Применение высокотемпературных проводов нового поколения на действующих ВЛ в условиях смещения максимумов нагрузки с зимы на лето

В статье рассмотрены особенности применения высокопрочных и высокотемпературных проводов на высоковольтных линиях электропередачи с расчетом их эксплуатационной эффективности. Пластически обжатые проводники обладают преимуществами по сравнению с проводниками иных конструкций — это снижение вибрационных нагрузок, большая жесткость на кручение, меньшая вероятность галопирования, повышенная виброустойчивость и эффект самопогашения колебаний. Пластическая деформация проводников значительно повышает механическую прочность и в несколько раз снижает вытяжку при эксплуатации. Пластически деформированные высокотемпературные проводники обладают значительно более высокими значениями допустимого тока, который определяется с учетом самых высоких температур проводника в регионе применения.

Фокин В.А., генеральный директор ООО «Метсбытсервис»
Гуревич Л.М., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Материаловедение и композиционные материалы» ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет»
Курьянов В.Н., к.т.н., генеральный директор ООО «Техприспро»
Тимашова Л.В., к.т.н., начальник центра электротехнического оборудования АО «НТЦ ФСК ЕЭС»

В статье показано применение пластически обжатых проводов при необходимости значительного повышения пропускной способности без увеличения поперечного сечения на действующих линиях электропередачи 110–220 кВ. Проводники АСВТ способны выдерживать большую нагрузку при равных условиях окружающей среды по сравнению с проводниками АС [1, 2]. Температура проводника АСВТ ниже по сравнению с проводником AC при увеличении токовой нагрузки. Разница температур особенно заметна при больших токах. Допустимая температура для компактированных проводников определяет зависимость допустимой токовой нагрузки от температуры воздуха. Для АС и АСВТ в условиях максимальной рабочей температуры она составляет 80°С и 150°С соответственно. Непрерывный допустимый ток для высокотемпературного проводника на 30–35% выше значения для стандартного проводника того же диаметра. Имеются перспективы дополнительного существенного повышения пропускной способности в обеспечении стабильности тяжения и габаритов [3].

ИЗМЕНЕНИЕ МАКСИМУМА НАГРУЗКИ В РЕГИОНАХ С ВЫСОКОЙ ИНТЕНСИВНОСТЬЮ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ И ОКАЗЫВАЕМОЕ ВЛИЯНИЕ НА ПРОПУСКНУЮ СПОСОБНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

По оперативным данным АО «СО ЕЭС», в 2023 году в 20 ОЭС и региональных ЭС достигнут новый летний максимальный уровень потребления электрической мощности — 132 ГВт, что на 5,7 ГВт выше рекордного летнего максимума прошлых лет, зафиксированного 24.08.2022 г. Ранее в период экстремально высоких температур 2022 года (в июле- августе) максимумы потребления мощности прошли 19 объединенных и региональных энергосистем, в том числе ОЭС Урала, Сибири и Востока. Летние максимумы в 2021 году прошли шесть объединенных энергосистем: ОЭС Центра — 5 раз, ОЭС Средней Волги — 4 раза, ОЭС Востока — 5 раз, ОЭС Северо-Запада — 2 раза, ОЭС Сибири — 2 раза, ОЭС Юга — 2 раза. В ОЭС Юга летний максимум пройден 07.07.2021 г. и 16.07.2021 г. при температуре воздуха 27,4°С — 16 ГВт. Исторические максимумы в объединенной энергосистеме регионов России превышены в период летних максимумов нагрузки. Ранее исторические максимумы потребления фиксировались только зимой. Рост нагрузки в период экстремально высоких температур связан с глобальной тенденцией изменения структуры энергопотребления. Температура проводов определяется сочетанием комплекса погодных характеристик, такими как солнце, ветер, температура воздуха, и величиной тока нагрузки, а пропускная способность воздушных линий электропередачи зависит от температуры проводников [4].

Пропускная способность снижается с ростом температуры окружающей среды. Исходя из чего можно сделать вывод о целесообразности сравнения применяемых проводников воздушных линий в регионах с высокой солнечной активностью, произведенных по современных технологиям (в том числе с применением технологий пластической деформации). Технология пластической деформации позволяет достичь максимального заполнения внутреннего пространства материалом. Увеличение температуры воздуха, а также воздействие солнечной радиации в текущих условиях может приводить к экстремальным режимам и отключению потребителей. Пропускная способность проводника определяется на основе теплового расчета. Тепловой расчет, в общем случае, сводится к определению температуры токопроводящей жилы с учетом потерь, а также колебания температуры окружающей среды. На рисунке 1 представлено сравнение величин длительно допустимого тока проводников.

Из графика видно, что значения длительно допустимого тока сравниваемых проводников воздушных линий, определяемые с учетом солнечной радиации, значительно различаются при одинаковых температурных условиях окружающей среды.

