Возможность оптимизации линий независимо от остальной части системы.
В электрической системе величина каждого элемента зависит в большей или меньшей степени от характеристик соседних элементов и в конечном счете от всех элементов системы. И все же, если подходить со всей строгостью, оптимум должен рассчитываться для всей системы (и даже для последовательных состояний ее будущего развития), хотя во многих случаях можно разложить поиск общего оптимума на поиск подоптимумов, рассматривая только часть сети;
В частности, существенная роль линий в сетях (воздушных или кабельных), а также тот факт, что число уровней напряжения, которые необходимо стандартизовать, должно быть уменьшено, требуют оптимизации размеров этих линий (а именно их напряжений и сечений проводов).
Важные результаты могут быть выявлены при рассмотрении одних только линий. Однако в зависимости от того, изолирована линия от всей сети (передача большой мощности от источника к потребителю) или является составной частью ее, методы рассуждений будут различными.
Оптимизация касается двух переменных: напряжения и сечения, но в большинстве случаев (не вытекает ли это из стандартизации?) основной при этом является одна из этих величин. Это приводит к изучению глобальной (общей) оптимизации, но при этом производится: и частичная оптимизация одного напряжения или одного сечения.
Показатели передающих и распределительных сетей.
Любой пользователь электрической энергии может выбирать, производить ему энергию или потреблять ее из системы. Очевидно, он выберет более экономичное из двух решений, учитывая внешние условия — возможность расположения вблизи естественного источника (или любого другого источника дешевой энергии) или необходимость передачи энергии в форме другой энергии. Опыт показывает, что, за исключением особых случаев промышленного применения большого количества энергии, наиболее экономичным решением для пользователя является присоединение, к распределительной сети.
Но и на уровне организации, распределяющей энергию, стоит та же. самая проблема выбора, что требует необходимости использования передающей сети, которая может питаться от самых мощных и, следовательно, самых экономичных станций при одновременном обеспечении наилучшей надежности электроснабжения.
Напоминание об очевидных фактах позволяет вывести понятия стоимости энергии, производимой станциями, и стоимости энергии, поставляемой потребителю. Эти две категории имеют разные характеристики, что соответствует различию между их значениями в зависимости от того, рассчитывают ли их с точки зрения потребительской стоимости или с точки зрения себестоимости. Передача и распределение энергии увеличивают ее потребительскую стоимость, поскольку она становится более пригодной для использования потребителями.
Но можно применять различные виды передачи и распределения электроэнергии, например, постоянный или переменный ток, воздушные линии или подземные кабели, провода из меди, стали, алюминия или сплавов, относительно высокие и многочисленные напряжения.
Список технически возможных вариантов выбора мог бы быть продолжен. Каждое решение является комбинацией этих вариантов и приводит как к различным капиталовложениям, так и к различным эксплуатационным расходам. Среди всех решений, учитывающих ограничения, которые возникают при работе, можно выявить и выбрать наиболее экономичное, или оптимальное, решение. Оно, очевидно, позволяет определить стоимость передачи и распределения энергии. Условия работы, накладываемые на передающие, питающие и распределительные сети, приводят к выбору способов передачи и к различным стоимостям для каждого из этих типов сети.
В распределительных сетях НН для потребительских приборов общее номинальное напряжение могло бы быть выбрано достаточно однозначно в относительно широком диапазоне (100—500 В). Поскольку стоимость линий НН не зависит от напряжения (по крайней мере, в этих пределах), а стоимость кабелей зависит от него незначительно, то оптимальным напряжением сетей НН является напряжение, минимизирующее джоулевы потери и падения напряжения; вследствие этого оно расположено в верхней части названного диапазона, но немного ниже 500 В, поскольку стоимость некоторого оборудования подстанций может вырасти при этом значительно. Напряжения 380, 400 или 415 В, принятые в европейских сетях, могут, следовательно, быть приняты в качестве оптимальных.
