Выбор сечения проводников ЛЭП

7.12.1 Выбор проводников по условиям экономичности

Различной площади сечения проводников ЛЭП соответствует различный расход проводникового материала. Следовательно, при изменении площади сечения проводников будут изменяться капитальные затраты в линию. С другой стороны от площади сечения проводника зависит его диаметр и его активное сопротивление, которые, в свою очередь, влияют соответственно на потери холостого хода и нагрузочные потери электроэнергии и, как следствие, на стоимость этих потерь. Причем эти указанные два фактора выступают как конкурирующие. Действительно, например, при увеличении площади сечения проводников капитальные затраты на них будут возрастать, а стоимость потерь электроэнергии в них – уменьшаться. Таким образом, проблема выбора площади сечения проводников по существу связана с определением оптимального соотношения между капитальными затратами на сооружение линии и затратами, связанными с потерями энергии в ней.

Один из подходов при решении данной задачи основывается на введении понятия экономической плотности тока (сечение при которой будет соответствовать минимуму приведенных затрат), рекомендованные значения которой рассчитаны еще в 1957 году и приведены в таблице 7.2.

При заданной нормативной плотности тока площадь сечения проводников линии определяется из соотношения

где I _{раб.норм} – расчетный ток, проходящий в нормальном режиме линии в час максимума энергосистемы (увеличение тока в послеаварийных и ремонтных режимах сети не учитывается), А;

j _эк – нормированное значение экономической плотности тока, А/мм², для заданных условий работы, выбираемое по таблице 7.2.

Таблица 7.2 – Экономическая плотность тока

Сечение, полученное в результате указанного расчета, округляется до ближайшего стандартного сечения (в большую или меньшую сторону).

Если экономически целесообразное превысит верхнюю границу диапазона сечений, применяемых для данного класса напряжения, то можно либо повысить номинальное напряжение сети, либо увеличить число цепей линии сверх необходимого по надежности. Оба этих шага требуют технико-экономического обоснования, и целесообразным может оказаться выбор линии с сечением меньше экономического (на уровне верхней границы диапазона сечений, применяемого для данного класса напряжения).

Выбор сечений проводов ЛЭП напряжением 330 кВ и выше, а также линий межсистемных связей и мощных токопроводов, работающих с большим числом часов использования максимума, производится на основе технико-экономических расчетов.

Проверке по экономической плотности тока не подлежат:

- сети промышленных предприятий и сооружений напряжением до 1 кВ при числе часов использования максимума нагрузки предприятий до 4000 – 5000 ч;

- ответвления к отдельным электроприемникам напряжением до 1 кВ, а также осветительные сети промышленных предприятий, жилых и общественных зданий;

- сборные шины электроустановок и ошиновка в пределах открытых и закрытых распределительных устройств всех напряжений;

- проводники, идущие к резисторам, пусковым реостатам и т. п.;

- сети временных сооружений, а также устройства со сроком службы 3 – 5 лет.

Выбор экономических сечений проводов воздушных и жил кабельных линий, имеющих промежуточные отборы мощности, следует производить для каждого из участков, исходя из соответствующих расчетных токов участков. При этом для соседних участков допускается принимать одинаковое сечение провода, соответствующее экономическому для наиболее протяженного участка, если разница между значениями экономического сечения для этих участков находится в пределах одной ступени по шкале стандартных сечений. Сечения проводов на ответвлениях длиной до 1 км принимаются такими же, как на ВЛ, от которой производится ответвление. При большей длине ответвления экономическое сечение определяется по расчетной нагрузке этого ответвления.

Для ЛЭП напряжением 6 – 20 кВ приведенные в таблице 7.2 значения плотности тока допускается применять лишь тогда, когда они не вызывают отклонения напряжения у приемников электроэнергии сверх допустимых пределов с учетом применяемых средств регулирования напряжения и компенсации реактивной мощности.

Основным достоинством выбора площади сечения проводников ЛЭП по нормативной экономической плотности тока является его простота, что было существенным при массовом строительстве сетей, т.к. ускоряло принятие решений. Однако такой подход имеет множество недостатков. Действительно, расчетная площадь сечения проводников, определяемая по указанной формуле, обычно не совпадает с расчетной, поэтому приходится производить округление. При определении экономической плотности тока также полагалось, что соблюдается линейная зависимость между капитальными затратами и площадью сечения проводников. Анализ свидетельствует о том, что во многих случаях такая зависимость отсутствует. Не учитывалось различие стоимости 1 км линии в зависимости от материала и типа опор, расчетных климатических условий и района сооружения сети. Затраты на покрытие потерь электроэнергии принимались одинаковыми для различных регионов, не учитывалась стоимость потерь энергии холостого хода. Кроме того, с течением времени существенно изменились различные технико-экономические показатели. В рекомендациях ПУЭ отсутствуют данные по новым типам кабелей.

