Доклады и презентации

Оптимизация воздушных линий электропередачи через повышение эффективности

Введение

К 2020 г., на земле будет 7,5 миллиарда людей и потребление увеличится на 75% (в сравнение с 2000 г.), и будет равномерно разделено между развивающимися и развитыми странами. Это означает увеличение на 37,5% каждые 10 лет.

В Российской Федерации, потребление электричества должно достигнуть к 2030 г. 1000 ТВт•ч в год, и до 2015 г. средний рост составит 2% в год (источник: World Energy Outlook 2006, IEA).

Этот рост будет требовать повышения пропускной способности существующих линий, которые будут длинней, объединены, и уязвимы. Не только новые линии передачи и распределения должны быть построены, но и новый уровень технологии должен будет создать системы передачи, чтобы гарантировать эффективность, надёжность, безопасность, гибкость и экологичность.

Операторы Системы Передачи (TSO) и электросети должны будут или строить новые воздушные линии электропередачи или модернизировать существующие, но с долгосрочными перспективами. Возможности TSO должны соответствовать увеличивающемуся спросу на электроэнергию, улучшить эффективность и надёжность линий электропередачи, уменьшить затраты на строительство (например при использовании меньшего числа опор), сократить время строительства, использовать существующую полосу отчуждения, увеличить безопасность (путём уменьшения стрелы провеса при критических режимах), уменьшить потери и выделение СО2.

Цель данного доклада – объяснить, что можно предпринять для того чтобы использовать эти возможности:
- применить современные компактные провода с наружным слоем из Z-проволок;
- повысить проводимость провода, путём выбора соответствующего алюминиевого сплава;
- применить современные провода с низкой стрелой провеса (работа при повышенной температуре в режиме перегрузки).

С увеличением стоимости электроэнергии, снижение потерь при передаче и распределении (T&D) будет играть ключевую роль в следующие 10 лет. Потери в сети обычно колеблются в пределах от 7 до 15% и сетевым компаниям нужно будет рассматривать, по возможности, все варианты для уменьшения этих потерь. Использование проводов с малым сопротивлением, позволяет снижать потери и повышать надёжность сети. При выборе типа и размера провода, необходимо всегда учитывать итоговую стоимость владения (TCO), рассчитанную на жизненный цикл линии, но необходимо включать не только стоимость провода, но и технологические и нетехнологические потери.

В Российской Федерации длина линий может быть весьма большой, при этом потери станут первостепенным фактором выбора, например применение постоянного тока (DC) вместо переменного тока (AC) может также оказать влияние на выбор провода.

Стандартные конструкции проводов для воздушных линий электропередачи

Традиционно, для новой линии электропередачи, применяют следующие конструкции: полностью алюминиевый провод (AAC), сталеалюминевый провод (ACSR). Более современной конструкцией, позволяющей увеличить надёжность и снизить эксплуатационные затраты, является конструкция, когда провод полностью изготовлен из алюминиевого сплава (AAAC). Этот провод выбирают для большинства новых линий для передачи электроэнергии на большие расстояния при AC или DC. В районах, где никогда не будет гололёдной или снеговой нагрузки целесообразно применять провода из алюминиевых проволок усиленных проволоками из алюминиевого сплава (ACAR), это может быть хороший компромисс между проводимостью и механически прочностью.

В районах, где возможно налипание мокрого снега и льда выбирают провода из алюминиевого сплава (AAAC) или из алюминиевого сплава усиленные сталью (AACSR).

Рабочая температура, для стандартных проводов, в номинальном режиме не должна превышать 90°C.

Конструкции высокотемпературного провода с малой стрелой провеса

Электроэнергию необходимо поставить надёжно, без перебоев, и без изменений частоты и определённого качества (скачки напряжения и кратковременные отключения). Сетевые компании стремятся уменьшить количество отказов оборудования и продолжительность отключений до такой степени, чтобы удалённые или малонаселённые районы были надёжно защищены.

