочность по сравнению с защищаемой изоляцией. Главной особенностью предлагаемых разрядников является то, что вследствие большой длины при его импульсном перекрытии вероятность установления дуги короткого замыкания практически сводится к нулю, за счет чего существенно сокращается количество отключений В ЛИ. Разработанные разрядники в зависимости от способа их установки по отношению к защищаемой фазной изоляции разделяются на конструкции параллельной и последовательной установки с изолятором.

Основной технической характеристикой длинно-искровых разрядников является длина скользящего разряда по поверхности изоляции, обеспечивающая необходимое условие для воспрепятствования образованию силовой дуги в момент импульсного грозового перекрытия, а значит работу линии без отключения.

Исходя из принятого критерия, Едоп < 7 кВ/м (Едоп = Иф/Ь -средний градиент фазного напряжения вдоль суммарного пути импульсного перекрытия Ь), длина отрезка изолированного провода должна составлять около 75 см, а дополнительный воздушный зазор 3-5-5 см. В результате испытаний установлено, что 50%-ные разрядные напряжения ДИГР петлевой конструкции составляют 105-ь135 кВ.

Синтезирована конструкция (рис.2.) изолятора с характеристиками длинноискрового грозового разрядника (ИДИГР), обеспечивающая выполнение основной функции - изоляции и одновременно грозозащиту В ЛИ. При достаточно большом перенапряжении, приложенном к фланцам, около верхнего фланца начинает развиваться канал импульсного разряда. Наличие направляющего электрода, имеющего тот же потенциал, что и нижний фланец, усиливает напряженность электрического поля на конце канала разряда и, таким образом, создает более благоприятные условия для развития скользящего разряда вдоль поверхности изолятора. Благодаря наличию ребер разряд вынужден развиваться по весьма длинной спиралевид-

ной траектории. При этом градиент электрического поля на канале перекрытия, создаваемый рабочим напряжением промышленной частоты недостаточен для установления силовой дуги.

1 - изоляционное тело со спиральными ребрами; 2 - металлические фланцы; 3 - провод; 4 - направляющий электрод.

Рис.2. Конструкция ИДИГР.

Кроме того, вследствие спиралевидной траектории канала возникают электродинимические силы, приложенные к каналу разряда и направленные в сторону от вертикальной оси изолятора, т.е. растягивающие спираль канала разряда. Эти силы перемещают канал разряда в холодном (непрогретом) воздухе. Таким образом происходит интенсивное охлаждение канала и увеличение его электрического сопротивления. Вследствие этого, после прохождения импульсного тока грозового перенапряжения силовая дуга от напряжения промышленной частоты не образуется и В ЛИ может продолжать бесперебойную работу без отключения.

Магнитная индукция на оси спирального канала при

3

2

О < к < 1 :

где: I - ток протекающий через канал разряда;

И - радиус цилиндра, вокруг которого проходит спираль; А - коэффициент, характеризующий форму спирали; ц - магнитная проницаемость. Электромагнитная сила, растягивающая канал:

Конечный радиус спирали канала:

2

( I 3 ¡2 44 М I2 У 2 у 7 г 4л: J

где: Ио - начальный радиус спирали канала (цилиндра изолятора); Ик - конечный радиус спирали канала; Т - время протекания тока;

у - коэффициент связи между радиусом, силой аэродинамического сопротивления и скоростью перемещения канала.

В табл. 1 приведены результаты оценки перемещения спирального канала разряда под действием электромагнитных сил при г = 1мм; 25 кг/м2; йо = 2,5 см.

Таблица 1.

I, кА 1 2 10

Яь см 2,9 3,3 5,9

Л = - Ло, см 0,4 1,8 2,4

Как видно из табл. 1, при токах до 10 кА перемещение канала разряда под действием электромагнитных сил не превосходит 3 см. Поэтому при вылете ребра 3 см и токах до 10 кА канал разряда будет оставаться на поверхности изолятора.

Проведены импульсные электрические испытания, моделирующие грозовые перекрытия молнией, подтвердившие работоспособность предложенных разрядников и ИДИГР.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано решение научной задачи, заключающейся в разработке теоретической и методической основы проектирования воздушных линий электропередачи 6(10) кВ повышенной надежности с применением изолированных проводов.

Основные выводы диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Выявлены допустимые параметры экстремальных воздействий на элементы воздушных линий по току и напряжению и зависимость их показателей надежности от физико-химических свойств проводов. Установлено соответствие прочностных электрических и механических характеристики, изолированных и неизолированных проводов зарубежного н отечественного производства требованиям стандартов РФ, проведен их сравнительный анализ. Выявлено, что пробивные напряжения изолированных проводов при приложении груза и без него практически не отличаются. Определена кратковременная электрическая прочность испытанных типов проводов. Для проводов типа "Торсада" (фазный провод) и "SAX-70" она составляет 42+45 кВ. Изоляция троса проводов типа "Торсада" и изолированного провода фирмы Cableries de Lens пробивалась при напряжении 30+35 кВ. Показано, что на величину пробивного напряжения существенное влияние оказывает конструкция жилы и эксцентриситет изоляции.

2. Установлены величины пробивного напряжения изоляции проводов при междуфазных перекрытиях. Для фазных проводов типа ' Торсада" 0,4 кВ и "SAX-70" 10 кВ пробивное напряжение имеет стабильное значение равное 65 кВ. У проводов, имеющих эксцентриситет жилы, пробивное напряжение при схлестывании изменяется в пределах 45+65 кВ. Сравнительные механические испытания шести типов проводов на растяжение показали, что у провода типа "SAX-70" 10 кВ и изолированного провода 6 кВ фирмы Cableries de Lens усредненный предел прочности ан = 315 МПа в 2,5 раза превосходит прочность алюминиевого сплава, используемого в отечественных алюминиевых проводах типа А-70 (стн = 125 МПа). Предел прочности отечественного сталеалюминиевого

провода AC 70 (ст„ = 327 МПа) аналогичен величине прочности зарубежных проводов, выполненных из альдрея и альмелека.

