Оптимизация гирлянд изоляторов ВЛ сверхвысокого напряжения

Т. В. Лисочкина

Проблема статистической координации изоляции электрических сетей высших классов напряжения, основанная на учете вероятностного характера внутренних перенапряжений и изменения электрической прочности изоляции под влиянием метеорологических и других условий, не является новой [1—4]. Выбор оптимальных уровней изоляции, в том числе оптимизация конструкции гирлянд изоляторов, должен осуществляться на основе технико-экономических расчетов путем соизмерения затрат на повышение уровней изоляции с ущербом от ее перекрытия. В настоящей статье рассматриваются методика и результаты оптимизации гирлянд изоляторов воздушных линий (ВЛ) сверхвысокого напряжения (СВН) при свободной и V-образной подвеске проводов.
В качестве оптимизируемых параметров выбраны длина гирлянды  и отношение длины пути утечки изолятора к его строительной высоте, определяющие в основном конструкцию поддерживающей гирлянды. Эти параметры влияют на ряд технико-экономических показателей ВЛ: габариты, вес и стоимость опор, число перекрытий изоляции при рабочем напряжении, грозовых и коммутационных перенапряжениях.
Для ВЛ СВН в настоящее время наиболее пригодными считаются подвесные тарелочные изоляторы из закаленного стекла типов ПС, достаточно надежно работающие в условиях эксплуатации ВЛ (500...750) кВ. Выбор длины гирлянды осуществляется из условия обеспечения надежной работы увлажненной изоляции при рабочем напряжении с последующим согласованием полученной длины с характеристикой электрической прочности воздушного промежутка между проводом и траверсой при коммутационных перенапряжениях. При этом в районах со слабозагрязненной атмосферой применяются изоляторы типа ПС; для районов с загрязненной атмосферой — грязестойкие изоляторы типа ПСГ.
Длина гирлянды, отвечающая указанным требованиям, может быть определена из соотношения
(1)
где Uф — наибольшее рабочее (фазное) напряжение; кз — коэффициент запаса; Евр Н — среднее влагоразрядное напряжение по строительной высоте изолятора; пд — число дополнительных изоляторов.

Приведенные в [1] зависимости влагоразрядной напряженности Евр Н (кВ/см) от отношения Lи/Hи и степени загрязнения поверхности изоляторов v могут быть аппроксимированы линейной зависимостью вида (при v = 5 мкСм)
(2)
Принимая kз = 1,53, пд = 0,1nи, где пи — общее число изоляторов, и подставляя (2) в выражение (1), получим

откуда следует, что длина гирлянды обратно пропорциональна отношению Lи/Hи.
Представляется целесообразным оценить влияние длины гирлянды, и отношения на технико-экономические показатели ВЛ и подойти к выбору конструкции гирлянды с экономических позиций. При передаче по линии мощности Р удельные приведенные затраты, связанные с сооружением и эксплуатацией ВЛ длиной, равны:
(3)
где Квл — стоимость электропередачи; Е — нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; αвл — норма отчислений на амортизацию и обслуживание электропередачи; У —народнохозяйственный ущерб при отключениях электропередачи.
С возрастанием длины гирлянды 1Т увеличивалось расстояние между проводом и опорой S0 (провод — стойка опоры и провод — траверса), так что при свободной подвеске проводов S0 = lr, при V-образной S0=lr /√2, причем минимальное значение S0 соответствовало минимально необходимому изоляционному промежутку провод — опора при коммутационных перенапряжениях. В результате с ростом 1r увеличиваются расстояние между фазами и высота опор.
С увеличением длины гирлянды и отношения Lи/Hи, возрастают масса гирлянд и их стоимость, а также высота промежуточных опор и нагрузка на них, что ведет к увеличению массы опор и объемов фундаментов. Для оценки влияния параметров lГ и Lи/Hи на стоимость воздушной линии электропередачи была рассчитана стоимость 1 км ВЛ разных классов напряжения традиционного типа при мощности, близкой к натуральной. При этом масса gr и стоимость цг одной гирлянды с учетом дополнительных изоляторов определялись, исходя из числа изоляторов в гирлянде nи, равного отношению lr к строительной высоте изолятора Hи, массы gи и цены ци одного изолятора. Величины Hи, gи и ци представлялись в виде их зависимостей от отношения Lи/Hи и электромеханической разрушающей нагрузки Рр, коэффициенты которых были получены на основе анализа параметров стеклянных подвесных изоляторов типов ПС и ПСГ:

где lr и Hи — в сантиметрах, Рр— в деканьютонах.

Масса промежуточных опор и объем их фундаментов определены по приближенным формулам, позволяющим учитывать изменения высоты опоры и действующих на нее нагрузок, включая нагрузку от гирлянд изоляторов. Выполненные расчеты показали, что при использовании гирлянд из стеклянных подвесных изоляторов наиболее существенное влияние на стоимость опор и 1 км ВЛ оказывает длина гирлянды. Так, увеличение ее на 1 м для ВЛ 750 кВ приводит к удорожанию стоимости линии в среднем на 3%.
Народнохозяйственный ущерб от недоотпуска электроэнергии при перекрытии гирлянд изоляторов может быть определен по формуле [2]
(4)
(5)
где Nо — ожидаемое число отключений линии электропередачи в течение года,

Nпер — число перекрытий изоляции, обусловленное ί-м воздействием; ψАПВ — вероятность неуспешного действия АПВ; τв — среднее время восстановления системы электроснабжения потребителей; Р — пропускная способность электропередачи; Тм — число часов использования пропускной способности электропередачи; кд — коэффициент, учитывающий дефицит мощности в системе при отключении линии; у— удельный ущерб на один недоотпущенный кВт-ч электроэнергии.
При свободной подвеске проводов учитывались перекрытия увлажненной изоляции при рабочем напряжении, а также перекрытия воздушных промежутков между проводом и опорой при рабочем напряжении и действии ветра, направленном перпендикулярно трассе линии, и при коммутационных перенапряжениях. При V-образной подвеске проводов, исключающей качание провода относительно опоры, учитывались лишь перекрытия увлажненной изоляции при рабочем напряжении и перекрытия между проводом и опорой при коммутационных перенапряжениях.
При расчете числа перекрытий увлажненной изоляции и рабочем напряжении среднегодовое число опасных увлажнений (туман, роса, моросящий дождь) принималось равным 100 [5].
Ожидаемое число перекрытий воздушных промежутков провод — стойка опоры и провод — траверса при коммутационных перенапряжениях, ограничиваемых разрядником, определялось исходя из среднегодового количества перенапряжений на линии с амплитудой, превышающей уставку разрядника [6].
Число перекрытий изоляции при ί-м воздействии N„eρί рассчитывалось по формулам; затем, зная вероятность неуспешного АПВ (Ψαπβ ~ 20%), по формуле (5) определяли число отключений электропередачи Ν0 при варьировании в широких пределах lr и отношения L/H. Как показали выполненные расчеты, при увеличении отношения Lu/Нн и длины гирлянды No резко снижается (из-за уменьшения числа отключений при рабочем напряжении) вплоть до некоторого предельного значения (точки перегиба на рис, 1), обусловленного мало изменяющимся при изменении конструкции гирлянды числом отключений при коммутационных перенапряжениях.
Ущерб от одного отключения оценивался по формуле (4) при τв = 1 ч, Тм= 5000 ч/год, у = 0,5 руб./кВт-ч, kд = 0,01. Для ВЛ 750 кВ при величине передаваемой мощности 2300 МВт этот ущерб составляет 6,5 тыс. руб.

На рис. 2 показаны зависимости удельных приведенных затрат ВЛ 750 кВ длиной 1000 км , из которых следует, что для каждой l существует оптимальное отношение (Lи/Hи) опт, причем при значениях Lи/Hи< (Lи/Hи) опт приведенные затраты резко возрастают из-за увеличения числа отключений линии; при 1и/Ни > (Lи/Hи)опт их незначительное возрастание обусловлено увеличением стоимости изоляции. Аналогично для каждого отношения Lи/Hи существует оптимальная длина гирлянды. С увеличением lr оптимальная величина отношения смещается в сторону меньших его значений.

Рис. 1. Зависимости среднегодового числа отключений от отношения Lи/Hи и длины гирлянды /r при перекрытиях изоляции ВЛ 750 кВ длиной 1000 км с полевыми загрязнениями

Рис. 2. Зависимости от отношения Lи/Hи (сплошные линии) и длины гирлянды (штриховые линии) удельных приведенных затрат на сооружение и эксплуатацию ВЛ 750 кВ длиной 1000 км
В целом зависимость представляет собой вогнутую поверхность, нижняя точка которой соответствует абсолютному оптимуму величин.

Однако при выборе оптимальной конструкции гирлянд изоляторов по критерию минимума приведенных затрат следует учитывать, что ряд факторов, определяющих эти затраты, имеет статистическую природу (число перекрытий изоляции, вероятность неуспешного АПВ), Другие факторы (число опасных увлажнений, удельный ущерб на одно отключение, стоимостные показатели) являются вероятностно-неопределенными. Неоднозначность исходной информации в сочетании с пологостью функции (3) вблизи абсолютного оптимума параметров 1r и Lи/Hи обусловливает наличие зоны равноэкономичных решений, в пределах которой сравниваемые варианты конструкций гирлянд изоляторов имеют равновероятностные значения удельных приведенных затрат. В связи с этим выбор оптимальной конструкции гирлянд изоляторов целесообразно осуществлять путем отыскания такой зоны с последующим анализом формирующих ее вариантов для принятия единственного решения с учетом всех технических ограничений.
Анализ погрешности исходных данных, используемых при оптимизации, позволил оценить относительную среднеквадратичную погрешность функции (3) величиной (2... 5)%, которая и определяет размер зоны равноэкономичных решений.

Рис, 3. Зоны оптимальных значений длины гирлянды lr и отношения Lи/Hи ВЛ 500 кВ (а, в) и 750 кВ (б, г) при свободной (а, б) и V-образной (в, г) подвеске проводов и кратности перенапряжений, принятой в настоящее время (сплошные линии), и кратности 1,5 (штриховые линии)
Оптимизация гирлянд изоляторов ВЛ напряжением 500 кВ и выше выполнялась при свободной и V-образной подвеске проводов для двух значений расчетной кратности перенапряжений: обычно принимаемой при проектировании и сниженной до 1,5. На рис. 3 приведены 2%-ная (кривая 1) и 5%-ная (кривая 2) зоны равноэкономичных значений параметров lr и L/H, имеющие неправильную форму и вытянутые вдоль прямой, расположенной под углом (30...60)° к оси ординат, причем минимальное значение практически соответствует максимальному значению ОПТ и наоборот. Отклонение граничных значений параметров  равно экономичности в среднем составляет ± (7...8)%, а для 5%-ной зоны — ± (10... 15) %.
Полученные оптимальные значения длин гирлянды ВЛ 500 и 750 кВ больше минимально необходимых изоляционных промежутков провод — опора при коммутационных перенапряжениях (см. таблицу), а оптимальные отношения L/H для обычно принимаемой при проектировании кратности перенапряжений заключены в пределах 2 < L/H< 3 при свободной подвеске проводов и несколько ниже при V-образной. Существенное снижение расчетной кратности перенапряжений (до 1,5) требует применения на ВЛ 500 и 750 кВ изоляторов с отношением Lи/Hи> 3.

На действующих и проектируемых линиях 500 и 750 кВ в районах с полевыми загрязнениями используются изоляторы с отношением  L/H=2... 2,2, что меньше полученных оптимальных значений. Это обусловливает необходимость завышения длины гирлянды до 4,5 м для ВЛ 500 кВ и до 6 м для ВЛ 750 кВ.

Применение изоляторов с L/H= 2,5... 3 позволило бы уменьшить длину гирлянды при условии согласования характеристик электрической прочности воздушных промежутков при перенапряжениях и рабочем напряжении в условиях увлажнения поверхности изоляторов, что особенно важно для линий с глубоким ограничением перенапряжений.
Анализ оптимальных значений ВЛ различных классов напряжения позволил установить, что с увеличением номинального напряжения UH и длины гирлянды оптимальное значение Lи/Hи снижается. Так, при свободной подвеске проводов и обычно принимаемой расчетной кратности перенапряжений оптимальная длина гирлянды возрастает пропорционально Uн: lопт =1 + 1,8· 10-4U1,5 м, а оптимальное отношение Lи/Hи уменьшается также пропорционально.
Для полученных в результате оптимизации конструкций гирлянд изоляторов был оценен диапазон оптимальных значений удельной длины пути утечки λ, который для ВЛ 500 и 750 кВ оказался равным (1,6... 1,9) см/кВ.

ВЫВОДЫ

1. Зона равноэкономичных значений длины гирлянды и отношения Lи/Hи заключена в пределах ± (7 ... 10) % абсолютного оптимума этих величин.
2. Оптимальные значения отношения Lи/Hи зависят от класса напряжения, расчетной кратности перенапряжений и способа подвески проводов и для ВЛ 500 кВ.