В случае замены проводов существующих линий из-за увеличивающегося требования по токовой нагрузке, особенно в отдалённых районах, должны быть учтены требования по безопасности путём поддержания требуемых габаритов (расстояние от провода до земли) при более высокой токовой нагрузке. Поскольку новые провода будут смонтированы на существующих опорах (решётчатые или трубчатые), то диаметр нового провода не должен превысить диаметр существующего провода, во избежание увеличения усилий на опорах (иногда в плохом состоянии из-за недостатка обслуживания или из-за трудных зимних условий). Решение будет состоять в том, чтобы использовать высокотемпературные провода с малой стрелой провеса (HTLS). Эти провода можно перегружать в течение некоторого времени, даже в условиях высоких температур (до 250°C, в зависимости от конструкции провода), если сеть работает в аварийном режиме, при (N-1) или даже (N-2).

Эти провода HTLS не должны быть выбраны только для постоянной работы при высокой температуре, так как тепловые потери в линии будут увеличены в функции R•I2. При двукратном увеличении токовой нагрузки, по сравнению с номинальным режимом, потери возрастут более чем на 400%.

В этой группе проводов несущая часть может быть изготовлена из оцинкованной стали (до 150°C), стали высокой прочности M-EHS (до 250°C), с новыми сердечниками – синтетическими (до 200°C), или металлическим (до 300°C).

Проводящая часть может быть сделала из полностью отожжённого мягкого алюминия (A0, 300°C) или термобработанных сплавов алюминий-цирконий (Al-Zr) марок A1T, A2T, A3T, A4T, (до 230°C).

В этой группе могут быть рассмотрены, главным образом, марки T-ACSR, STACIR, ACSS и новые проводники Lo-Sag™.

Другое решение – это применение проводов с зазором (GAP) ACSR (G-TACSR, до 210°C). Это может быть целесообразно, но усложняет конструкцию провода, повышает сложность установки и расходы на техническое обслуживание в виду того что сердечник не в контакте с наружным алюминиевым слоем, а также делает невозможным использование стандартных натяжных зажимов и инструментов во время натягивания или ремонта проводов данного типа.

Сегодня, необходимо сделать правильный выбор между механическими характеристиками и стоимостью для провода HTLS с высоким отношением между механической прочностью и весом. Актуальным решением являются алюминиевый провод поддерживаемый сталью (ACSS) и новые алюминиевые провода с синтетическим сердечником (Nexans Lo-Sag™). Дополнительный выигрыш получается от применения компактных проводов с трапецеидальными проволоками (TW) или Aero-Z® провода (ZW) на внешних повивах, которые позволяют оптимизировать проводящую часть и уменьшить наружный диаметр.

Самая современная конструкция провода


Компактные провода, сделанные из проволок Z-формы (Nexans Aero-Z®)

В настоящее время, там, где необходимы более длинные пролеты, чтобы уменьшить стоимость линии, можно применить провода с проволоками трапецеидальной или Z-формы, которые имеют большее количество металла по сравнению с проводами такого же диаметра из круглых проволок. Преимущество компактной конструкции наружных слоёв состоит в равной наружной поверхности и меньшем диаметре (меньший диаметр, если сравнивать с проводом AAAC или меньший вес, если сравнивать с ACSR), то есть будут меньшие потери или увеличенная токовая нагрузка при большей механической прочности. Следовательно, возможно уменьшение выделения СО2, особенно для длинных линий если применены провода данной конструкции, в виду того что они могут уменьшить тепловые потери на 40% по сравнению с проводами ACSR. Конструкция Nexans Aero-Z® будет также обладать меньшим коэффициентом аэродинамического сопротивления (Cx) и меньшими на 30% нагрузками на опоры при высоких скоростях ветра и особенно в случае турбулентных ветров. Проводимость алюминиевых слоев провода Aero-Z® Nexans может быть оптимизирована путём замены применяемого алюминиевого сплава в зависимости от требуемой механической прочности. Конструкция провода Aero-Z® соответствует МЭК 62219.