Некоторые из перечисленных недостатков устраняются при подходе к выбору площади сечения проводников с помощью более серьезных моделей. Например, на основе предварительного определения экономических интервалов нагрузки которым будут соответствовать минимальные приведенные затраты и, следовательно, наивыгоднейшие площади сечения проводников. Эта методика позволяет учитывать дискретность шкалы стандартных сечений проводников, конкретные условия сооружения ЛЭП (климатический и географический районы, тип и материал опор, число цепей), при необходимости – потери электроэнергии холостого хода. Следует однако отметить, что для эффективного использования экономических интервалов нагрузки они должны быть построены для достаточно большого сочетания различных приведенных выше условий, что связано со значительными затратами времени. Кроме того, в условиях изменяющихся цен на материалы, оборудование и электроэнергию эти интервалы должны периодически пересматриваться.

При этом следует отметить, что для ВЛ выбор площади сечения проводников по экономическим соображениям практическое значение имеет в основном при напряжении 35 кВ и выше. Что же касается распределительных сетей до 20 кВ включительно, то из-за отсутствия в них трансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой или иных регулирующих устройств определяющим фактором является преимущественно допустимая потеря напряжения.

7.12.2 Выбор проводников по допустимой потере напряжения

Как уже отмечалось, в распределительных сетях напряжением до 20 кВ включительно обычно отсутствуют средства регулирования напряжения. При этом допустимые отклонения напряжения у электроприемников обеспечивают, как правило, путем соответствующего выбора площади сечения проводников.

Поскольку отклонения напряжения у электроприемников при заданном напряжении в центре питания непосредственно связаны с потерей напряжения в сети, то последняя может быть принята в качестве исходного параметра. На основе опыта проектирования и эксплуатации распределительных сетей допустимую потерю напряжения обычно принимают до 5 % при нормальном режиме работы и до 10 % в послеаварийном режиме.

Задача заключается в том, чтобы выбрать такие площади сечения проводников на участках сети, при которых фактическая наибольшая потеря напряжения от источника питания до наиболее удаленного узла сети была не больше допустимой:

Потерю напряжения (в процентах) можно представить в виде:

где P _i и Q _i – соответственно активная и реактивная мощности на i-м участке, определяемые по заданным нагрузкам в узлах сети;

R _i и X _i – соответственно активное и реактивное сопротивления i-го участка сети.

Если же известны не мощности участков, а токи, протекающие по ним, то расчет потери напряжения на каждом участке производится по формуле:

где I _i – расчетный ток протекающий по i-му участку;

cos φ _i и sin φ _i – коэффициенты мощности, определяемые из соотношений мощностей, либо другими способами (например из таблиц).

При невыполнении условия требуется повысить сечение проводов или число цепей.

7.12.3 Выбор проводников по условию нагрева

Все проводники ЛЭП должны выбираться (или проверяться) по условию нагрева. Это требование связано с тем, что для проводников ВЛ и КЛ устанавливаются вполне определенные длительно допустимые температуры. При чрезмерном нагреве проводника и последующем охлаждении он может потерять свои механические свойства.

В ВЛ при нагреве проводов происходит увеличение их длины в пролете и, как следствие, увеличивается стрела провеса, что может привести к недопустимому уменьшению расстояния проводов до земли и до пересекаемых инженерных сооружений. На ВЛ всегда имеются вдоль длины соединения проводов, а также места присоединения проводов к концевым устройствам на подстанциях. Контактные соединения со временем окисляются, причем тем больше, чем выше их температура. Следствием этого является увеличение их сопротивлений с последующим их нагреванием, приводящим к разрушению. Для сталеалюминиевых проводов может быть допущена температура 120^оС. Однако с учетом возможного окисления контактов при выборе площади сечения проводника она принимается равной 70^оС.

В КЛ при протекании тока нагреваются жилы кабеля и изоляция жил. Допустимую температуру устанавливают с учетом старения изоляции кабеля, которая в зависимости от типа кабеля, вида изоляции и номинального напряжения находится в пределах от 50 до 80^оС.

Ток, протекание которого в течение длительного времени приводит к нагреву провода до предельно допустимой температуры, называется длительно допустимым.

Допустимые токи (I _доп) для стандартных марок проводов ВЛ и площадей сечений различных типов кабелей приводятся в справочной литературе при расчетной температуре окружающей среды для проводников, прокладываемых в воздухе – 25^оС, а в земле или в воде – 15^оС. Если фактическая температура отличается от расчетной, то вводится поправочный коэффициент k _t, также приводимый в справочной литературе, а допустимый ток определяется по формуле

В условиях проектирования обычно принимают k _t = 1.

Для КЛ помимо температурного коэффициента окружающей среды применяют также поправочные коэффициенты, учитывающие:

- прокладку нескольких рядом расположенных кабелей, т.к. они оказывают тепловое влияние друг на друга.

- фактическое тепловое сопротивление грунта (если оно отличается от 120 см^.К/Вт).

При выборе (проверке) проводников по условию нагрева следует применять такую наименьшую площадь сечения, при которой наибольший рабочий ток I _max не более допустимого

Проводники любого назначения должны удовлетворять требованиям в отношении предельно допустимого нагрева с учетом не только нормальных, но и послеаварийных режимов, а также режимов в период ремонта и возможных неравномерностей распределения токов между линиями, секциями шин и т.п. В соответствии с ПУЭ при проверке на нагрев в качестве I _max принимается наибольший средний получасовой ток суточного графика нагрузки (так как примерно за полчаса проводники достигают установившейся температуры).

Если приведенное условие не выполнилось, то сечение провода следует увеличить. При невозможности увеличения сечения провода повышается номинальное напряжение или число цепей линии.

При повторно-кратковременном и кратковременном режимах работы электроприемников в качестве расчетного тока для проверки сечения проводников по нагреву следует принимать ток, приведенный к длительному режиму.

Для кабелей напряжением до 10 кВ с бумажной пропитанной изоляцией, несущих нагрузки меньше номинальных, может допускаться кратковременная перегрузка, указанная в справочных данных. На период ликвидации послеаварийного режима для кабелей допускается перегрузка, нормированная в ПУЭ. Перегрузка кабельных линий напряжением 20 – 35 кВ не допускается.

При смешанной прокладке кабелей допустимые длительные токи должны приниматься для участка трассы с наихудшими условиями охлаждения, если длина его более 10 м. Рекомендуется применять в указанных случаях кабельные вставки большего сечения.

7.12.4 Учет технических ограничений при выборе проводников

Коронирование проводов воздушных линий

При напряжении 35 кВ и выше проводники должны быть проверены по условиям образования короны. При этом наибольшая напряженность поля у поверхности любого из проводников, определенная при среднем эксплуатационном напряжении, должна быть не более 0, 9 начальной напряженности электрического поля, соответствующей появлению общей короны.

Значение напряженности электрического поля у поверхности провода зависит от диаметра провода и напряжения, подводимого к проводу. Следовательно, различным номинальным напряжениям будут соответствовать вполне определенные минимальные диаметры (сечения) проводов, при которых корона появляться не будет:

35 мм² при U_ном = 35 кВ;

70 мм² при U_ном = 110 кВ;

120 мм² при U_ном = 150 кВ;

240 мм² при U_ном = 220 кВ.

Соответственно условием проверки на отсутствие короны будет условие

где F _min.кор – наименьшая допустимая площадь сечения по условию короны.

Кроме того, для проводников необходима проверка по условиям допустимого уровня радиопомех от короны.

Механическая прочность проводов воздушных линий

С учетом механических свойств проводников их площади сечения должны удовлетворять условию:

где F _min.мех – наименьшая допустимая площадь сечения по условию механической прочности.

В соответствии с ПУЭ на ЛЭП до 1 кВ алюминиевые провода могут применяться с площадью сечения не менее 16 мм², а сталеалюминиевые – не менее 10 мм². На ЛЭП более 1 кВ наименьшие площади сечения установлены в зависимости от толщины стенок гололеда. На переходах линии через судоходные реки, в пролетах пересечений с инженерными сооружениями F _min.мех увеличены.

Термическая стойкость

Проверке на термическую стойкость подлежат проводники при протекании по ним токов короткого замыкания. Практическое значение данное ограничение имеет в основном для КЛ и изолированных проводов, т.к. в них даже кратковременное протекание токов КЗ может вызвать повреждение изоляции из-за ее недопустимого нагрева. Проводник должен удовлетворять условию:

где F _min.т.с – наименьшая допустимая площадь сечения по условию термической стойкости, приближенно определяемая по формуле

где В _к – тепловой импульс тока короткого замыкания (см. главу 9);

С – термический коэффициент, зависящий от материала жилы и типа изоляции (для алюминиевых шин С = 91 А^. /мм², для медных шин С = 167 А^. /мм²)

Тепловой импульс короткого замыкания можно определить по формуле

,

где I_п.0 – действующее значение периодической составляющей начального тока короткого замыкания;

t_отк – время отключения короткого замыкания

Т_а – постоянная времени затухания апериодической составляющей тока короткого замыкания:

Если условие не выполняется, то это значит, что при коротком замыкании кабель нагревается выше допустимого уровня. В этом случае необходимо увеличить сечение.

При этом ка6ели небольшой длины проверяют по току кроткого замыкания в начале каждого участка.

Кабели защищенные плавкими предохранителями, по термической стойкости не проверяются.