Для сетей с более высоким напряжением (сети СН и СВН высокого напряжения) необходимо проводить рассуждения поэтапно, рассматривая вначале передачи из одного пункта в другой, затем сети различных типов (передающая или распределяющая), для которых также возникает проблема выбора оборудования.
Стоимость воздушных линий.
Стоимость сооружения линий сильно зависит от природы пересекаемой местности. Тип местности обусловливает:
или механическое усиление линий (следствием чего является уменьшение отклонений стоимости в зависимости от напряжения);
или удлинение линий.
При общем подходе к вопросу можно рассматривать только среднюю стоимость, определяемую стоимость сооружения 1 км линии.
Стоимость 1 км линии включает в себя стоимость опор, бетона в основании опор и растяжек, необходимых для надежной устойчивости, стоимости подъема этих опор, а также изоляторов и крепежной арматуры для них, проводов и их прокладки, кроме того, стоимость изучения трассы прокладки, контроля и получения прав на сооружение.
Следовательно, стоимость 1 км включает в себя три составляющие:
зависящую от сечения s провода непосредственно или косвенно, поскольку оно влияет на характеристики опор, которые должны выдерживать вес проводов и силу ветра;
зависящую от напряжения U, которое определяет расстояние между фазами и от земли, а также длины гирлянд изоляторов и, следовательно, размеры (габариты) опор;
не зависящими ни от s, ни от U.
Стоимость 1 км линии может быть записана как
(1.1)
где нет члена, зависящего от произведения U на s.
Очевидно, что формула (1.1) приблизительна. Она зависит также от используемых материалов:
существует незначительная разница между сталеалюминевыми проводами (что рассматривается далее) и проводами из сплава алюминия;
существует большая разница между опорами, выполненными из дерева, бетона или железа.
Стоимость эксплуатации линий включает в себя эксплуатационные расходы и стоимость потерь в линиях. К потерям, которые необходимо принимать во внимание, относятся главным образом джоулевы потери; при напряжении 400 кВ необходимо учитывать и потери от эффекта короны.
Таким образом, различные стоимости рассчитываются на единицу времени, обычно на один год. Чтобы сделать их сравнимыми со стоимостью сооружения (чтобы судить об обеих стоимостях аналогично), достаточно просуммировать их и отнести к сроку службы рассматриваемого объекта. Сделаем это отдельно для эксплуатационных расходов и для потерь.
Ежегодные эксплуатационные расходы на воздушные линии малы и распределены равномерно во времени. Более того, обычно принимают, что они пропорциональны стоимости сооружения (составляют от нее 1—2%). Стоимость эксплуатации может рассматриваться в качестве простого увеличения коэффициентов формулы (1.1); в последующих расчетах будем использовать эти увеличенные (приблизительно на 20%) коэффициенты.
Потери мощности на эффект Джоуля составляют на 1 км линии, Вт/км (для трех фаз)
(1.2)
где 1 —ток, A; s —сечение, мм2; r —сопротивление фиктивного проводника сечением 1 мм2 и длиной 1 км, Ом.
Стоимость этих потерь зависит также от:
числа часов годового использования т этих потерь, отнесенных к максимальным потерям или, вернее, к потерям при номинальной мощности (и, следовательно, при номинальном токе);
средней стоимости к (во франках) 1 Вт • ч потерь.
Эти два параметра сильно меняются в зависимости от условий использования линии. Если передача энергии постоянна или квазипостоянна, то т может достигать 7000—8000 ч в год, но к уменьшается до средней стоимости 1 кВт • ч при производстве (энергии); в этом случае можно принять, что т&=0,25 (часы в год, умноженные на франки, отнесенные к ватту потерь).
Если энергия передается в часы пик, то использование линии длится меньше 2000 ч в год и, следовательно, годовое использование потерь может снизиться до 1000 ч и менее, но к уменьшится до стоимости 1 кВт • ч при пиковой нагрузке; в этом случае можно принять, что тк=0,10. Реальные ситуации соответствуют примерно этим цифрам.