Стандартный алюминиевый сплав марки 6201, идеально подходит для замены алюминия в проводах ASCR при больших расстояниях между опорами, уменьшая таким образом число опор. Также в этих случаях применяются провода Nexans low-drag или Aero-Z®. Провода с этим сплавом применяются в Великобритании, Европе, США, и многих других странах со сложным ландшафтом или горной местностью. Другие сплавы, например сплав 1120 (Nexans Ductalex®) идеальны при более низких затратах на передачу, как при строительстве, так и при эксплуатации. Этот сплав был впервые применен в Швеции 40 лет тому назад и его часто называют «Ультра высокой проводимости», потому что это основной «высокотехнологичный» вариант стандартного алюминия принятого в EC. Так как при внесении некоторых незначительных элементов в стандартный сплав марки 1350 и очень тщательном контроле технологического процесса при изготовлении катанки и проволоки для провода можно достичь увеличения на 50% механической прочности, при этом потеря электрической проводимости составляет всего 1–2%.

Все эти сплавы можно использовать для того чтобы изготавливать провода конструкции Aero-Z®.

Применение провода Aero-Z® на постоянное напряжение: 500 кВ «Fenno-Skan 2» (Fingrid, Финляндия)

Между финскими (Fingrid Oyj) и шведскими (Svenska Kraftnat) высоковольтными сетями создано совместное предприятие «Nordic Nordel». Основные потребители электроэнергии сконцентрированы на юге Финляндии и Швеции но гидроресурсы находятся на севере. Путём соединения сетей в 1989 г. линией HVDC 500 МВт 400 кВ «Fenno-Skan» на юге (мах. 572 МВт в зависимости от температуры окружающей среды), ёмкость по передаче электроэнергии между двумя странами была очень увеличена. Это потребовало строительства 200 км подводной кабельной линии и 33 км воздушных линий в Финляндии + 75 км в Швеции. В 2005 г., обе страны решили повысить надёжность электроснабжения путём строительства второй линии «Fenno-Skan 2» HVDC 500 кВ 800 МВт к 2010 г.

Для этого проекта «Fenno-Skan 2», на финский стороне (соединение Rauma-Rihtniemi 33 км) полоса отчуждения составляла 30 м для прокладки новой линии DC 500 кВ с возвратным проводом на таких же опорах (двуполярное соединение), расстояние между двумя цепями – 9 м (разница в напряжении 900 кВ на реверсировании полярности на расстоянии 9 м) и минимальный габарит до земли 10 м. На линия 400 кВ «Fenno-Skan» было смонтировано шесть проводов ACSR 565/72 положительной полярности.

После глубокого изучения конструкции провода Aero-Z® на линиях постоянного тока с большими перепадами высот, компания Fingrid (совместно с институтом STRI, Швеция), предложила компании Nexans изготовить провода полностью из алюминиевого сплава (AAAC A3F) сечением 666 мм2. Проволоки двух верхних повивов этого провода марки Aero-Z® имеют Z-форму, полюс состоит из четырех проводов (для снижения напряжённости электрического поля) с гладкой и ровной наружной поверхностью, при высокой механической прочности данная конструкциия выполнена полностью из алюминиевого сплава – это было самым лучшим решением для линии «Fenno-Skan 2». Провода этого сечения также позволяют Fingrid переключить всю передаваемую мощность, если нужно, с линии «Fenno-Skan 1» на новую «Fenno-Skan 2» без необходимости применять провода HTLS.

Сравнительные испытания, выполненные институтом STRI проводов ACSR и Aero-Z® показали что уровень шума был почти одинаковым. Получен подробный отчёт и результаты измерений звуковых шумов (AN), и потерь на корону (CL) и напряжение радиопомех (RIV) от провода Aero-Z® 666-2Z, специально сконструированного для линии «Fenno-Skan 2». Сравнительные измерения были выполнены со стандартным проводником ACSR, с таким же наружным диаметром. Измеренные значения RIV были малы и почти не менялись для сухих проводников. Соответствующие значения RIV для влажных проводов были больше чем для сухих и увеличивались при росте напряжённости поля. Разница для AN при частоте 8 кГц была больше на 2–3dB для Aero-Z® провода при напряжённости 14 кВ/мм, что весьма незначительно.

