Особенности конструкции и эксплуатации компактных воздушных линий нового поколения в России



В статье приведены результаты краткого анализа современной линейной арматуры, проводов нового поколения, с помощью которых можно как строить новые компактные линии, так и модернизировать старые. Также приведены варианты современных компактных одноцепных и двухцепных ВЛ (УСВЛ), относящихся к воздушным линиям нового поколения. Кроме этого, рассмотрены основные особенности эксплуатации линий нового поколения.

Ключевые слова: энергосистема, умные линии, компактные линии электропередач, Smart Grid, полимерные изоляторы

В последние десятилетия энергетика стала одним из показателей научно-технологического и экономического развития государства. С каждым годом от электрических сетей, которые как известно относятся к технологическому ядру энергосистемы, требуются все большие показатели безопасности, экономичности, надежности и качеству [3].

В связи с задачами, поставленными Президентом и Правительством Российской Федерации появилось [1] и все более актуальным становятся понятие «умных линий» имеющее различные значения для отечественной и зарубежной энергетики:

− для зарубежной энергетики «Умные сети» (Smart Grid) — представляет собой осуществление взаимных коммуникативных обменов в цифровом формате всех участников производства, распределения, накопления, а также потребления электроэнергии;

− для Российской энергетики под понятием «Умные сети» предполагается комплексная модернизация, а также инновационное развитие всех субъектов электроэнергетики на основе передовых технологий и сбалансированных проектных решений глобально на всей территории страны [4].

Исходя из выше сказанного можно сделать вывод, что для России это «Умные сети» предполагают строительства современных линий электропередач, подстанций, а также модернизации имеющихся. Одни из основных документов [2], регламентирующих эксплуатацию воздушных линий электропередач были приняты практически четверть века назад и необходимо разобраться, отвечают ли они сейчас современным требованиям «умных линий».

Для более понятного отличия конструкции, а, следовательно, и эксплуатации «умных линий» от обычных рассмотрим конструктивные особенности современных линий. Так как в России производство опор для линий электропередач, в том числе и сверхвысокого напряжения нету определённого ГОСТа, а их исполнение может быть разнообразным (металлические нормальные, стальные многогранные и железобетонные), приведем пример распространенных опор (рис. 1) [5].

Рис. 1. Пример унифицированных промежуточных металлических опор П220–3 и П220–2т для ЛЭП 220 кВ традиционной конструкции

Отличия современных компактных линий электропередач нового поколения первую очередь начинаются с линейной арматуры и композитных проводов — все это делается для максимального сближения фаз, уменьшения количества опор, а самое главное увеличение пропускной способности линии. Для достижения этого применяются специальные полимерные изолирующие траверсы для напряжения 110 кВ (рис. 2), изолирующие распорки (рис. 3,4), а также современные полимерные изоляторы [7]. Это позволяет значительно снизать ущерб для экологии при строительстве линий в черте городов, курортных зон, лесов первой категории, а также сэкономить средства за счет того, что строительство компактных линий в классе напряжений 35–110 кВ дешевле, чем строительство линий в традиционных габаритах. Особенно это заметно при строительстве линий на земле с высокой стоимостью, где встает вопрос о площади отчуждаемости и охранной территории ВЛ.

Первым шагом к компактности высоковольтных линий может быть сделан путем отказа от старых траверс с подвесными изоляторами в пользу современных полимерных изолирующих траверс. Применение подобных изолирующих траверс (рис. 3) позволяет строить компактные ВЛ с применением старых железобетонных опор, а также модернизироваться старые линии. Полимерный изолятор входящий в конструкцию данных траверс в некоторых случаях может затруднить их обслуживание без автовышки или специальной лестницы.

Рис. 2. Пример полимерных изолирующих траверс с тягой и увеличенной строительной длины для ВЛ 110 кВ

Применение межфазных изолирующих распорок (рис. 4,5) позволяет избегать соприкосновения фаз при уменьшении расстояния между ними. Работы, связанные с ремонтом и обслуживанием этим изоляционных распорок можно производить только на отключенной линии.