Линия сооружается на определенный срок, равный в среднем 30 годам, поэтому необходимо суммировать стоимости потерь за все 30 лет. Если взять коэффициент осуществления равным 7%, то эта стоимость будет приблизительно в 12,5 раза больше годовой стоимости (предполагается существенно стабильной). Тогда стоимость джоулевых потерь на 1 км линии запишется как
(1.3)
при
(1.4)
Потери от эффекта на корону становятся чувствительными только в линиях СВН. Они появляются тогда, когда напряжение превосходит так называемое критическое EEр, которое зависит от радиуса проводов. Исследование эффекта короны приведено в т. 1, гл. 7, где точные формулы сложны, однако потери от эффекта на корону остаются практически незначительными по сравнению с джоулевыми потерями и мало влияют на оптимальные размеры линий. Очевидно, эти размеры должны быть несколько увеличены из-за влияния на них эффекта на корону, в этом случае можно использовать приближенные формулы:
для критического напряжения (В)
(1.5)
где с0 — погонная емкость, ммкФ/км (=% 8 -г 10); п — число проводов в пучке (линии СВН имеют от двух до четырех проводов в пучке); 5 — общее сечение пучка, мм2;
для приведенной стоимости потерь от эффекта на корону на 1 км
где U — линейное напряжение, В.
Общая приведенная стоимость линии является суммой капиталовложений на ее сооружение и эксплуатационных расходов на год сооружения. В общем случае, когда можно пренебречь потерями от эффекта на корону, общая стоимость на 1 км линии
(1.7)
Здесь коэффициенты Сл0, Сл1 и Сл2 отличаются от подобных коэффициентов в формуле (1.1) в связи с тем, что говорилось в самоа начале об эксплуатационных расходах и стоимости потерь в линии.
Стоимость подземных кабелей.
Все рассуждения, проведенные для воздушных линий, полностью справедливы и для подземных кабелей. Единственное отличие состоит в том, что к потерям от эффекта на корону необходимо добавить диэлектрические потери, которые также незначительны по сравнению с джоулевыми потерями.
Для кабелей также применима формула (1.7), но с более высокими, чем для воздушных линий, коэффициентами, особенно это относится к коэффициенту С,0, который может меняться в широких пределах в зависимости от участка (прокладки кабеля).
Стоимость подстанций.
Стоимость сооружения подстанций, включая установленное на них оборудование, определяется напряжением и мощностью основного оборудования (трансформаторов, выключателей), которые непосредственно связаны с такими же параметрами линий, а также с номинальным током для систем сборных линий и вспомогательных приборов (этот ток также связан с током в линиях). Следовательно, можно выразить стоимость Спс подстанции в функции напряжения U и мощности Р линий, которые к ней подходят (эта мощность почти всегда одна и та же для всех линий). Однако это выражение сложно и неточно, поскольку существует множество возможных структур подстанций, имеющих различные стоимости, зависящие не только от передаваемой мощности, но также в большой степени от качества поставляемой электроэнергии.
В этой главе будем считать приемлемым качество поставляемой энергии, а стоимости подстанций — приближенными. Предположим, что стоимость подстанций состоит из:
стоимости ячеек, включая соответствующий участок системы сборных шин и все вспомогательные устройства контроля и защиты;
стоимости трансформаторов, включая их собственную защиту.
Установлено, что эти стоимости являются функциями не только
напряжения U, но и «калибров» приборов, т. е. их номинального тока / и их номинальной мощности Р.
Стоимость подстанции определяется выражением
Спс= Спс0 + Спс) U+ Спс2Р+ Спс3/. (1.8)
Необходимо рассматривать эту формулу как приближенную, так как в ней учет эксплуатационных расходов производится простым увеличением коэффициентов. Годовые эксплуатационные расходы составляют
около 5% от стоимости сооружения, введение этих расходов в формулу (1.8) дает увеличение стоимости сооружения приблизительно на 60%.