3. Выполнен сравнительный анализ показателей надежности BJI с изолированными и неизолированными проводами. Установлено, что в условиях "Ленэнерго" частота отказов на 1 км составляет юн = 0,0584+0,0742 год"1. Наибольшее число отказов (49,5%) обусловлено посторонними воздействиями, на втором месте находятся отказы, возникающие из-за недостатков проектирования и дефектов конструкции и монтажа. Установлено, что физико-химические свойства изолированных проводов позволяют частично или полностью исключить отказы вызванные влиянием климатических условий и посторонними воздействиями, уменьшить частоту отказов ВЛ 6(10) кВ в 2,4 и более раз. Показано, что в условиях Северо-Запада РФ при использовании для строительства и реконструкции В ЛИ проводов типа "SAX" фирмы Nokia Cables (Финляндия) следует ожидать уменьшения средней частоты отказов до 0,0287 год1. Существенным резервом повышения надежности ВЛ 6(10) кВ в первую очередь являются повышение механической прочности, качества проектирования и строительства линий.

4. Установлены закономерности и разработаны методические положения выбора изолированных проводов воздушных линий по допустимому длительному току и термической стойкости к токам к.з. от параметров питающей системы, устройств защиты и автоматического повторного включения, конфигурации сети, величины э.д.с. и постоянной времени затухания переходной составляющей тока к.з. от синхронных и асинхронных электродвигателей напряжением свыше 1 кВ.

5. Разработана методика проверки термической стойкости изолированных проводов воздушных линий 6(10) кВ в экстремальных условиях без учета двигательной нагрузки. Уставлено, что даже при мощности силовых трансформаторов подстанции 10 MB А, линии, выполненные изолированными проводами сечением 70 мм2, могут оказаться нетермостойкими. Уменьшение импульса квадратичного тока, воздействующего на провода ВЛИ путем ограничения длительности к.з. благодаря выполнению защиты на электромеханических реле в виде токовой отсечки оказывается недос-

таточкым при использовании для повышения надежности электроснабжения АПВ. Снижение величины времени приведенного к.з. до необходимого значения может быть достигнуто путем применения цифровых реле за счет ускорения отключения к.з., благодаря их более высокой точности работы и введению ускорения действия защиты после АПВ. При этом минимальное значение времени отключения к.з. составит 0,3-Ю,65 с, а собственное время работы защиты 0,2-И),25 с.

6. Разработана методика оценки термической стойкости изолированных проводов В ЛИ 6(10) кВ с учетом действия АПВ и подпитки точки короткого замыкания от электродвкгагелсй напряжением свыше 1 кВ. Установлена зависимость величины теплового импульса тока к.з. от параметров питающей системы, величины э.д.с. и постоянных времени затухания переходной составляющей тока к.з. от синхронных и асинхронных двигателей напряжением свыше 1 кВ. Выполнена проверка адекватности установленной зависимости. Показано, что полученная зависимость позволяет определить импульс квадратичного тока с погрешностью не более 5%. Установлено, что в условиях торных предприятий подпитка точки короткого замыкания может приводить к увеличению импульса квадратичного тока к.з. на 10-5-30%. Предложена методика выбора параметров цифровых устройств защиты воздушных линий с изолированными проводами, в том числе по условиям; несрабатывание защиты после отключения к.з. на предыдущем участке, согласованию чувствительности защит последующего и предыдущего участков и обеспечению требуемой чувствительности в основной зоне и зонах дальнего резервирования.

7. Разработан новый эффективный метод защиты воздушных линий 6(10) кВ от грозовых перенапряжений. Метод предусматривает ограничение градиента рабочего напряжения при перекрытии изоляции величиной 7 кВ/м. При этом предотвращается переход искрового перекрытия в силовую дугу путем удлинения пути импульсного грозового перекрытия и обеспечивается повышение надежности работы В ЛИ. Разработаны специальные длинно-искровые грозозащитные разрядники (ДИПР), реализующие предложенный метод и исключающие переход искрового разряда

в силовую дугу при амплтудных значениях перенапряжений вплоть до 400 кВ. Предложены два вида ДИГР, отличающиеся способом установки по отношению к изоляции защищаемой фазы - параллельно изолятору (со стороны опоры) и последовательно (на проводе) с изоляцией защищаемой фазы. Определены основные конструктивные размеры ДИГР для В ЛИ 6(10) кВ, позволяющие снизить практически до нуля вероятность возникновения силовой дуги при грозовых перекрытиях изоляции.

8. Синтезирована конструкция ИДИГР, обеспечивающая выполнение основной функции - изоляции и одновременно грозозащиту В ЛИ. Принцип действия изолятора основан на эффекте уменьшения вероятности установления силовой дуги при увеличении длины импульсного грозового перекрытия. За счет спирального ребра на поверхности изолятора создан весьма длинный путь прекрытия изолятора по его поверхности. Вероятность образования силовой дуги промышленной частоты сводится практически к нулю, и тем самым обеспечивается бесперебойная работа электрической сети при грозовых перенапряжениях. Выполнена оценка перемещения спиралевидного канала разряда под действием электромагнитных сил. Установлено, что при токах до 10 кА перемещение канала разряда под действием электромагнитных сил не превосходит 3 см. Поэтому при вылете ребра 3 см, начальном радиусе спирали канала (цилиндра изолятора) 2,5 см и токах до 10 кА канал разряда будет оставаться на поверхности изолятора. Конечный радиус спирали будет составлять 2,9+5,9 см. При больших токах, по -видимому, произойдет "срыв" канала с изолятора. Однако, для распределительных сетей 10 кВ протекание токов грозового перенапряжения при перекрытии изолятора больших 10 кА очень маловероятно.

9. Рассмотрены особенности электрического и механического расчета воздушных линий с изолированными проводами Отмечено, что электрический расчет должен производится в соответствии с разработанными в настоящей диссертации системой выбора сечений изолированных проводов по длительно допустимому току и по термической стойкости к токам к.з., методиками оценки термической стойкости изолированных проводов В ЛИ 6(10) кВ с учетом и без учета действия АПВ и подпитки точки к.з. от элекгродвигате-

лей напряжением свыше 1000 В и методикой выбора и согласования параметров цифровых устройств защиты последующего и предыдущего участка В ЛИ. Применительно к изолированным проводам адаптирована методика расчета механических напряжений и тяжений проводов, определения максимальных пролетов между опорами ВЛ. На основании результатов опьгга эксплуатации В ЛИ в Ленинградской области отмечено, что гололедные отложения при определении габаритного пролета могут не учитываться, учитывается возрастание парусности В ЛИ из-за наличия изоляции и изморози. Установлено, что максимальными пролетами для ВЛ с изолированными проводами на железобетонных опорах П10-1 и П10-5 являются 110 м и 140 м соответственно. Показано, что применение укороченных траверс при реконструкции В ЛИ позволяет уменьшить расход металла на 20+40% по сравнению с вариантом с типовыми траверсами, применяемыми для ВЛ с неизолированными проводами.

10. Разработана методика экономического обоснования строительства и реконструкции ВЛ 6(10) кВ с применением изолированных проводов, учитывающая их повышенную надежность по сравнению с неизолированными. Методика предусматривает определение ущерба от недоотпуска электроэнергии потребителям, учитывающая убытки энергоснабжающей организации, территории, затраты на восстановление ВЛ н ликвидацию последствий аварии, а также штрафы предъявляемые потребителями. Установлено, что срок окупаемости капитальных вложений при реконструкции В ЛИ не превышает 5 лет, годовой экономический эффект на 1 км в условиях Северо-Запада России составляет около 4,5 млн.руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Абрамович Б.Н., Гульков В.М. Распределительные электрические сети напряжением 0,38-10 кВ с изолированными проводами. В сборнике тезисов докладов научно-технического семинара "Проблемы энергетики и пути их решения", Барселона, 1997.

2. Гульков В.М. Воздушные линии электропередачи 6(10) кВ с изолированными проводами. В сборнике тезисов докладов ежегодной научной конференции молодых ученых СПбГТИ, 1996.

3. Гульков В.М. Анализ опыта эксплуатации изолированных проводов BJI 0,4-10 кВ, изготовленных н проложенных в различных странах мира. В сборнике тезисов докладов международного симпозиума "Энергосберегающие технологии добычи транспортировки и переработки твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых. СПбГГИ, 1996.

4. Гульков В.М. Обзор методов ускоренных ресурсных испытаний для оценки сроков службы изолированных проводов BJI 0,4-10 кВ. В сборнике тезисов докладов международного симпозиума "Энергосберегающие технологии добычи транспортировки и переработки твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых. СПбГГИ, 1996.

5. Гульков В.М. Выбор сечения изолированных проводов и параметров устройств защиты воздушных линий. В сборнике тезисов докладов ежегодной научной конференции молодых ученых СПбГТИ, 1997.

6. Гульков В.М. Лозовский С.Е. Определение величины пролета для

. воздушных линий 6(10) кВ с изолированными проводами. В

сборнике тезисов докладов ежегодной научной конференции молодых ученых СПбГГИ, 1997.

7. Гульков В.М. Грозозащита ВЛ напряжением 6(10) кВ с изолированными проводами. В сборнике тезисов докладов симпозиума "Горное оборудование, переработка минерального сырья, новые технологии, экология. СПб.: BAO Рестзк, 1996.

8. Никифорова В.Н., Гульков В.М., Ситников А.И. Сертификация электрической энергии по показателям качества. -М.: Энергетическая политика, 1995, вып.4.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ВНЕДРЕНИЯ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ 6(10) кВ С ИЗОЛИРОВАННЫМИ ПРОВОДАМИ.

1.1. Общая характеристика В Л 6(10) кВ.

1.2. Применение изолированных проводов в ВЛ 6(10) кВ.

1.3. Физико-химические свойства и параметры изолированных проводов В ЛИ 6( 10) кВ.

1.4. Грозопоражаемость В Л 6(10) кВ с изолированными и неизолированными проводами.

1.5. Цель и задачи диссертационной работы.

ГЛАВА 2. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ НАДЕЖНОСТИ

ВЛ С ИЗОЛИРОВАННЫМИ ПРОВОДАМИ.

2.1. Факторы, влияющие на надежность В ЛИ и задачи испытаний изолированных проводов.

2.2. Электрические испытания.

2.3. Механические испытания.

2.4. Сравнительный анализ показателей надежности В Л с изолированными и неизолированными проводами.

2.5. Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3. ВЫБОР СЕЧЕНИЯ ИЗОЛИРОВАННЫХ ПРОВОДОВ И

ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ.

3.1. Выбор сечения изолированных проводов ВЛИ 6(10) кВ по условиям нагрева.

3.2. Оценка термической стойкости изолированных проводов ВЛИ 6(10) кВ без учета двигательной нагрузки.

3.3. Оценка термической стойкости изолированных проводов ВЛИ 6(10) кВ с учетом двигательной нагрузки.

3.4. Выбор параметров цифровых устройств защиты ВЛИ 6(10) кВ.

3.5. Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4. ГРОЗОЗАЩИТА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ 6(10) кВ С

ИЗОЛИРОВАННЫМИ ПРОВОДАМИ.

4.1. Грозозащита ВЛИ 6(10) кВ с использованием импульсных грозовых разрядников.

4.2. Изолятор с характеристиками длинно-искрового грозового разрядника.

4.3. Оценка перемещения спиралевидного канала разряда под действием электромагнитных сил.

4.4. Выводы к главе 4.

ГЛАВА 5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И КОНСТРУКЦИИ ВЛИ 6(10)

5.1. Особенности проектирования ВЛИ 6(10) кВ.

5.2. Механический расчет ВЛИ 6(10) кВ.

5.3. Конструкции элементов ВЛИ 6(10) кВ.

5.4. Экономическая эффективность строительства и эксплуатации ВЛИ 6(10) кВ.

5.5. Выводы к главе 5.

Воздушные линии (ВЛ) напряжением 6(10) кВ, являются одним из основных элементов систем электроснабжения промышленных предприятий и объектов коммунального хозяйства. ВЛ 6(10) кВ представляют собой сложный электротехнический комплекс, состоящий из проводов, изоляторов, траверс, опор, заземляющих устройств и разрядников, устройств защиты от аварийных режимов, в т.ч. от перегрузок и атмосферных перенапряжений.

Общая протяженность, находящихся в эксплуатации в Российской Федерации ВЛ 6(10) кВ превышает 1200 тыс.км. По состоянию на 01.01.97. в эксплуатации находилось 698 тыс. км. ВЛ 6^-20 кВ, требующих замены или реконструкции, в т.ч. в АО "Ленэнерго" 450 км.

Надежность электроснабжения предприятий в значительной мере определяется надежностью ВЛ 6(10) кВ. Ежегодно аварийно отключается 10% всех ВЛ 6(10) кВ, находящихся в эксплуатации. Анализ аварий ВЛ 6(10) кВ показывает, что их основными причинами являются экстремальные климатические воздействия, неудовлетворительное строительство и эксплуатация элементов ВЛ (в т.ч. передвижных опор и грозовых разрядников), несоответствие длины пролетов и параметров опор [53, 69]. Наиболее распространенными видами повреждений ВЛ 6(10) кВ являются междуфазные к.з., обрывы проводов, однофазные замыкания на землю. Частые повреждения ВЛ 6(10) кВ происходят из-за обрывов проводов, сближения и схлестывания проводов, ветровых и гололедных нагрузок, наезда техники и т.д. Среднее время восстановления одного отказа ВЛ 6(10) кВ составляет более 3-х часов, затраты на восстановление в среднем превышают 1 млн.руб., а ущерб, включая недо-отпуск электрической энергии, может достигать 2 млн.руб. Поэтому особую актуальность приобретает необходимость повышения надежности ВЛ 6(10) кВ путем снижения количества междуфазных к.з., замыканий на землю, повышением механической прочности проводов и опор. Сооружение ВЛ 6(10) кВ с неизолированными проводами требует отчуждения значительных площадей и значительных затрат, связанных с вырубкой и последующей периодической чисткой просек в лесной зоне.

Анализ научно-технических достижений в области передачи и распределения электрической энергии показывает, что одним из весьма эффективных способов повышения надежности и электробезопасности В Л 6(10) кВ является строительство воздушных линий с изолированными проводами (ВЛИ). К основным эксплуатационным преимуществам ВЛИ можно отнести:

• снижение механической повреждаемости из-за климатических воздействий (налипания снега, отложения гололеда, давления ветра);

• возможность уменьшения габаритов в местах пересечений и сближений с другими линиями, при прокладке в лесной зоне;

• сохранение питания потребителей при поломке (падении) опоры или частичного падения проводов на землю;

• повышение электробезопасности за счет исключения однофазных замыканий на землю;

• снижение материалоемкости конструктивных элементов ВЛ;

• уменьшение земельных отводов в густонаселенных городских, пригородных и сельских районах;

• возможность прокладки ВЛ в парках, заповедниках и лесах 1-ой группы;

• приведение распределительных сетей городов и поселков в соответствие с эстетическими требованиями мировой практики.

Все эти качества ВЛИ были подтверждены в процессе их многолетней эксплуатации в различных, в том числе очень жестких, климатических условиях. Конструктивное исполнение ВЛИ, выбор сечений, способов монтажа и прокладки проводов в разных странах различаются в зависимости от класса номинального напряжения, местных условий и требований потребителя.

Вопросы разработки BJI 6(10) kB с изолированными проводами являются предметом успешно выполняемых исследований Абрамовичем Б.Н., Ва-лявским Ю.П., Коганом Ф.Л., Лакерником P.M., Подпоркиным Г .В., Смоло-виком C.B., Тихореев H.H., Шарле Д.Л., Шийко А.П., H.Lehtinen, I.Lehtinen, A.Hinkkuri. и др. Работы ведутся в АО "РОСЭП", АО "Фирма ОРГРЭС", АО "НИПГ\ НПО "Стример", АО "Западсельэнергопроекг \ СПбГТУ, зарубежных фирмах Nokia Cables, Cableries de Lens и др.

Однако, к настоящему времени не решен комплекс вопросов, связанных с методическим обеспечением проектных работ, в т.ч. отсутствуют рекомендации по выбору типов изолированных проводов и параметров воздушных линий с учетом климатических особенностей регионов, методики выбора сечения и средств защиты изолированных проводов по условию термической стойкости к токам к.з. и эффективные средства грозозащиты ВЛИ. Поэтому, целью настоящей работы являлось создание теоретической и методической базы проектирования воздушных линий повышенной надежности напряжением 6(10) кВ с изолированными проводами, обеспечивающими снижение количества и продолжительности перерывов электроснабжения, вызванных междуфазными к.з., обрывами проводов и однофазными к.з. на землю, а также снижение материалоемкости и эксплуатационных затрат за счет уменьшения междуфазного расстояния, ширины просек и землеоотводов. Для практической реализации поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Проведены электрические и механические испытания изолированных проводов отечественного и зарубежного производства, установлена степень соответствия их основных параметров стандартам РФ и разработаны рекомендации по выбору наиболее подходящего типа проводов для условий Северо-Запада России.

2. Разработана система выбора изолированных проводов воздушных линий по допустимому длительному току и термической стойкости к току к.з. с учетом действия АПВ и подпитки точки к.з. от электродвигателей напряжением свыше 1 кВ.

3. Разработана методика выбора параметров цифровых устройств защиты воздушных линий с изолированными проводами, в том числе по условиям несрабатывания защиты после отключения к.з. на предыдущем участке и согласования чувствительности защит последующего и предыдущего участков.

4. Разработан новый эффективный метод защиты В ЛИ от грозовых перенапряжений и экономичные технические средства для реализации его, предотвращающие переход искрового перекрытия в силовую дугу путем удлинения пути импульсного грозового перекрытия.

5. Разработаны специальные длинно-искровые грозозащитные разрядники (ДИГР), исключающие переход искрового разряда в силовую дугу при амплитудных значениях перенапряжений вплоть до 400 кВ и позволяющие снизить практически до нуля вероятность возникновения силовой дуги при грозовых перекрытиях изоляции.

6. Установлены величины максимальных пролетов ВЛИ 6(10) кВ исходя из условий минимума максимальных значений габаритного и ветрового пролетов и прочности используемых опор.

Показано, что применение изолированных проводов приведет к уменьшению частоты отказов ВЛ 6(10) кВ в среднем в 2,4 раза. Применение изолированных проводов при строительстве и реконструкции В Л 6(10) кВ позволяет снизить ущерб от одного перерыва электроснабжения и необходимости проведения восстановительных работ в среднем на 2 млн.руб. в ценах 1997 г.

