Учет температуры проводов при выборе устройств компенсации реактивной мощности в линиях электропередачи с высокотемпературными и самонесущими изолированными проводами

УДК 621.316.1

Е. В. ПЕТРОВА С. С. ГИРШИН А. Я. БИГУН В. Н. ГОРЮНОВ

Омский государственный технический университет

УЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРОВОДОВ ПРИ ВЫБОРЕ УСТРОЙСТВ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ С ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫМИ И САМОНЕСУЩИМИ ИЗОЛИРОВАННЫМИ ПРОВОДАМИ

В работе отображены результаты сравнительного анализа влияния температурной зависимости активного сопротивления проводов повышенной пропускной способности, традиционных неизолированных проводов и самонесущих проводов на выбор мероприятий по снижению потерь электрической энергии. Приведены результаты расчетов экономической эффективности применения компенсации реактивной мощности как мероприятий по снижению потерь в электроэнергетической системе с учетом и без учета температурной зависимости элементов энергетической системы. Сформулированы отдельные закономерности сроков окупаемости компенсирующих устройств в зависимости от нагрузки, типа провода, сечения и длины линии. Ключевые слова: провод повышенной пропускной способности, мероприятия по снижению потерь энергии, температура, компенсация реактивной мощности, самонесущий изолированный провод.

Энергосбережение и повышение энергетической эффективности являются ключевыми, приоритетными направлениями модернизации экономики Российской Федерации. Согласно Постановлению Правительства РФ от 15 апреля 2014 г. № 231 «Об утверждении государственной программы Российской Федерации «Энергоэффективность и развитие энергетики» актуальность проблемы энергосбережения и повышения энергетической эффективности в России обусловлена значительной энергоемкостью валового внутреннего продукта, которая в 2 — 2,5 раза превышает аналогичные показатели ведущих стран мира. Вместе с тем, в соответствии с прогнозами Стратегии развития электросетевого комплекса Российской Федерации на период до 2020 года, предусмотрено снижение энергоемкости российской экономики к 2020 году более чем на 30 %. Указанное снижение должно быть в значительной степени реализовано за счет использования потенциала энергосбережения в электросетевом комплексе России.

Разработка мероприятий, обеспечивающих уменьшение потерь электрической энергии и улучшение качества электрической энергии, является актуальным направлением работ в электроэнерге-

тике [ 1 — 4]. Важным мероприятием по снижению потерь электрической энергии представляется компенсация реактивной мощности. В ранее опубликованных работах авторов [5 — 7] показано, что повышение эффективности компенсации реактивной мощности в плане уменьшения потерь может быть достигнуто на основе учета температурной зависимости активных сопротивлений сети. Цель настоящей работы — выявление общих закономерностей при выборе компенсирующих устройств

Рис. 1. Неразветвленная сеть: ИП — источник питания; W — линия; P, р — активная и реактивная мощности нагрузки; Рку — реактивная мощность компенсирующего устройства

Параметры проводов

Наименование и обозначение параметров Численные значения

Значение сопротивления проводов: без учета нагрева с учетом нагрева сопротивление при 20 °С

вычисляется по формуле

Погонное активное сопротивление провода 8ЛХ-50 при 20 °С, Ом/км 0,72

Погонное активное сопротивление провода 8ЛХ-240 при 20 °С, Ом/км 0,145

Погонное активное сопротивление провода АС-50 при 20 °С, Ом/км 0,5951

Погонное активное сопротивление провода АС-240 при 20 °С, Ом/км 0,118

Погонное активное сопротивление провода АСПТ АТ1/20Л8 50/8 при 20 °С, Ом/км 0,5723

Радиус жилы провода АС-50, АСПТ АТ1/20Л8 50/8, мм 4,8

Радиус жилы провода АС-240, мм 10,8

Радиус жилы провода 8ЛХ-50, мм 4

Внешний радиус провода 8ЛХ-50, мм 6,35

Радиус жилы провода 8ЛХ-240, мм 9,05

Внешний радиус провода 8ЛХ-240, мм 11,4

Температурный коэффициент сопротивления а, °С-1 0,00403

Степень черноты поверхности провода е 0,6

Температура воздуха ^ °С 1,7

Атмосферное давление Ратм, Па 100 000

Скорость ветра V, м/с 1

Средняя дневная сумма солнечной радиации Е, кВт • ч/м2 • день 5,5

Количество теплоты, полученное одним метром провода в единицу времени за счет солнечной радиации Вт/м провода АС-50 и АСПТ АТ1/20Л8 50/8 4