Рис. 3. Межфазная изолирующая распорка производства ЗАО «Инста» для ВЛ 10–35 кВ

Рис. 4. Межфазные изолирующие распорка для ВЛ 110–220 кВ

Подобная линейная арматура и технические решения позволили серьезно уменьшить габариты линий. Так же вместо старых проводов марки АС возможно применение современных, изолированных [6] или композитных алюминиевых проводов. (например, провода марки AERO-Z или иные современные конструкции). Это позволяет увеличить длину пролета при строительстве новых линий или увелись площади сечения в существующих линиях при модернизации.

Рис. 5. Сечение современных проводов марки AERO-Z и СИП-7 (1 – Токопроводящая жила и проволок алюминиевого сплава сечением 70−300 мм², герметизированная путём введения водоблокирующих элементов при скрутке, 2 – Слой электропроводящего полиэтилена, 3 – Слой изоляции из сшитого полиэтилена, 4 – Оболочка из атмосферостойкого трекингостойкого полиэтилена)

Кроме вышеперечисленных достоинств у данные провода есть такие достоинства как повышенная динамическая прочность, меньшее образование гололеда на проводах, уменьшенное рассеивания магнитного поля, исключение возможности межфазных КЗ из-за схлестывания и набросов, а также снижаются потери на корону.

Но понятие компактные линии в полной мере может быть отражено только в совокупности комплекса современной линейной арматуры, проводов и опор современной конструкции, которые могут быть изготовлены как из стандартных материалов, так и из современных (например, стеклопластик).

Одноцепные компактные ВЛ могут выполнятся как на старых опорах, так и современных башенных опорах с охватывающим окном (рис. 7).

Рис. 6. Варианты современных, компактных одноцепных трехфазных ВЛ на башенной опоре с охватывающим окном

Современные компактные двухцепные ВЛ можно выполнять как минимум двумя способами: симметричное относительно оси опоры и транспонированное (рис. 7 и 8).

Рис. 7. Современная, компактная двухцепная трехфазная ВЛ на башенной опоре, A₁, B₁, C₁ – фаза первой цепи; A₂, B₂, C₂ – фаза второй цепи

Рис. 8. Современных, компактная двухцепной трехфазных ВЛ с попарным сближением фаз, A₁, B₁, C₁ – фаза первой цепи; A₂, B₂, C₂ – фаза второй цепи

Стоит отметить, что на ряду с компактными ВЛ к современны компактным линиям так же относятся самокомпенсирующиеся УСВЛ, но у них имеются серьезные отличия. Их главным отличием является, то что попарное сближение фаз происходит для разных цепей, соответственно: A₁ и A₂, B₁ и B₂, C₁ и C₂ (рис. 11) — это позволяет производить в процессе работы изменение (регулирование) угла сдвига между векторами напряжений цепей (θ) от 0° до 120° (или до 180°), в зависимости от требуемых параметров режима работы электропередач.

При необходимости регулировка угла (θ) может быть осуществлена как плавно, так и дискретно. Для плавной регулировки потребуется установка фазоповоротных устройств (ФПУ) (рис. 10), которые могут совмещать в себе функции как трансформаторов, так и автотрансформаторов. Дискретная регулирование является более простым, но вместе с тем не менее эффективным, при нем может обеспечиваться два режимных состояния УСВЛ, а именно при θ=0° или при θ=120°. Такое регулирование может быть осуществлено путем соответствующего переключения фаз на подстанциях, к которым присоединена УСВЛ (рис. 10) [7].