Основные выводы диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Выявлены допустимые параметры экстремальных воздействий на элементы воздушных линий по току и напряжению и зависимость их показателей надежности от физико-химических свойств проводов. Установлено соответствие прочностных электрических и механических характеристики, изолированных и неизолированных проводов зарубежного и отечественного производства требованиям стандартов РФ, проведен их сравнительный анализ. Выявлено, что пробивные напряжения изолированных проводов при приложении груза и без него практически не отличаются. Определена кратковременная электрическая прочность испытанных типов проводов. Для проводов типа "Торсада" (фазный провод) и "SAX-70" она составляет 42-^45 кВ. Изоляция троса проводов типа "Торсада" и изолированного провода фирмы Cableries de Lens пробивалась при напряжении 30-г35 кВ. Показано, что на величину пробивного напряжения существенное влияние оказывает конструкция жилы и эксцентриситет изоляции.

2. Установлены величины пробивного напряжения изоляции проводов при междуфазных перекрытиях. Для фазных проводов типа "Торсада" 0,4 кВ и "SAX-70" 10 кВ пробивное напряжение имеет стабильное значение, равное 65 кВ. У проводов, имеющих эксцентриситет жилы, пробивное напряжение при схлестывании изменяется в пределах 45^-65 кВ. Сравнительные механические испытания шести типов проводов на растяжение показали, что у провода типа "SAX-70" 10 кВ и изолированного провода 6 кВ фирмы Саbienes de Lens усредненный предел прочности ан = 315 МПа в 2,5 раза превосходит прочность алюминиевого сплава, используемого в отечественных алюминиевых проводах типа А-70 (ан = 125 МПа). Предел прочности отечественного сталеалюминиевого провода АС 70 (ан = 327 МПа) аналогичен величине прочности зарубежных проводов, выполненных из альдрея и альмелека.

3. Выполнен сравнительный анализ показателей надежности BJI с изолированными и неизолированными проводами. Установлено, что в условиях "Ленэнерго" частота отказов на 1 км составляет сон = 0,0584-0,0742 год'1, среднее значение сонс = 0,0684 год"1. Наибольшее число отказов (49,5%) обусловлено посторонними воздействиями, на втором месте находятся отказы, возникающие из-за недостатков проектирования и дефектов конструкции и монтажа. Установлено, что физико-химические свойства изолированных проводов позволяют частично или полностью исключить отказы вызванные влиянием климатических условий и посторонними воздействиями, уменьшить частоту отказов ВЛ 6(10) кВ в 2,4 и более раз. Установлено, что в условиях Северо-Запада РФ наиболее подходящим типом провода являются провода, имеющие конструкцию, аналогичную проводам типа "SAX" фирмы Nokia Cables (Финляндия). При этом следует ожидать, что средняя частота отказов составит не более 0,0287 год"1. Показано, что существенным резервом повышения надежности ВЛ 6(10) кВ в первую очередь являются повышение механической прочности, качества проектирования и строительства линий.

4. Установлены закономерности и разработаны методические положения выбора изолированных проводов воздушных линий по допустимому длительному току и термической стойкости к токам к.з. от параметров питающей системы, устройств защиты и автоматического повторного включения, конфигурации сети, величины э.д.с. и постоянной времени затухания переходной составляющей тока к.з. от синхронных и асинхронных электродвигателей напряжением свыше 1 кВ.

5. Разработана методика проверки термической стойкости изолированных проводов воздушных линий 6(10) кВ в экстремальных условиях без учета двигательной нагрузки. Уставлено, что даже при мощности силовых трансформаторов подстанции 10 MB А, линии, выполненные изолирован-ными проводами сечением 70 мм , могут оказаться нетермостойкими. Уменьшение импульса квадратичного тока, воздействующего на провода ВЛИ, путем ограничения длительности к.з. благодаря выполнению защиты на электромеханических реле в виде токовой отсечки оказывается недостаточным при использовании для повышения надежности электроснабжения. Снижение величины времени приведенного к.з. до необходимого значения может быть достигнуто путем применения цифровых реле за счет ускорения отключения к.з., благодаря их более высокой точности работы и введению ускорения действия защиты после АПВ. При этом минимальное значение времени отключения к.з. составит 0,3-г0,65 с, а собственное время работы защиты - 0,2^0,25 с.

6. Разработана методика оценки термической стойкости изолированных проводов ВЛИ 6(10) кВ с учетом действия АПВ и подпитки точки короткого замыкания от электродвигателей напряжением свыше 1 кВ. Установлена зависимость величины теплового импульса тока к.з. от параметров питающей системы, величины э.д.с. и постоянных времени затухания переходной составляющей тока к.з. от синхронных и асинхронных двигателей напряжением свыше 1 кВ. Выполнена проверка адекватности установленной зависимости. Показано, что полученная зависимость позволяет определить импульс квадратичного тока с погрешностью не более 5%. Установлено, что в условиях горных предприятий подпитка точки короткого замыкания может приводить к увеличению импульса квадратичного тока к.з. на

10-^30%. Предложена методика выбора параметров цифровых устройств защиты воздушных линий с изолированными проводами, в том числе по условиям несрабатывания защиты после отключения к.з. на предыдущем участке, согласования чувствительности защит последующего и предыдущего участков и обеспечения требуемой чувствительности в основной зоне и зонах дальнего резервирования.

7. Разработан новый эффективный метод защиты воздушных линий 6(10) кВ от грозовых перенапряжений. Метод предусматривает ограничение градиента рабочего напряжения при перекрытии изоляции величиной 7 кВ/м. При этом предотвращается переход искрового перекрытия в силовую дугу путем удлинения пути импульсного грозового перекрытия и обеспечивается повышение надежности работы ВЛИ. Разработаны специальные длинно-искровые грозозащитные разрядники (ДИГР), реализующие предложенный метод и исключающие переход искрового разряда в силовую дугу при амплитудных значениях перенапряжений вплоть до 400 кВ. Предложены два вида ДИГР, отличающиеся способом установки по отношению к изоляции защищаемой фазы - параллельно изолятору (со стороны опоры) и последовательно (на проводе) с изоляцией защищаемой фазы. Определены основные конструктивные размеры ДИГР для ВЛИ 6(10) кВ, позволяющие снизить практически до нуля вероятность возникновения силовой дуги при грозовых перекрытиях изоляции.

8. Синтезирована конструкция И ДИГР, обеспечивающая выполнение основной функции - изоляции и одновременно грозозащиту ВЛИ. Принцип действия изолятора основан на эффекте уменьшения вероятности установления силовой дуги при увеличении длины импульсного грозового перекрытия. За счет спирального ребра на поверхности изолятора создан весьма длинный путь прекрытия изолятора по его поверхности. Вероятность образования силовой дуги промышленной частоты сводится практически к нуто, и тем самым обеспечивается бесперебойная работа электрической сети при грозовых перенапряжениях. Выполнена оценка перемещения спиралевидного канала разряда под действием электромагнитных сил. Установлено, что при токах до 10 кА перемещение канала разряда под действием электромагнитных сил не превосходит 3 см. Поэтому при вылете ребра 3 см, начальном радиусе спирали канала (цилиндра изолятора) 2,5 см и токах до 10 кА канал разряда будет оставаться на поверхности изолятора. Конечный радиус спирали будет составлять 2,9ч-5,9 см. При больших токах, по -видимому, произойдет "срыв" канала с изолятора. Однако, для распределительных сетей 10 кВ протекание токов грозового перенапряжения при перекрытии изолятора больших 10 кА очень маловероятно.

9. Рассмотрены особенности электрического и механического расчета воздушных линий с изолированными проводами Отмечено, что электрический расчет должен производится в соответствии с разработанными в гл.2 настоящей диссертации системой выбора сечений изолированных проводов по длительно допустимому току и по термической стойкости к токам к.з., методиками оценки термической стойкости изолированных проводов ВЛИ 6(10) кВ с учетом и без учета действия АПВ и подпитки точки к.з. от электродвигателей напряжением свыше 1000 В и методикой выбора и согласования параметров цифровых устройств защиты последующего и предыдущего участка ВЛИ. Применительно к изолированным проводам адаптирована методика расчета механических напряжений и тяжений проводов, определения максимальных пролетов между опорами ВЛ. На основании результатов опыта эксплуатации ВЛИ в Ленинградской области отмечено, что гололедные отложения при определении габаритного пролета могут не учитываться, учитывается возрастание парусности ВЛИ из-за наличия изоляции и изморози. Установлено, что максимальными пролетами для ВЛ с изолированными проводами на железобетонных опорах П10-1 и П10-5 являются 110 м и 140 м соответственно. Показано, что применение укороченных траверс при реконструкции ВЛИ позволяет уменьшить расход металла на 20-г40% по сравнению с вариантом с типовыми траверсами, применяемыми для ВЛ с неизолированными проводами.

10.Разработана методика экономического обоснования строительства и реконструкции ВЛ 6(10) кВ с применением изолированных проводов, учитывающая их повышенную надежность по сравнению с неизолированными. Методика предусматривает определение ущерба от недоотпуска электроэнергии потребителям, учитывающая убытки энергоснабжающей организации, территории, затраты на восстановление ВЛ и ликвидацию последствий аварии, а также штрафы предъявляемые потребителями. Установлено, что срок окупаемости капитальных вложений при реконструкции ВЛИ не превышает 5 лет, годовой экономический эффект на 1 км в условиях Северо-Запада России составляет около 4,5 млн.руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано решение научной задачи, заключающейся в разработке теоретической и методической основы проектирования воздушных линий электропередачи 6(10) кВ повышенной надежности с применением изолированных проводов.

1. ГОСТ 16442-80. Кабели силовые с пластмассовой изоляцией.

2. ГОСТ 20.57.406-81. Изделия электронной техники, квантовой электроники и электротехнические. Методы испытаний.

3. ГОСТ 13109-87. Требования к качеству электрической энергии в электрических сетях общего назначения.

4. Инструктивные материалы Главгосэнергонадзора. -М.: Энергоатомиздат, 1986.

5. Инструкция по выбору, монтажу и эксплуатации средств защиты от перенапряжений. -М.: Энергия, 1969.

6. ПАС система Энсто. Техническая информация. -Хельсинки, Нокиа кабель А.О., 1994.

7. Додвесные скрученные кабели, провода "SAX", волоконнооптические грозозащитные тросы. Каталоги по кабельным изделиям и их монтажу. -Хельсинки, Нокиа кабель А.О., 1995.

8. Правила эксплуатации электроустановок потребителей. -М.: Энергоатомиздат, 1987.

9. Правила устройства электроустановок. -М.: Энергоатомиздат, 1992.

10. Правила устройства опытно-промышленных воздушных линий электропередачи напряжением 6-20 кВ с проводами "SAX". -М: АО "РОСЭП", 1996.

11. Рекомендации по организации учета и анализа отключений в воздушных электрических сетях напряжение 0,38-20 кВ. -М.: СПО ОРГРЭС, 1994.

12. Передача энергии постоянным и переменным током. Труды НИИПТ, вып. 21-22, 1975.

13. Рекомендации типового проекта 3.407.1 143.1. -СПб.: АО "Западсель-энегопроект", 1995.

14. Рекомендации типового проекта 3.407.1 143.8. -СПб.: АО "Западсель-энегопроект", 1995.

15. Руководящие материалы по проектированию электроснабжения сельского хозяйства. -М.: АО РОСЭП, 1995, №5.

16. Руководящие материалы по проектированию электроснабжения сельского хозяйства. -М.: ВГПИиНИИ, 1982, ноябрь-декабрь.

17. Указания по заполнению ведомостей нарушений в воздушных распределительных сетях напряжением 0,4-20 кВ министерства энергетики и электрификации СССР. -М.: СПО Союзтехэнерго, 1984.

18. ТУ 16 К 71-120-91. Провода изолированные для воздушной подвески.

19. Абрамович Б.Н. и др. Электромеханические комплексы с синхронным двигателем и тиристорным возбуждением. -СПб.: Наука, 1995.

20. Абрамович Б.Н., Гульков В.М. Распределительные электрические сети напряжением 0,38-10 кВ с изолированными проводами. В сборнике тезисов докладов научно-технического семинара "Проблемы энергетики и пути их решения", Барселона, 1997.

21. Абрамович Б.Н., Полищук В.В. Пути энергетической оптимизации процессов добычи и переработки полезных ископаемых. В сб.тез. докладов международного симпозиума 'Топливно-энергетические ресурсы России и других стран СНГ', СПб, 1995.

22. Акодис М.М. Развитие грозового разряда в силовую дугу и методы его изучения. -Электричество, 1941, №3.

23. Бархалев JIM., Громов И.Г., Семенов В.А. и др. Обработка технико-эко-номической информации на ЭВМ в энергетике. -М.: Энергоатомиздат, 1991.

24. Белоусов ВН., Копытов Ю.В. Пути экономии энергоресурсов в народном хозяйстве. -М.: Энергоатомиздат, 1986.

25. Бургсдорф В.В., Майкопар A.C. Исследование мощного разряда в воздухе при атмосферном давлении. . -Электричество, 1957, №12.

26. Веников В.А., Ежиков В.В. Электроэнергетические системы в примерах и иллюстрациях. -М.: Энергоатомиздат, 1983.

27. Вияск А., Рорбах А. Проблемы использования кабелей с пластмассовой изоляцией. Сб. "Сооружение и эксплуатация городских кабельных сетей 1-35 кВ". Новосибирск, 1982.

28. Воробьев A.A. Техника высоких напряжений. -М.: Госэнергоиздат, 1945.

29. Гельман Г.А. Автоматизированные системы управления электроснабжением промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1984.

30. Гладилин J1.B. Основы электроснабжения горных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1986.

31. Глазунов A.A. Сети электрических систем. -М.: Госэнергоиздат, 1947.

32. Гульков В.М. Воздушные линии электропередачи 6(10) кВ с изолированными проводами. В сборнике тезисов докладов ежегодной научной конференции молодых ученых СПбГГИ, 1996.

33. Гульков В.М. Выбор сечения изолированных проводов и параметров устройств защиты воздушных линий. В сборнике тезисов докладов ежегодной научной конференции молодых ученых СПбГГИ, 1997.

34. Гульков В.М. Лозовский С.Е. Определение величины пролета для воздушных линий 6(10) кВ с изолированными проводами. В сборнике тезисов докладов ежегодной научной конференции молодых ученых СПбГГИ, 1997.

35. Гульков В.М. Грозозащита ВЛ напряжением 6(10) кВ с изолированными проводами. В сборнике тезисов докладов симпозиума "Горное оборудование, переработка минерального сырья, новые технологии, экология. СПб.: BAO Рестэк, 1996.

36. Гусейнов Ф.Г., Мамедяров О.С. Экономичность режимов электрических сетей. М.: Энергоатомиздат, 1984.

37. Дикерман Д., Лащивер Р. Новый способ сшивания полиэтилена. -Кабельная техника, 1978, №7.

38. Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности и повышение качества электрической энергии. -М.: Энергоатомиздат, 1985.

39. Ивоботенко ЕЛ. и др. Планирование эксперимента в электромеханике. -М: Энергия, 1975.

40. Идельчик В.И. Расчеты установившихся режимов электрических систем. Под ред. ВениковаВ.А. -ML: Энергия, 1977.

41. Испытания на воздействие внешних факторов. 4.1. Общие положения и руководство. МЭК 68-1, 1988.

42. Корн Т. Справочник по математике. -М.: Наука, 1974.

43. Корсунцев A.B. Проект руководящих указаний по защите электрических сетей 3-750 кВ от грозовых и коммутационных перенапряжений. -Труды НИИПТ, 21-22, 1975.

44. Кудрин Б.И. Основы комплексного метода расчета электрических нагрузок. Промышленная энергетика, 1987, №11.

45. Лакерник P.M., Шарле Д.Л. Полиэтилен и его применение в кабельной технике. ГЭИ, 1958.

46. Маврицын A.M., Петров O.A. Электроснабжение угольных разрезов. -М.: Недра, 1977.

47. Маркушевич Н.С. Автоматизированное управление режимами электросетей 6-20 кВ. -М.: Энергия, 1980.

48. Майкопар A.C. Дуговые замыкания на линиях электропередач. -М.: Энергия, 1965.

49. Поливанов K.M. Теоретические основы электротехники, -М.: Энергия, 1975.

50. Минин Г.П., Копытова КХВ. Справочник по электропотреблению в промышленности. -М.: Энергия, 1978.

51. Михайлов В.В. Расчет и конструирование высоковольтной аппаратуры. -М.: Госэнергоиздат, 1951.

52. Михайлов В.В. Надежность электроснабжения промышленных предприятий. -М.: Энегроатомиздат, 1992.

53. Некрасов М.М. Переход импульсного перекрытия в дугу на линиях передачи с деревянными опорами. -Электричество, 1951, №3.

54. Никифорова В.Н., Гульков В.М., Ситников А.И. Сертификация электрической энергии по показателям качества. -М.: Энергетическая политика, 1995, вып.4.

55. Никотин П.П., Перфилетов А.Н., Каминский B.C. Материалы кабельного производства. ГЭИ, 1963.

56. Огарков М.А. Методы статистического оценивания параметров случайных процессов. -М.: Энергоатомиздат, 1989.

57. Отчет о НИР "Разработка импульсного грозозащитного разрядника, обеспечивающего возможность создания компактных линий без грозозащитных тросов" по теме №205194 за 1993 г.

58. Пиковский A.A. Использование экономико-математических методов при решении задач управления в промышленной электроэнергетике. -Промышленная энергетика, 1987, №5.

59. Подпоркин Г.В., Сиваев А.Д. Грозозащита линий электропередач при помощи импульсных грозовых разрядников. Техническая информация НПО "Стример", СПб, 1995.

60. Прейскурант № 09-01. Тарифы на электрическую и тепловую энергию, отпускаемую энергосистемами и электрическими станциями Министерства энергетики и электрификации СССР. -Прейскурант М.: 1980, 47с.

61. Прузнер C.JL Экономика, организация и планирование энергетического производства. -Саратов: Энергоатомиздат, 1984.

62. Самойлович И.С., Ситник И.В. Линии электропередачи карьеров. -М.: Недра, 1987.

63. Солдаткина Л.А. Электрические сети и системы. -М.: Энергия, 1978.

64. Справочник по электрическим аппаратам высокого напряжения. Под ред. Афанасьева В.В. -Л.: Энергоатомиздат, 1987.

65. Техника высоких напряжений. Под ред. Разевига Д.В. -М.: Энергия, 1976.

66. Техническая информация NOKIA.

67. Указания по определению электрических нагрузок нефтяных промыслов Западной Сибири. РД 39-3-626-81. Составитель Кудряшов P.A.; под общей ред. Новоселова Ю.Б. -M.: Техническое управление МНП, Гипро-тюменнефтегаз, 1982.

68. Федоров A.A., Каменева В.В. Основы электроснабжения промышленных предприятий. -М: Энергоатомиздат, 1984.

69. Федоров Е.Я., Смирнов С.И. Некоторые вопросы применения кабелей с пластмассовой изоляцией. Сб. "Сооружение и эксплуатация городских кабельных сетей 1-35 кВ" Новосибирск, 1982.

70. Фокин Ю.А. Вероятностно-статистические методы в расчетах систем электроснабжения. -М: Энергоатомиздат, 1985.

71. Цапенко Е.Ф., Сычев ЛИ., Кулешов П.Н. Шахтные кабели и электробезопасность сетей. -М.: Недра, 1988.

72. Чунихин A.A. Электрические аппараты. -М.: Энергоатомиздат, 1988.

73. Шнитман М.Н. Опыт эксплуатации кабелей с пластмассовой изоляцией напряжением 1 кВ. Сб. "Сооружение и эксплуатация городских кабельных сетей 1-35 кВ". Новосибирск, 1982.

74. Электротехнический справочник. Производство и распределение электрической энергии. Под. ред. Орлова И.Н. -М.: Энергоатомиздат, 1988.

75. Connecteurs et accessoires pour reseaux BT/HTa. Cedex, 1996.

76. Produits Cableries de Lens.-Cedex, 1996.

77. SIMEL connexions et accessoires pour reseaux aeriens isoles. Gevrey-Chambertin, 1995.

78. H.R.Armstrong et. El. Impulse studies on distribution line construction. IEEE Trans. On PAS-86, 1967, No.2.

79. Alexandrov G.N., B.B.Bochkovskiy and G.V.Podporkin. Evaluation of the lightning performance of ultra -high voltage transmission lines without ground return wires. Electric Technology USSR, No.2, 1986.

80. W.Baumann. Wechselstorm Lichtbogen Niederspannungs installationen als Jolge von Stossentladungen, Bull.ASE, 1954, No. 12.

81. P.L.Bellashi. Lightning and 60-Cycle Power Tests on Wood Pole line Insulation. A.I.E.E. Trans. Vol.66, 1947.

82. A.S.Brooks, R.N.Soothgate and E.R.Whitehead. Impulse and Dynamic Flashover Studies on 26 kV Wood Pole Transmission Construction. A.I.E.E. Elect. Eng., Vol.52, 1933.

83. V.V.Burgsdorf. Lightning Protection of Overhead Transmission Lines and Operating Experience in the USSR. CIGRE Paper, No.326, Paris, 1958.

84. M.Darveniza and G.Elittler. The Ratio of Power Outages to Lightning Flash-hovers. The Beerwah Field Experiment. I.E. Aust., Old. Div., Tech. Pap. Vol.10, No. 18 and I.E.E. Paper No.70, 1969.

85. M.Darveniza. Electrical Propetries of Wood and Line Disign. Monography, University of Quensland Press, St.Lucia, Quensland, 1980.

86. J.Eaton, J.Peak, J.Dunham. Line Field Investigation with Flashovers. EL Eng., 1939, No.11.

87. Electrical Transmission and Distribution Reference Book. Westinghouse Electric Corporation, East Pittsburg, Pensilvania, USA, 1964.

88. H.N.Ekvall. Minimum Insulation Level for Lightning Protection of Medium Voltage Lines. A.I.E.E. Elect. Eng. Trans. Vol.60, 1941.

89. S.Furukawa, O.Usuda, T.Isozaki, T.Irie. Development and Application of Lightning Arresters for transmission Lines. IEEE Trans, on Power Delivery, Vol.4, No.4, 1989.

90. K.Ishida, O.Usuda, T.Isozaki, T.Irie, T.Nakayama, Y.Aihara. Development of a 500 kV Transmission Line Arrester and its characteristics. IEEE Trans, on Power Delivery, Vol.7, No.3, 1992.

91. A.Hinkkuri, I.Lehtinen. The SAX-system a new medium voltage distribution mode. CIRED, 1987.

92. R.E.Koch, J.A.Timoshenko, J.G.Anderson and C.H.Shih. Design of zinc oxide transmission line arresters. IEEE Trans, on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-104, No. 10, 1985.

93. R.E.Lee et. al. Prevention of covered conductor burndown on distribution circuit arcing protection devices. IEEE Trans. Pas. Vol PAS-101, 1982.

94. I.Lehtinen. Phase-to-phase sparkover of covered conductors. Helsinki University of Technology, 1990.

95. H.Lehtinen, I.Lehtinen, A.Hinkkuri. Research on covered medium-voltage overhead lines in Finland. CIRED, 1989.

96. G.Richardson, S.Palumbo, Новые компаунды для низковольтных изолированных проводов. Wire Industry, vol. 58, №692, 1991.

97. C.H.Shih, R.M.Hayes, D.K.Nichols, R.E.Koch, J.A.Timoshenko and J.G.Anderson. Application of special arresters on 138-kV lines of Appalachian Power Company. IEEE Trans, on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-104, No.10, 1985.

98. H.Tatizava et. al. Compartamento, frente a impusos atmosféricos, para diferentes amarracoes e isoladores. Electrcidade Moderno, 1994.

99. C.Wagner, C.Layn, C.Leer. Arc Drop During Transition from Spark Discharge to Arc. Pow. App. Syst., No.36, 1958.

100. M.Washino, A.Fukuyama, K.Kito and K.Kato. Development of Current Limiting Arcing Horn for Prevention of Lighting Faults on Distribution Lines. IEEE Trans, on Power Delivery, VoL3, No.3,1988.