Измерения параметров RIV и AN показали ожидаемые результаты. Источник шума и причина возникновения RIV были одними и теми же – это влажность и капельки воды на поверхности провода.

Потери на корону при частоте 50 Гц (под дождём) на 1–20% меньше для Aero-Z® , чем для провода аналогичного диаметра ACSR.

Сталеалюминевые провода с зазором (ACSS/TW)

Для выбора более гибких решений для воздушных линий компания Nexans предлагает провода с высокой токовой нагрузкой для различных климатических условий.

Провода ACSS могут удвоить ток в линии (до 250°C). Стальной сердечник несёт большую часть или всю механически нагрузку, а внешние повивы – из полностью отожжённого (мягкого) алюминия. Проволоки стального сердечника защищены от коррозии покрытием из сплава алюминия и 5% цинка, стойкого к высоким температурам. Также возможно использование высокопрочного стального покрытого алюминием сердечника. Наружные повивы провода ACSS сделаны из проволок трапецеидальной формы (согласно BASTM B857).

Эта известная технология покрытия стали алюминием имеет большой опыт применения – 40 лет. Такая конструкция работает при температуре до 250°C без потери прочности (ток +100%) и провес меньше при аварийной ситуации, чем у провода ACSR (применение стали M-EHS). Окончательные провесы у провода ACSS не изменяются и не зависят от ползучести алюминия. Провода ACSS позволяют передавать больший ток при меньшем диаметре. Метод преднатяжки целесообразно применять для того чтобы не было повреждения провода при высоких температурах. Более высокая токовая нагрузка, которую может передать провод марки ACSS при аварийном режиме повышает надёжность сети и при этом имеет разумную цену.

Алюминиевые провода с составным сердечником (Lo-Sag™ /TW или /ZW)

Новое решение для воздушных линий электропередачи это провода Nexans Lo-Sag™ – композитный сердечник и верхние повивы из алюминиевых проволок. Данный провод обладает малым весом, так как сердечник изготовлен из волокон углерода в синтетической матрице. Провод позволяет проектировать линии с пролётом в 2,5 км, уменьшая число опор и значительно понижая их высоту, а, следовательно, и стоимость опоры, например при переходах через реки.

При перегрузке (до 160°C в номинальном, и до 200°C в аварийном режимах), они обеспечивают более надёжную поставку электроэнергии за счёт более низкой стрелы провеса.

Сердечник провода сделан из волокон углерода в эпоксидной матрице и имеет высокую прочность при растяжении для того чтобы нести большую часть или всю механическую нагрузку провода. Сердечник покрыт оболочкой. Он имеет самый высокий коэффициент соотношения прочности и веса (> 1350), при этом предел прочности до 2500–3000 Н/мм2 и удельный вес 1,8 кг/дм3.

Проводящая часть скручена из алюминиевых проволок и проволок из алюминиевого сплава с двумя или с тремя повивами с проволоками специальной формы (Aero-Z® или трапецеидальных проволок).

Этот провод дешевле, учитывая полную стоимость (строительства и эксплуатации), т.к. позволяет применять длинные пролёты при этом можно сократить число опор (или применить более низкие опоры для перехода через реки), имеет меньший провес (при высокой температуре) и вызывает меньшие усилия на опорах, при этом преимущества более заметны, если выполнен в конструкции Aero-Z®.

Очень хорошее отношение между сечением алюминиевой части и сечением синтетического сердечника, которое позволяет проводу данной конструкции работать при более низкой температуре во время перегрузки, по сравнению с другими проводами со стальными сердечниками и проводящей частью из алюминиевых проволок (провода HTLS) при такой же нагрузке, вызывая меньше потерь.

Заключение


Nexans способствует повышению надёжности и безопасности электрических сетей, увеличивает пропускную их способность и уменьшает технические и нетехнические потери за счёт применения современных проводов, и таким образом создаёт новые возможности, защищает окружающую среду и помогает экономическому и социальному развитию.

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно