8.1. Экономически целесообразная мощность, передаваемая по линии электропередачи

Экономические показатели и технические характеристики высоковольтных линий электропередач сильно зависят от величины напряжения. Каждому уровню напряжения должны соответствовать определенные пределы мощности по экономическим соображениям.

Общепринято считать критерием экономичности «приведенные затраты».

Существующие методы выбора напряжений имеют ряд недостатков, и в целом эта проблема остается слабо разработанной. Приводимые в учебниках эмпирические формулы Стилла, Залесского, Илларионова и др., выражающие зависимость напряжения от дальности передачи и величины передаваемой мощности, дают большой разброс и по ним трудно судить, какому напряжению следует отдать предпочтение. Кроме того, эти формулы не учитывают многих факторов, как экономических, так и технических, поэтому на практике они не применяются.

Для ориентировочной оценки областей применения того или иного напряжения в литературе /34/ приводятся кривые равноэкономичности двух смежных напряжений в зависимости от длины ЛЭП и величины передаваемой мощности. Однако, эти кривые дают резко выраженную зависимость напряжения от дальности передачи, что не соответствует действительности (рис.8.1.1).

Рис. 8.1.1 Границы равноэкономичности напряжений 35 и 110 (1,3), 110 и 220 кВ (2,4) (пунктирные кривые из /34/).

Для каждого класса напряжения известны пределы передаваемой мощности по допустимому нагреву или соответствующие экономическим плотностям тока (табл.8.1.1) /40/.

Таблица 8.1.1

U, кВ	Сечение прово-дов, мм.кв	Передав. Мощность, МВт			I Длина линии, км
U, кВ	Сечение прово-дов, мм.кв	Натур.	Доп. по нагреву	При J=Jэк	Наиб.	Предельная при	Средняя между ПС
10	35-90	0,25	3,1-5,7	0,7-1,8

35	35-120	3	9,5-20,6	2-11	30-60
110	70-240	30	44,8-102	13-45	50-150	80	25
220	240-400	120	205-280	90-150	150-250	400	100

Однако, пользование данными таблицы не полностью отвечает требованиям конкретного решения задачи. Так, выбор напряжения по условиям нагрева может не соответствовать экономическим соображениям, а выбор напряжения по мощности, соответствующей экономической плотности тока, не учитывает дальности электропередачи.

В /41/ предлагается для определения напряжения сети пользоваться номограммами, построенными в зависимости от исходных данных, передаваемой мощности и длины линии. Однако они построены применительно к системам электроснабжения промышленных предприятий.

В /41/ предлагается пользоваться методом минимума приведенных затрат, как критерием для установления рационального напряжения в городских сетях.

Нужно отметить, что этот метод является общепринятым в технико-экономических расчетах во всех отраслях. Разновидностью его является метод экономических интервалов, использующийся для выбора сечения проводов ЛЭП /43/. К сожалению, до настоящего времени выбор напряжения высоковольтных ЛЭП по методу приведенных затрат глубоко не рассмотрен.

Ниже нами сделана попытка рассмотреть вопросы применения этого метода для выбора номинального напряжения высоковольтных ЛЭП.

Приведенные затраты на 1 км линии при передаче одной и той же мощности по линиям различного напряжения одинакового сечения проводов определяются из следующих равенств:

З₁ = К₁р + S²RtC_э^.10^-3/U₁²; (8.1.1)

З₂ = К₂р + S²RtC_э^.10^-3/U₂², (8.1.2)

где К₁ и К₂— удельные капитальные вложения на 1 км линии; р — нормативный коэффициент эффективности; S — полная мощность, кВа; U — напряжение линии, кВ; R — активное сопротивление проводов, Ом/км; t — время максимальных потерь; С_э — стоимость 1 кВт.ч.

При различных сечениях проводов в формулы (8.1.1) и (8.1.2) подставляются соответствующие значения сопротивления R.

Значение равноэкономической мощности при одном и том же сечении проводов определяется как

, (8.1.3)

а при различных сечениях проводов

, (8.1.4)

Для более точного определения зоны применимости того или иного класса напряжения необходимо учитывать стоимость подстанций. Причем, число подстанций может отличаться при различных напряжениях. Приведенные затраты на 1 км линии при учете стоимости подстанций равны:

. (8.1.5)

При учете стоимости подстанций, при их различном числе и различных сечениях проводов равноэкономическая мощность может быть определена из выражения:

, (8.1.6)

где p_л — коэффициент постоянной части приведенных затрат на линии, p_л = p_пс + p_а, где p_а — норма амортизационных отчислений; p_пс — то же для подстанций (p_пс = p + p_апс).

Более точная равноэкономическая мощность между двумя классами напряжений может быть определена при учете потерь энергии в трансформаторах.

Рис. 8.1.2

На рис.8.1.2 приведены построенные нами в единых координатах кривые зависимости приведенных затрат на 1 км линии, для классов напряжений 10, 35, 110 кВ от величины передаваемой мощности, рассчитанные согласно выражениям (8.1.1) и (8.1.2). Полученная картина наглядно показывает при каком классе напряжения имеет место минимум приведенных затрат. Для более точного определения областей применения того или иного класса напряжения по экономическим соображениям необходимо учесть стоимость подстанций, отнесенных к единице длины линий. Наши расчеты и построенные по ним кривые дают очень интересные результаты, сильно отличающиеся от ранее рекомендуемых пределов экономических мощностей для различных напряжений и сечений проводов.

Точки пересечения кривых З = f(S) разных напряжений являются равноэкономическими. При передаче меньшей мощности, чем равноэкономическая, выгоднее низшее напряжение; а при передаче большей — высшее напряжение.

Наглядную картину экономичности того или иного напряжения при различных сечениях проводов показывают кривые зависимости удельных приведенных затрат от величины передаваемой мощности (рис.8.1.2, 8.1.3, 8.1.4). Чем больше число подстанций и короче длина линии, тем выше равноэкономическая мощность, т.е. область применения меньшего напряжения расширяется. На рисунке 8.1.3 приведены рассчитанные нами кривые зависимоти удельных приведенных затрат от передаваемой мощности по линии напряжениями 35 и 110 кВ с учетом числа подстанций и длины линии.

Приведенные на рис.8.1.1 кривые равноэкономичности между напряжениями 35, 110, 220 кВ (1 и 2) сильно отличаются от (3 и 4) тем, что область применения того или иного напряжения значительно меньше зависит от длины линии. Все классы напряжений экономически целесообразны при более низких значениях мощности, чем рекомендовалось раньше, что позволяет сделать очень важный вывод, что более высокое напряжение экономически выгодно при значительно меньших мощностях, чем рекомендовалось ранее. Видимо ранее производимые расчеты велись при меньшей стоимости электроэнергии. Разница между стоимостью ЛЭП-35 кВ и ЛЭП-110 кВ составляет 12,7%, а потери энергии в ЛЭП-110 примерно в 10 раз меньше, чем в ЛЭП-35. В ЛЭП-35 потерь энергии меньше примерно в 12 раз, чем в ЛЭП-10 кВ. Разница в стоимости линий 110 и 220 кВ составляет всего 12,4%, а потери энергии отличаются в 4 раза.

Сравнение минимума приведенных затрат линий разных классов напряжений четко показывает картину применимости каждого класса напряжения в зависимости от величины передаваемой мощности, длины линии, сечения проводов, числа подстанций стоимости электроэнергии и удельных капиталовложений.

Приведенный нами анализ показал, что каждый класс напряжения экономически выгоден при меньших мощностях, чем было общепринято.

Например, напряжение 110 кВ выгодно уже при передаче мощности более 5-7 МВА, 220 кВ — при передаче мощности более 23-32 МВА, 500 кВ — при передаче более 200 МВА в зависимости от сечения проводов и числа подстанций.

Нужно отметить меньшую зависимость напряжения от дальности передачи, чем было общепринято.

Расчеты показали очень узкую область применимости класса напряжения 35 кВ. С учетом перспективы роста нагрузок необходимо отдавать предпочтение напряжению 110 кВ. Также напрашивается предложение о переводе существующих сетей 35 кВ на напряжение 110 кВ. Высота опор позволяет осуществить такой перевод при замене траверс на большие размеры.

Рис. 8.1.3.

1 — без учета стоимости подстанций, 2 — с учетом стоимости одной подстанции, 3 – с учетом стоимости двух подстанций

Интересно сравнить результаты расчетов по предложенной методике и существующей методике выбора сечения проводов по экономической плотности тока. Получающиеся плотности тока по нашей методике получаются меньше, чем по существующей методике особенно на высоких напряжениях. При равноэкономической мощности между смежными напряжениями плотности тока на высоком напряжении получаются во столько раз меньшими, во сколько раз оно больше, чем меньшее напряжение, и они в несколько раз меньше, чем экономические плотности тока. Экономически целесообразная плотность тока по нашей методике будет тем меньше, чем больше стоимость электроэнергии.

При сравнении экономичности использования напряжения 110 и 220 кВ, при учете стоимости двух подстанций при передаче мощности 32 МВА они равноэкономичны. На напряжении 110 кВ плотность тока получается при сечении провода F =240мм² равной 0,7А/мм², а при напряжении 220 кВ равной 0,35 А/мм². При плотности тока в линии 220 кВ более 1А/мм² применимо уже напряжение 500 кВ.

Интересно сопоставить данные, полученные нами с рекомендуемыми нормами ПУЭ по выбору сечения проводов по экономической плотности тока. По предлагаемому нами методу экономически целесообразная мощность получается меньше, чем по ПУЭ. При выборе сечения проводов по нормам ПУЭ будут иметь место большие потери энергии. При росте цен на электроэнергию стоимость потерь будет возрастать. При напряжениях 110 кВ и выше рекомендуется принимать меньшие плотности тока, чем по нормам ПУЭ. Также необходимо учитывать, что при равноэкономических мощностях большее напряжение может быть выгодным при плотностях тока меньших, чем в сети меньшего напряжения обратно пропорционально напряжению. Так, например, в сети 220кВ при плотности тока в 2 раза меньше, чем в сети 110 кВ они могут быть равноэкономическими.

Рис. 8.1.5.

1,2,3 – с учетом одной подстанции, 4 – без учета подстанции

Содержание главы:

Глава 8. Нагрузки линий электропередачи

Содержание главы:

Содержание книги:

Статьи и книги по теме: