Унификация элементов сети - Унификация номенклатуры сечений проводов ВЛ

Повышению затрат на сооружение линий электропередачи при увеличении сечения проводов противопоставляется снижение затрат на компенсацию потерь мощности и электроэнергии. При проектировании линий электропередачи напряжением до 500 кВ включительно выбор сечения проводов производится не сопоставительным технико-экономическим расчетом в каждом отдельном случае, а по нормируемых обобщенным показателям.
В качестве таких показателей используются нормированные значения так называемой экономической плотности тока, которые для воздушных линий установлены в пределах 1—1,5 А/мм² в зависимости от района страны и числа часов использования максимума нагрузки. Сечение проводов выбирается с учетом изменения тока нагрузки по годам эксплуатации линии [43].
Значения экономической плотности тока установлены для прямолинейной зависимости стоимости сооружения линий от сечения проводов. Переход в начале 60-х годов к строительству воздушных линий электропередачи на унифицированных опорах существенно изменил соотношения в стоимости линий с разными сечениями проводов. Унификация предусматривает применение для ВЛ каждого номинального напряжения ограниченного количества типов опор, предназначенных для всего диапазона сечений проводов, используемых на линиях этого класса. Будучи мероприятием технически и экономически эффективным с точки зрения индустриализации линейного строительства, унификация опор привела к тому, что зависимость переменной части стоимости линии от сечения проводов перестала быть линейной. Наиболее заметно это проявляется для линий 110 кВ с малыми сечениями проводов, строительство которых обходится дороже, чем ВЛ с большими сечениями. В табл. 23 приведены данные, иллюстрирующие это положение (в скобках указана стоимость сооружения ВЛ, не имеющих экономической области применения, так как они требуют больших капитальных затрат и большего расхода электроэнергии на ее транспорт).
Таблица 23

Такое положение объясняется тем, что уменьшение расчетного пролета и соответственно увеличение количества промежуточных опор при снижении сечения проводов особенно существенно в диапазоне АС 70 — АС 95, так как ПУЭ требуют снижения допускаемого тяжения для этих проводов из-за их недостаточной механической прочности (на 11 % против принимаемого для АС 120 и выше). Поэтому рост затрат на опоры и изоляцию не компенсируется разницей в стоимости провода, что и приводит к повышенной стоимости строительства таких ВЛ (табл. 24).
В этих условиях выбор сечений проводов по экономической плотности тока не дает оптимального решения.
Поэтому при переходе к строительству ВЛ на унифицированных опорах было предложено [54] выбирать провода не по нормированной плотности тока, а по экономическим токовым интервалам, посчитанным для всех стандартных сечений проводов в зависимости от типов применяемых опор, климатических районов и регионов, различающихся стоимостью топлива.

Таблица 24

Примечание. Количество опор подсчитано исходя из коэффициента использо· ваниЯ расчетного пролета, равного 0,9.

Этот метод не получил, однако, официального признания, в частности из-за опасения, что исключение применения малых сечений приведет к увеличению расхода провода в электросетевом строительстве.
В настоящее время для ВЛ 110 кВ используются семь сечений проводов (от АС 70 до АС 300), для ВЛ 220— 330 кВ — четыре (от АС 240 до АС 500), для ВЛ 500 кВ — три (от АС 330 до АС 500). Указанное многообразие сечений проводов противоречит принципам унификации, так как приводит к увеличению количества опор, а также препятствует унификации ВЛ в целом. Поэтому вопрос о сокращении номенклатуры используемых проводов, т. е. о переходе от унификации конструкций опор и фундаментов к унификации ВЛ в целом, обсуждается уже давно [55— 57]. Сокращение количества марок применяемых для строительства ВЛ проводов позволило бы:
облегчить условия разработки минимума типоразмеров экономичных конструкций унифицированных опор;
полностью типизировать проектирование и сооружение ВЛ на базе ограниченного количества марок проводов, конструкций опор и фундаментов, изоляции и арматуры;
улучшить условия комплектации проводов, создать определенную гибкость в маневрировании запасами провода для строящихся ВЛ;
сократить количество инструментов и приспособлений, применяемых при монтаже проводов;
получить в перспективе экономический эффект в кабельной промышленности зга счет большей специализации оборудования и сокращения потерь времени на его переналадку;
по мере увеличения доли унифицированных ВЛ в общей протяженности эксплуатируемых линий получить положительный эффект в организации эксплуатации.
Методы количественной оценки перечисленных экономических преимуществ сокращения используемой номенклатуры проводов линий электропередачи в настоящее время отсутствуют. Однако на основании экспертных оценок можно полагать, что суммарный экономический эффект, достигаемый при уменьшении используемой номенклатуры проводов, составит несколько процентов суммарных приведенных затрат по сооружаемым линиям. Для суждения об экономической эффективности этого мероприятия указанный экономический эффект должен быть сопоставлен с отрицательными последствиями сокращения номенклатуры, заключающимися в некотором снижении экономических показателей сооружаемой совокупности ВЛ из-за увеличения средней разницы между теоретически оптимальными и фактически выбираемыми сечениями. Для количественной оценки этих отрицательных последствий унификации сечений для каждого из возможных вариантов номенклатуры должна быть определена оптимальная структура линий электропередачи по сечениям проводов и должны быть рассчитаны суммарные приведенные затраты по подлежащей сооружению совокупности линий электропередачи.
Указанные расчеты были выполнены для линий электропередачи 110—500 кВ, подлежащих сооружению на опорах новой унификации [58]. Оптимизация структуры проводов выполнена раздельно для двух регионов, отличающихся стоимостью топлива: европейского — районы дорогого топлива — европейская часть СССР, включая Урал и Закавказье, и Дальний Восток; азиатского — районы относительно дешевого топлива — Казахстан, Сибирь, включая Забайкалье, и Средняя Азия.
Расчеты выполнены применительно к сооружению линий на железобетонных опорах во II районе по гололеду, т. е. для условий, при которых сооружается большинство ВЛ. Выборочная проверка показала, что изменения материала опор и климатических условий не вносят принципиальных изменений в оптимальную структуру ВЛ по сечениям проводов в целом.
Исходные данные для расчетов выбраны следующим образом:
строительство и структура ВЛ по напряжениям — по перспективным разработкам института Энергосетьпроект с учетом ожидаемых вводов

ВЛ 110 кВ — 53 %, 220 кВ — 29,6 %, 330 кВ — 5,7 %, 500 кВ — 11,7 %; распределение общей протяженности ВЛ по расчетным нагрузкам на основании анализа схем развития энергосистем путем построения гистограмм с интервалами для ВЛ 110 кВ — через 5 МВт, 220 кВ— 25 МВт, 330—500 кВ — 100 МВт (всего проанализировано 93 тыс. км ВЛ);
размер капиталовложений в строительство ВЛ — по нормативам удельных капитальных вложений в строительство линий электропередачи, утвержденным Минэнерго СССР в 1979 г., для средних условий строительства (поправочный коэффициент для азиатского региона принят 1,15);
замыкающие затраты на возмещение потерь электроэнергии увеличены по сравнению с приведенными в [43] с учетом происшедших в последние годы существенных изменений топливно-энергетического баланса [на возмещение, нагрузочных потерь для европейского и азиатского регионов — соответственно 2,4 и 1,4 коп/(кВт-ч), а на возмещение потерь на корону, не зависящих от нагрузки, — соответственно 1,6 и 1,0 коп/(кВт-ч)].
Оптимальная структура сечений проводов ВЛ находилась методом экономических интервалов токовых нагрузок, границы которых для линии с проводом Si (нижняя Iimin и верхняя Iimax) определяются исходя из равенства приведенных затрат по этой линии с затратами по линиям со смежными сечениями проводов (соответственно Si-1 и Si+1). По сравнению с первоначально предложенным видом [54—56] метод экономических интервалов был модифицирован с целью обеспечения возможности учета ограниченности суммарных ресурсов провода, выделяемых для сооружения линий электропередачи в рассматриваемой перспективе. Эту задачу можно решить при определении границ экономических интервалов введением в обычное выражение приведенных затрат дополнительного члена λg, пропорционального расходу провода g. При этом выражения для нижней и верхних границ экономического токового интервала провода сечением Si будут иметь вид: где I — расчетная нагрузка линии, А; Ен — нормативный коэффициент эффективности (равный 0,12); р — отчисления на амортизацию, ремонт и обслуживание ВЛ (приняты равными 0,03); К — расчетные удельные капиталовложения, руб/км; Ск — годовые потери электроэнергии на корону, кВт-ч/год; з'пот и з''пот — замыкающие затраты на возмещение потерь электроэнергии, соответственно зависящие и не зависящие от нагрузки, руб/(кВт-ч); λ — коэффициент, отражающий эффективность использования в сооружаемых объектах лимитированных ресурсов провода, руб/кг (значение λ зависит от суммарных ограничений по этим ресурсам; в пределе, при отсутствии ограничений, λ=0); g — расход провода на сооружение ВЛ, кг/км; τ — число часов нагрузочных потерь; ri — удельное сопротивление провода сечением Si, Ом/км.

(7)
(8)

При использовании модифицированного метода токовых интервалов обеспечивается равная эффективность использования в проектируемых объектах цветного металла, а следовательно, оптимальное распределение заданных его суммарных ресурсов между объектами. Выполненные применительно к приведенным выше исходным данным расчеты по выражениям (7) и (8) для различных произвольно задаваемых значений λ позволили для каждого значения λ найти оптимальную структуру проводов ВЛ и соответствующий этой структуре расход цветного металла на 100 км суммарного ввода линий электропередачи. Полученная таким образом зависимость g =f(λ) может быть использована для нахождения значения λ, соответствующего любому, заданному ограничению по ресурсам.
При нахождении оптимальной номенклатуры сечений проводов ВЛ рассматривались три варианта ограничений по суммарным ресурсам провода: первый вариант (минимальные ресурсы — 248 т на 100 км среднегодового ввода ВЛ 110—500 кВ) соответствует выбору сечения проводов по действующей нормативной плотности тока; второй (средние ресурсы — 279 т на 100 км) соответствует средневзвешенному расходу провода на 100 км ВЛ 110—500 кВ, который фактически имел место в 1976—1980 гг. (подсчитано по отчетным данным); третий соответствует отсутствию ограничений по ресурсам провода. Для указанных вариантов ресурсов определились соответствующие им значения коэффициента λ, равные 0,63; 0,34 и 0, применительно к которым выполнены расчеты оптимальной структуры ВЛ 110—500 кВ по полной номенклатуре сечений проводов.

Таблица 25

Результаты расчетов для ВЛ 110—330 кВ приведены в табл. 25.
Анализ результатов расчетов подтверждает наличие существенной зависимости оптимальной структуры ВЛ по сечениям проводов от ограничений по ресурсам провода: при отсутствии ограничений минимальные сечения проводов практически отсутствуют в оптимальной структуре, а при введении ограничений их доля составляет для разных групп ВЛ от 20 до 70 %; соответственно резко падает доля больших сечений. Особенно отчетливо это проявляется для ВЛ 110 кВ с проводами АС 70 и АС 95, которые при сооружении их на унифицированных опорах при любой нагрузке менее экономичны, чем ВЛ с проводом AC 120 (см. табл, 23). При наличии суммарных ограничений по ресурсам цветного металла данное положение меняется, так как при этом замена в области малых нагрузок ВЛ с проводом АС 70 на ВЛ с проводом АС 95 или АС 120, сама по себе выгодная, влечет за собой необходимость в области более высоких токовых нагрузок снижать сечение проводов ВЛ, чтобы соблюсти баланс ресурсов, что в результате приводит к увеличению суммарных затрат по совокупности сооружае мых ВЛ.

Из табл. 25 следует, что введение ограничений по ресурсам провода заметно увеличивает потери электроэнергии в линиях и, следовательно, суммарные приведенные затраты по сооружаемым сетям (на 7—8 % при максимальных ограничениях). Это свидетельствует о целесообразности повышения сечений проводов ВЛ 110—500 кВ сверх минимального уровня, определяемого действующими нормативами плотности тока, особенно с учетом условий увеличивающихся дефицита и стоимости топлива. Однако, учитывая большую инерционность народного хозяйства, нельзя рассчитывать на возможность резкого увеличения ресурсов неизолированного провода, выделяемого для строительства ВЛ в ближайшей перспективе. В этих условиях с учетом ожидаемого роста потребности в проводниковом материале за счет увеличения объемов строительства линий 750 кВ и 1150 кВ представляется наиболее реальным на данном этапе при разработке решений по унификации ВЛ ориентироваться на средневзвешенный удельный расход цветного металла для ВЛ 110—500 кВ, имевший место в 1976—1980 гг. (второй вариант — средние ресурсы).
Для оценки масштабов увеличения затрат при сокращении используемой номенклатуры сечений проводов были выполнены аналогичные расчеты для разных вариантов сокращенной номенклатуры. Результаты расчетов применительно к одноцепным ВЛ 110 кВ, сооружаемым в европейской части страны, для среднего уровня ограничений по ресурсам провода приведены в табл. 26.
Таблица 26

Из табл. 26 следует, что сокращение номенклатуры используемых сечений до двух-трех вместо применяемых семи для ВЛ 110 кВ может привести к увеличению приведенных затрат на 1—2 %, причем в наилучшем из рассмотренных вариантов сокращения номенклатуры сечений расчетное превышение затрат составляет всего 0,8 %. Полученные результаты дают основание для вывода об эффективности унификации сечений проводов линий электропередачи.
При выборе варианта унификации для ВЛ всех напряжений представляется целесообразным исходить из следующих положений: а) унификация номенклатуры применяемых проводов должна быть «сквозной» для ВЛ всех напряжений; б) шаг сечений для каждого напряжения должен быть равномерным и составлять не менее 1,5. Этим условиям соответствуют сечения: 70, 120, 240 — для ВЛ 110 кВ; 240, 400 —для ВЛ 220 кВ; 240X2, 400X2 — для ВЛ 330 кВ.
Следует отметить, что в случае выявления невозможности повышения экономичности ВЛ 110 кВ с проводом АС 70 за счет создания соответствующей конструкции опор целесообразно рассмотреть применение для линий этого класса двух марок проводов — АС 120 и АС 240.

Таблица 27

Два провода в фазе.

Структура ВЛ 110—330 кВ при сокращенной номенклатуре применяемых проводов приведена в табл. 27, из которой следует, что увеличение приведенных затрат из-за унификации проводов составляет для отдельных групп линий от 0,1 до 2,8 %. Указанное увеличение затрат рассчитано исходя из условной предпосылки о достаточно точном прогнозировании расчетных нагрузок линий. С учетом наличия ошибки прогнозирования расчетных нагрузок относительное увеличение затрат, связанное с сокращением номенклатуры используемых сечений, будет меньше указанного выше.

Полученные в результате расчетов экономические интервалы нагрузок ВЛ при сокращенной номенклатуре проводов (при напряжении, равном 1,05 Uном и cosφ=0,9) приведены в табл. 28.
Таблица 28

Два провода в фазе.