Рис. 9. Схема непрерывного регулирования угла в широком диапазоне с помощью фазорегулирующих устройств и устройств FACTS

Рис. 10. Схема дискретного регулирования УСВЛ: θ=0° — включены выключатели B₁ и B₂ (B₃ отключены), θ=120° — включены выключатели B₁ и B₃ (B₂ отключены)

Рис. 11. Компактная двухцепная трехфазная УСВЛ «Чайка», A₁, B₁, C₁ – фаза первой цепи; A₂, B₂, C₂ – фаза второй цепи

Некоторые из отличительных особенностей компактных ВЛ и УСВЛ от обычных ВЛ обуславливается необходимость произведения анализа основных видов ремонтных работ и разработки специальных приемов выполнения некоторых из них. Из [2] следует, что ремонтные работы на воздушных линиях могут производится как без напряжения, так и под напряжением. Часть приемов и регламентов проведения ремонтных работ, которые уже достаточно хорошо освоены для обычных ВЛ может быть использована для организации ремонтных работ на современных компактных ВЛ и УСВЛ.

На современных компактных ВЛ и УСВЛ под напряжением могут проводится ремонтные работы и техническое обслуживание такое же, как и на обычных, за исключением работ, связанных с межфазными изоляторами или стягивающими фазы изоляционными элементами.

В случае, когда линия отключена, на ней может производится любые работы, связанные с обслуживанием межфазных изоляторов или стягивающих фазы изоляционными элементами, для этого применяются специальные передвижные подвесные тележки. При работах, связанных с изолирующими элементами производителем работы устанавливаются специальные приспособления для предварительной фиксации этих элементов.

Другие виды ремонтных и эксплуатационных работы которые связаны с работами на опорах, линейной подвесной изоляцией и ОПН будут осуществляться аналогично производимым работам на обычных ВЛ.

Из выше перечисленного следует отметить, что ремонтные работы, выполняемые под напряжением на компактных линиях ВЛ и УСВЛ будут сходным работам на обычных ВЛ, но без приближения к токоведущим частям на расстояние, которое меньше установленного нормативными документами.

На компактных ВЛ и УСВЛ находящихся под напряжением недопустимо выполнение работ на фазах, а также на других токоведущих частях, если расстояния между сближениями фаз или другими элементами, которые будут находится под разными потенциалами, меньше установленного нормативными документами. Из этого следует, то что ремонтные работы на компактных одноцепных трехфазных ВЛ на башенной опоре с охватывающим окном (рис. 4) может оказаться недопустимым из-за их предельной компактизации.

При выполнении работ на двухцепных компактных ВЛ (рис. 6–9) необходимо произвести полное отключение одной из цепей, на которой планируется выполнение описанных выше специальных ремонтных работ (например, на фазах в пролете).

За счет того, что в УСВЛ попарно сближаются фазы принадлежащие разным цепям у них имеются определенные преимущества над компактными ВЛ. Для этих линий возможны как минимум два режима работы для дискретного регулирования (рис. 7) θ=0°, что позволяет иметь одинаковое напряжение в сближенных фазах или θ=120°, тогда между ними будет линейное напряжение и множество других при плавной регулировке при применении фазарегулирующих устройств (рис. 9).

В случае, когда θ=0° пару сближенных фаз можно рассматривать как одну фазу с глубоким расщеплением. На компактных УСВЛ расстояние от одной пары фаз до другой, а также к заземленным элементам опор соизмерима с расстоянием на обычных опорах, поэтому ремонт под напряжением возможет с применением всех приемов и процедур, применяемых для обычных ВЛ с глубоко расщепленными фазами. Но за достоинством работать на УСВЛ под напряжением в режиме θ=0° скрывается негативный фактор в снижение пропускной способности нежели работы в режиме θ=120°.

Если на компактной двухцепной УСВЛ применяется пофазное управление, то при необходимости возможно проведение ремонтных работ с отключением только двух сближенных фаз, при этом работы на них будут проводится как на отключенной ВЛ, разумеется не стоит забывать о том, что 4 других фазы будут находится, а работе. Так же две пары фаз компактных УСВЛ оставшиеся в работе могут обеспечить 4-х фазный режим работы. Он будет осуществляться следующим образом: при θ=0° и отключении пары фаз A₁, A₂, две другие пары фаз будут иметь следующею фазировку: B₁ и C₂, C₁ и A₂. Это позволяет сохранить полноценные трехфазное питание шин приемной подстанции.