Интегрирующий множитель, переводящий потери мощности в потери энергии, Т (одинакова для потерь в линии и УКРМ) 5000

Стоимость электроэнергии Сруб./(кВт • ч) 2,098

Коэффициент приведения капиталовложений Ен, 1/год 0,14

Норма ежегодных отчислений на ремонт, обслуживание и амортизацию электрооборудования ар 0,059

Удельные потери активной мощности в УКРМ руд, кВт/квар 0,002

Напряжение в узле нагрузки не меняется

Температура провода при отсутствии УКРМ близка к максимально допустимой, но не превышает ее

При напряжении 6 — 10 кВ коэффициент реактивной мощности Ьдф 0,4

Оптимальные мощности БСК для провода АС-50 при мощностях нагрузки P = 3300 кВт, Q = 2500 квар

Длина линии, м Оу квар Стоимость БСК, тыс. руб. З, тыс. руб. вщопт, квар е,, %

без учета пр с учетом пр без учета пр с учетом пр

200 900 169,4 220,528 241,847 900 1350 50

1350 215,2 223,629 240,214

300 900 169,4 304,491 336,469 1350 1350 0

1350 215,2 299,867 324,744

1500 258,9 305,663 328,738

380 1350 215,2 360,857 392,368 1350 1800 33

1500 258,9 365,042 394,271

1800 270,9 361,621 387,782

650 1800 270,9 553,432 598,181 1800 2250 25

2250 329,6 557,209 597,289

Таблица 3

Оптимальные мощности БСК для провода АС-240 при мощностях нагрузки P = 9200 кВт, Q = 6100 квар

Длина линии, м Оу квар Стоимость БСК, тыс. руб. З, тыс. руб. опт, квар е,, %

без учета пр с учетом пр без учета пр с учетом пр

400 1800 270,9 602,292 651,372 1800 2250 25

2250 329,6 605,256 650,060

2700 391,4 610,848 651,735

550 2700 391,4 789,466 845,684 2700 3150 16

3150 449,8 791,067 843,104

4000 575,7 804,741 850,790

Таблица 4

Стоимости и сроки окупаемости установки БСК для провода АС-50 при мощностях нагрузки P = 3300 кВт, Q = 2500 квар

Длина линии, км Расчет без учета Ьпр Расчет с учетом { ег %

вуопт., квар Стоимость БСК, тыс. руб. Ток, лет опт, квар Стоимость БСК, тыс. руб. ТоЛ, лет

200 900 169,4 9,8 1350 215,2 5,0 96

300 1350 215,2 4,2 1350 215,2 2,6 57

380 1350 215,2 2,8 1800 270,9 2,1 35

650 1800 270,8 1,5 2250 329,6 1,2 22

Стоимости и сроки окупаемости установки БСК для провода АС-240 при мощностях нагрузки Р = 9200 кВт, О = 6100 квар

Длина линии, км Расчет без учета ( Расчет с учетом ( ег %

вщопт, квар Стоимость БСК, тыс. руб. Ток, лет квар Стоимость БСК, тыс. руб. ТоЛ, лет

400 1800 270,9 6,9 2250 329,6 2,4 184

550 2700 391,5 4,1 3150 449,8 1,9 115

Таблица 6

Оптимальные мощности УКРМ для провода АСПТ АТ1/20ЛБ 50/8 при мощностях нагрузки Р = 5000 кВт, О = 3600 квар

Длина линии, км Оку, квар Стоимость БСК, тыс. руб. З, тыс. руб. Оуопт, квар е,, % (дф Ь , °С пр'

без учета пр с учетом пр без учета пр с учетом пр

0,3 2250 488,8 627,556 789,182 2250 2700 17 0,3 103

2700 585,9 638,085 784,99 0,18 98,4

0,4 2250 488,8 788,583 1004,084 2250 2700 17 0,27 103

2700 585,9 793,033 988,907 0,18 98,4

0,6 2700 585,9 1102,93 1396,741 2700 3150 14 0,18 98,4

3150 673,1 1107,842 1385,954 0,9 96

0,8 2700 585,9 1412,827 1804,575 3150 3150 0 0,18 96

3150 673,1 1410,444 1781,261 0,9 96

3600 746,8 1424,826 1788,791 0 95,2

1 2700 585,9 1412,827 1804,575 3150 3150 0 0,18 98,5

3150 673,1 1410,444 1781,261 0,9 96

3600 746,8 1424,826 1788,791 0 95,2

Таблица 7

Стоимости и сроки окупаемости установки УКРМ для провода АСПТ АТ1/20ЛБ 50/8 при мощностях нагрузки Р = 5000 кВт, О = 3600 квар

Длина линии, км Расчет без учета Ьпр Расчет с учетом Ьпр Ег %

ОЩоПт, квар Стоимость БСК, тыс. руб. Ток, лет Рщопт, квар Стоимость БСК, тыс. руб. ТоЛ, лет

0,3 2250 488,8 3,92 2700 585,9 1,66 136,1

0,4 2250 488,8 2,55 2700 585,9 1,17 117,9

0,6 2700 585,9 1,69 3150 673,1 0,82 106,1

0,8 3150 673,1 1,33 3150 673,1 0,6 121,7

1 3150 673,1 1,02 3150 673,1 0,5 104

Оптимальные мощности БСК для провода SAX-50 при мощностях нагрузки P = 3300 кВт, Q = 2500 квар

Длина линии, м Qy квар Стоимость БСК, тыс. руб. З, тыс. руб. Qyonm., квар е,, %

без учета t пр с учетом t пр без учета t пр с учетом t пр

190 900 169,4 89,339 282,008 900 1350 33,3

1350 215,2 90,132 275,248

300 1350 215,2 101,119 393,407 1350 1350 0

400 1350 215,2 111,11 500,825 1800 1800 0

1500 258,9 113,202 498,897

1800 270,9 106,47 486,385

650 1800 270,9 115,723 733,083 1800 2250 24,4

2250 329,6 115,859 725,705

Таблица 9

Оптимальные мощности БСК для провода SAX-240 при мощностях нагрузки P = 9500 кВт, Q = 6700 квар

Длина линии, м Стоимость БСК, тыс. руб. З, тыс. руб. QKy, опт' квар

Qy квар без учета t пр с учетом t пр без учета t пр с учетом t пр е, %

1800 270,9 212,173 789,892

330 2250 329,6 212,179 778,129 1800 или 2250 2700 33,3 или 16,7

2700 391,4 214,840 772,873

3150 449,8 255,264 1122,727

520 4000 575,7 256,145 1105,622 3150 4000 21,3

для линий электропередачи с традиционными, высокотемпературными проводами повышенной пропускной способности и самонесущими изолированными проводами. Анализ вопроса проводится на примере электрической сети напряжением 10,5 кВ (рис. 1) с устройствами компенсации реактивной мощности (УКРМ, БСК).

Исходные данные для анализа приведены в табл. 1.

Результаты исследования по выбору оптимальных мощностей УКРМ (БСК) и сроки окупаемости для различных типов проводов представлены в табл. 2-11 [5-7].

Вычисление степени увеличения оптимальной мощности компенсирующих устройств реактивной мощности с учетом нагрева О . по отношению

1 1 ^—'куоптт

к оптимальной мощности без учета нагрева О

1 ¿—'куопт

выполняется по формуле

по выражению

e,= ((Q

е,= ((Т , - Т ) / Т ,)100

2 окг о к' ок t'

ГДе То* и

t - Q ) / Q t)i00 %.

Ky,onmt *—ку,опт' *—ку,оптг' ' ^ '

Погрешность определения сроков окупаемости, обусловленная неучетом нагрева е, вычисляется

Ток — сроки окупаемости УКРМ (БСК) с учетом и без учета температуры.

Как следует из материалов табл. 1-11, для различных типов проводов существуют различия по длине и сечению проводов линии, величине емкости и стоимости УКРМ (БСК). Тем не менее можно отметить определенные закономерности, характерные для различных типов проводов.

Анализ результатов, приведенных в табл. 2-11, позволяет заключить, что для всех типов проводов (АС, SAX, АСПТ) сроки окупаемости, установленные без учета и с учетом нагрева проводов, отличаются значительно (иногда в несколько раз). Средняя погрешность определения сроков окупаемости, обусловленная неучетом нагрева, вычисленная по формуле (2), составляет: 78 % — по самонесущим изолированным проводам SAX (табл. 10, 11), 117 % — по высокотемпературным проводам АСПТ AT1/20AS (табл. 7) и 110 % — по проводам АС (табл. 4, 5).

Стоимости и сроки окупаемости установки БСК для провода БЛХ-50 при мощностях нагрузки Р = 3300 кВт, О = 2500 квар

Длина линии, км Расчет без учета t Расчет с учетом t ег %

ЩоПщ., квар Стоимость БСК, тыс. руб. Тк, лет опт, квар Стоимость БСК, тыс. руб. ТоЛ, лет

190 900 169,4 7,04 1350 215,2 3,26 116

300 1350 215,2 3,05 1350 215,2 1,68 81,5

400 1800 270,8 2,25 1800 270,9 1,31 71,8

650 1800 270,8 1,18 2250 329,6 0,86 37,2

Таблица 11

Стоимости и сроки окупаемости установки БСК для провода БЛХ-240 при мощностях нагрузки Р = 9500 кВт, О = 6700 квар

Длина линии, км Расчет без учета t Расчет с учетом t ег %

ЩоПщ., квар Стоимость БСК, тыс. руб. Ток, лет опт, квар Стоимость БСК, тыс. руб. ТоЛ, лет

330 1800 270,9 5,3 2700 391,406 2,71 95,6

520 3150 449,8 2,76 4000 575,722 1,73 59,5

Таким образом, сроки окупаемости по всем типам проводов уточняются примерно на 100 %. Следовательно, погрешность соизмерима с определяемой величиной срока окупаемости. Этот факт подтверждает необходимость учета фактора нагрева проводников линии электропередачи при расчете сроков окупаемости. Особую актуальность приобретает учет температуры при больших нагрузках в сети, так как при увеличении загрузки линии электропередачи погрешность расчета сроков окупаемости увеличивается. Результаты, представленные в табл. 7, наглядно подтверждают этот вывод.

Во всех рассмотренных случаях учет температуры приводит к снижению расчетных сроков окупаемости. Это обусловлено тем, что: 1) фактическая температура проводов значительно больше 20 °С, поэтому активное сопротивление и уровень снижаемых потерь выше, чем без учета нагрева; 2) потери снижаются не только за счет уменьшения реактивной мощности, но и за счет уменьшения активного сопротивления (так как при установке БСК линия разгружается). Вследствие данных факторов расчетное снижение потерь (эффект мероприятия) с учетом нагрева получается выше, чем при традиционных методиках расчета.

Как следует из материалов табл. 2—11, для различных типов проводов оптимальные мощности БСК и сроки окупаемости в целом неодинаковы. Так, погрешность определения сроков окупаемости уменьшается с увеличением длины линии независимо от типа провода и площади сечения. При одинаковых нагрузках

сроки окупаемости Ток и их погрешности е2 при мощности БСК 1800 квар достаточно близки: АС-50 — Т =1,2 года, е, = 22 %; SAX-50 — Т =0,86 года,

ок ^ 2 ок г-1 1

е2 = 37 %. Несколько меньшее значение срока окупаемости у изолированного провода обусловлено двумя причинами: 1) материал токоведущей жилы провода SAX имеет более высокое удельное сопротивление по сравнению в проводом АС; 2) наличие изоляции приводит к дополнительному нагреву, что увеличивает потери энергии.

С увеличением передаваемой активной мощности, а следовательно, и температуры сроки окупаемости уменьшаются, а их погрешности увеличиваются примерно на порядок. Данный вывод подтверждают результаты исследования высокотемпературного провода АСПТ AT1/20AS 50/8 (табл. 7).

Библиографический список

1. Шведов, Г. В. Оценка влияния метеоусловий на годовые нагрузочные потери электроэнергии в проводах воздушных линий / Г. В. Шведов, А. Н. Азаров // Электричество. — 2016. — № 2. - С. 11-18.

2. Повышение точности расчета технологических потерь электрической энергии в ВЛ на основе учета режимных и климатических факторов / А. В. Дед [и др.] // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2010. — № 1 (87). — С. 114—119.

3. Горюнов, В. Н. Определение управляющего воздействия активного фильтра гармоник / В. Н. Горюнов, Д. С. Осипов, А. Г. Лютаревич // Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. — 2009. — № 6. — С. 20 — 24.

4. Расчет погрешностей определения потерь электрической энергии в проводах повышенной пропускной способности из-за неучета атмосферных и режимных факторов / Е. В. Петрова [и др.] // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2013. — № 2 (120). — С. 191 — 197.

5. Гиршин, С. С. Учет температуры элементов сети при выборе мероприятий по снижению потерь энергии на примере компенсации реактивной мощности / С. С. Гиршин // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. - 2013. - № 1 (117). - С. 137-142.

6. Учет температуры проводов повышенной пропускной способности при выборе мероприятий по снижению потерь энергии на примере компенсации реактивной мощности / А. Я. Бигун [и др.] // Современные проблемы науки и образования. - 2015. - № 1-1. - С. 212.

7. Учет температурной зависимости сопротивления неизолированного провода при выборе мероприятий по снижению потерь энергии на примере компенсации реактивной мощности / Е. В. Петрова [и др.] // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2013. - № 1. - С. 284-291.

ПЕТРОВА Елена Владимировна, старший преподаватель кафедры электроснабжения промышленных предприятий.

ГИРШИН Станислав Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения промышленных предприятий.

БИГУН Александр Ярославович, ассистент кафедры электроснабжения промышленных предприятий.

ГОРЮНОВ Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой электроснабжения промышленных предприятий.

Адрес для переписки: barsbigun@list.ru

Статья поступила в редакцию 20.04.2016 г. © Е. В. Петрова, С. С. Гиршин, А. Я. Бигун, В. Н. Горюнов

УДк 621315 Д. А. ПОЛЯКОВ

Д. А. ЮРЧУК Г. А. КОЩУК К. И. НИКИТИН

Омский государственный технический университет

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ПОЛИЭТИЛЕНОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ТЕМПЕРАТУРЫ

Рассмотрено влияние температуры на полиэтиленовую изоляцию линий электропередачи. На основе известной зависимости константы скорости реакции от температуры определена функция скорости разрушения материала от температуры. Рассчитан срок службы изоляционного материала от температуры. Выявлено, что в области рабочих температур изоляции (до 90 °С) влияние температуры незначительно и срок службы составляет сотни лет, с повышением же температуры он значительно сокращается. В реальных условиях при рабочих температурах срок службы полиэтиленовой изоляции гораздо меньше, что объясняется влиянием электромагнитного поля и других деструктивных факторов.

Ключевые слова: электроизоляция, влияние температуры на изоляцию, полиэтилен, полиэтиленовая изоляция, срок службы изоляции, остаточный ресурс изоляции.

Введение. В процессе эксплуатации линий электропередачи (ЛЭП) их изоляция подвергается ряду разрушающих воздействий, одним из которых является температура [1-3].

Температура изоляции зависит от следующих факторов:

— величины тока, протекающего по жилам проводов ЛЭП;

— температуры окружающей среды (земли или воздуха);

— внешнего температурного воздействия (например, нагрева под воздействием солнечных лучей);

— наличия дефектов в изоляции, в которых могут появляться частичные разряды [1, 2, 4] и которые способны вызывать нагрев локальных объемов изоляционного материала.