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПОТЕРЬ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Произведем расчет потерь активной мощности в линиях с применением проводников типа АС, АСВП, АСВТ. При расчете потерь учтем температуру окружающей среды и нагрев проводов токами нагрузки [5, 6]:

Числитель в этом выражении представляет собой потери, приведенные к температуре окружающей среды, а знаменатель учитывает увеличение потерь вследствие нагрева проводов током нагрузки. Коэффициент A определяется по следующему уравнению при максимально допустимом токе I_доп:

где ϴ_доп — максимально допустимая температура провода, °С; ϴ_окр — температура окружающей среды, к которой приведен допустимый ток, °С.

В таблице 1 приведены исходные данные для расчета потерь мощности в линии. Потери активной мощности в линии с учетом нагрева у проводов АС-300/66 и АСВП(АСВТ)-295/44 практически равны (△P ≈ 110 кВт/км). При этом электромеханические показатели АСВП(Т)-295/44 значительно выше.

На рисунках 2 и 3 представлены зависимости длительно допустимого тока проводников АС-120 и АСВП-128/36 с АСВТ-128/36 и зависимости потерь активной мощности соответственно. Таким образом, у проводников типа АСВП и АСВТ можно наблюдать значительно лучшие характеристики относительно рассматриваемых проводников АС при сопоставимых условиях (температуре окружающей среды, сечениях и токовой нагрузке).

Провод АС является известным классическим проводником. Особенностью проводников АСВП является повышенная механическая прочность и компактность конструкции, обеспечиваемые пластической деформацией стальной и алюминиевой частей. Что, в свою очередь, создает возможность использовать проводники значительно меньших диаметров в одинаковых по длине пролетах ВЛ или увеличивать расстояния между опорами до 40%, увеличивать пропускную способность ВЛ, а также повышать предельно допустимое значение тока при одинаковых максимально допустимых температурах. Особенностью проводников АСВТ являются: сплав, увеличивающий рабочую температуру проводников с 90°С до 150°C, а максимально допустимую — до 210°C, и конструкция провода, позволяющая без изменения сопротивления провода относительно АСВП достичь роста пропускной способности без значительного удорожания [7].

ОГРАНИЧЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ВСЛЕДСТВИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО И ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО ИЗМЕНЕНИЙ СТРЕЛ ПРОВЕСА

При повышении температуры провода увеличиваются стрелы провеса. В результате могут быть нарушены габариты воздушной линии и изоляционные расстояния, то есть снижены надежность и безопасность работы ВЛ. На ряде ВЛ пропускная способность ограничивается недостаточными габаритами до земли или до пересекаемых объектов и межфазными расстояниями вследствие температурного или эксплуатационного изменения стрел провеса.

При смещении максимумов нагрузок на период высоких температур воздуха усиливаются риски ограничения токовых нагрузок по этим причинам.

В свою очередь, пластическая деформация не только значительно повышает торсионную жесткость и механическую прочность, но и в несколько раз снижает вытяжку (удлинение) в процессе эксплуатации вне зависимости от металла. Соответствующие испытания проводились в АО «ВНИИЖТ» и АО «НТЦ ФСК ЕЭС» с изделиями из стали, меди и, конечно, с АСВТ.

Также характеристики провода позволяют обеспечить снижения стрел провеса или увеличение габаритных пролетов проводов (рисунок 4).

Габаритный пролет определен при условии нагрева провода до максимальной температуры АС 300/66 — 90°С, t_max провода АСВТ 218/63 — 120°С; t_max провода АСВТ 295/44 — 89°С, t_max провода АСВТ 258/73 — 100°С, провода АСВТ 277/79 — 100°С. Габаритная стрела провеса — 11,0 м. Высота подвеса проводов на 220 кВ — 18,0 м, наименьшее допустимое расстояние до земли — 7,0 м. Климатические условия: ветер — 65 даН/мм², III зона, при гололеде — 16,25 даН/мм², гололед — 20 мм, III зона. Допустимый ток рассчитан для t воздуха = 20°С. Внешние условия для расчета допустимых токов: ветер со скоростью 0,605 м/с перпендикулярно проводу, интенсивность солнечной радиации — 0 Вт/м2, постоянная поглощения — 0,6, излучения — 0,6.

При анализе рисунка 4 преимущества проводов АСВП по сравнению с АС, исходя из показателей габаритных пролетов и расчетных стрел провиса, очевидны. Отдельно стоит отметить факторы снижения гололедообразования, пляски и риска схлестывания. Уровень сближений фаз определяют коэффициент изгибной жесткости конструкций проводов фаз (который у АСВП и АСВТ значительно выше, чем у АС) и их связь с пляской в так называемой потенциальной яме провеса провода, в которой развивается высокоамплитудный резонанс пляски и резонансный подскок провода при сбросе гололеда.

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ НА КОРОННЫЙ РАЗРЯД

Возможность снижения диаметра при использовании компактированных проводов может вызвать опасение роста потерь на корону. Однако сравнительные испытания на коронный разряд неизолированных проводов АСВП-216/33 и АС-240/32, а также АСВП-197/55 и АС-150/19, АС-185/29, АС-240/32, проведенные испытательной лабораторией электрооборудования высоковольтных электрических сетей АО «НТЦ ФСК ЕЭС», подтвержденные также и в ходе сертификации в Германии, опровергают эти опасения. В таблице 3 представлены данные по напряжению возникновения коронного разряда в зависимости от приложенного напряжения для проводов различных марок.

По результатам проведенных сравнительных испытаний установлено:

• для проводов одинакового диаметра 18,8 мм напряжение возникновения коронного разряда на проводе АСВП-197/55 на 5,7% выше напряжения возникновения коронного разряда на проводе марке АС-185/29;
• начальное напряжение возникновения коронного разряда провода АСВП-216/33 соответствует начальному напряжению возникновения коронного разряда провода марки АС-240/32;
• в зоне рабочих напряжений ВЛ 220 кВ коронный разряд на проводах марок АСВП-216/33 и АС-240/32 не наблюдался;
• число очагов коронного разряда в диапазоне напряжений 155–175 кВ проводов марок АСВП- 216/33 и АС-240/32 сопоставимы.

ВЫВОДЫ

Применение проводов повышенной пропускной способности при реконструкции ВЛЭП позволяет обеспечить резерв токовой нагрузки. Увеличение пропускной способности проводов обеспечивается их большей, по сравнению с обычными сталеалюминевыми проводами, рабочей температурой. За счет повышенной устойчивости к температурам свыше 100°С провода могут нести более высокую токовую нагрузку в нормальных условиях. Применение пластически обжатых проводников обосновано для случаев с высокими температурами окружающей среды. АСВТ обеспечивает резерв пропускной способности и заданные ее значения при нагреве провода солнцем, не требуя увеличения сечения. Последнее отразится на общих затратах и повысит эффективность при новом строительстве или реконструкции ВЛ.

В свою очередь, возникающий эффект в снижении технических потерь позволяет говорить, в том числе, и о снижении карбонового следа, так как требуется меньше энергии для компенсации технических потерь в электрических сетях и, как следствии, сокращении выбросов в окружающую среду. Что в совокупности представляет собой надежные решения для перехода к низкоуглеродной энергетике будущего. Комплексное правильное использование пластически обжатых проводов на ВЛ 6–750 кВ позволяет значительно повысить их надежность при воздействии всего диапазона климатических нагрузок, увеличить пропускную способность, снизить конечные капитальные затраты.

ЛИТЕРАТУРА

1. Fokin V., Kuryanov V., Kushch L., Merzlyakov A. Optimal Solutions for Power Grid Development Problems // Special issue “ELECTRIC POWER. Transmission and Distribution” for the 47th CIGRE Session (Paris, France), August 2018, pp. 34-37.
2. Фокин В.А., Тимашова Л.В., Мерзляков А.С., Гуревич Л.М., Курьянов В.Н., Назаров И.А. Эффективность применения отечественных инновационных высокопрочных и высокотемпературных проводов АСВТ // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение, 2019, № 2(53). С. 70–76.
3. Levin A.A., Narykova M.V., Lihachev A.I., Kardashev B.K., Kadomtsev A.G., Brunkov P.N., Panfilov A.G., Prasolov N.D., Sultanov M.M., Kuryanov V.N., Tyshkevich V.N. Modification of the Structural, Microstructural, and Elastoplastic Properties of Aluminum Wires after Operation. Metals, 2021, vol. 11, p. 1955.
4. Рабочая группа B2.26 SIGRE. Руководство по выбору высокотемпературных проводов для использования на воздушных линиях. Техническая брошюра № 426, август 2010 г.
5. Курьянов В.Н., Султанов М.М., Осокин В.А., Тимашова Л.В. Инновационные высокоэффективные провода для линий электропередачи // Энергия единой сети, 2016, № 4(27). С. 70–78.
6. Курьянов В.Н, Гуревич Л.М, Тимашова Л.В., Фокин В.А. Исследование сталеалюминиевых пластически уплотненных проводов для ВЛ // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение, 2020, № 6(63). С. 80–83.
7. Фокин В.А., Тимашова Л.В., Мерзляков А.С., Гуревич Л.М., Курьянов В.Н., Назаров И.А. Эффективность внедрения отечественных инновационных высокопрочных и высокотемпературных сталеалюминевых проводников // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение, 2019, № 2(53). С. 48–54.