Вышеперечисленные преимущества современных компактных УСВЛ необходимо принимать во внимание при проработке комплексного технико-экономического обоснования при выборе того или иного типа ВЛ нового поколения [8].

Опираясь на вышесказанное можно сделать ряд выводов:

1. Переход от обычных ВЛ к компактным возможен путем модернизации старых линий (например, замена линейной арматуры на современную, а также голых проводов на изолированнее)
2. Использование современных композитных проводов может привести к уменьшению количества опор, которое обусловлено увеличенным расстоянием пролета положительно скажется на объеме работ, связанных с осмотрами, проверками и ремонтом.
3. Облуживание линий с полимерными изолирующими траверсами может быть осложнено традиционными способами, без наличия автовышки или специальных лестниц, особенно в районах с болотистыми грунтами.
4. Конструкция современных компактных ВЛ и УСВЛ могут выполнятся с соблюдением всех нормативных документов, которые в данный момент действуют в области воздушных линий электропередач. Проведение ремонтных работ на современных компактных ВЛ и УСВЛ могут производится как при отключенном состоянии, так и под напряжением.
5. При отключении напряжении на компактных ВЛ и УСВЛ основные принципы и приемы проведения ремонтных работ практически ничем не будут отличаться от обычных ВЛ.
6. Отличительной особенностью современных компактных одноцепных и двухцепных ВЛ состоит в том, что расстояние между фазами каждой цепи принимается минимально допустимое, с учетом ограничения по электрической прочности межфазовых промежутков линии, а также с учетом возможных ветровых и гололедных нагрузок. Для нормального функционирования компактных ВЛ, в пролетах, между фазами могут применятся специальные межфазные изоляционные элементы (распорки или гирлянды изоляторов). Выполнение ремонтных работ на таких ВЛ как правило будет осуществляться при полном отключении одноцепных ВЛ или одной из цепей двухцепной компактной ВЛ.
7. Ремонтные работы под напряжением на токоведущих частях и фазах двухцепных УСВЛ могут производится только в случае, когда УСВЛ находится в режиме θ=0°, т. е. когда отсутствует фазовый сдвиг векторов напряжений сближенных фаз.

Литература:

1. Постановление Правительства РФ от 15 апреля 2014 г. № 321 «Об утверждении государственной программы Российской Федерации «Энергоэффективность и развитие энергетики».
2. РД 34.20.504–94 Типовая инструкцияпоэксплуатации воздушных линийэлектропередачи напряжением35–800 кВ.
3. Шарманова Г. Ю., Гончар Л. А. «УМНЫЕ СЕТИ» — «SMART GRID» // Материалы VII Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых с международным участием «Россия молодая». — Кемерово, 2015.
4. Бударгин О. М. Умная сеть — платформа развития инновационной экономики // Доклад на заседании круглого стола «Умные сети-Умная энергетика-Умная экономика» IV Петербургского экономического форума, 2010.
5. Унифицированные нормальные металлические опоры ЛЭП // ООО «Электропоставка». URL: http://elektropostavka.ru/metalopory/ (дата обращения: 20.12.2016).
6. СИП-7 для воздушных кабельных линий // Энергетика и промышленность России. URL: http://www.eprussia.ru/epr/222/15017.htm (дата обращения: 20.12.2016).
7. Постолатий В. М., Быкова Е. В., Суслов В. М., Тимашова Л. В., Шакарян Ю. Г., Карева С. Н. Управляемые компактные линии электропередачи высокого напряжения // Проблемы региональной энергетики. 2016. № 1 (30) С. 1–13.
8. Постолатий В. М., Быкова Е. В., Суслов В. М., Шакарян Ю. Г., Тимашова Л. В., Карева С. Н. Основные принципы организации ремонтных работ на линиях электропередачи нового поколения напряжением 220 кВ и выше // Проблемы региональной энергетики. 2011. № 2 С. 1–9.
9. Макарова Л. Компактные ВЛ: качественно, надежно, экономично! //Новые технологии 2012 № 2.