Внедрение компактной линии 400 кВ

Интеграция возобновляемых источников энергии в электрическую систему Германии потребовала адаптации и расширения существующей сети.В то же время общественное противодействие добавленной инфраструктуре означает, что системным операторам приходится проходить длительные процедуры согласования новых воздушных линий.Хотя традиционные конструкции доказали свою эффективность и надежность, они, как правило, оказывают существенное визуальное воздействие с точки зрения линейных коридоров, а также размеров башни и, следовательно, сталкиваются с самым сильным сопротивлением.В результате были предприняты инициативы по разработке компактных конструкций воздушных линий, что является частью общей тенденции, наблюдаемой во всем мире.Ожидается, что инновационный дизайн в сочетании с планом коммуникаций, подтвержденным независимыми исследованиями, поможет решить проблему более быстрого общественного признания.

Несколько лет назад компания 50Hertz Transmission, одна из четырех крупнейших немецких систем передачи, инициировала комплексный подход к разработке компактной воздушной линии электропередачи, известной как «compactLine».В этом отредактированном вкладе инженеров 50Hertz в INMR за 2017 год рассмотрен процесс, а также некоторые уникальные особенности этой конструкции.

Цели и требования

Чтобы любая предлагаемая концепция новой линии могла эффективно работать в рамках существующей воздушной системы электропередачи, необходимо было выполнить ряд технических требований.Среди этих предварительных условий в случае «compactLine» была двухцепная схема 400 кВ подвесных и натяжных опор, которые потенциально могли бы заменить существующие традиционные воздушные линии.Что касается проводников, то четыре жгута, т.е. 4 x ACSR 434-AL1/56-ST1A, с общей силой тока 3600 А и минимальным расстоянием до земли 12,5 м, были сочтены необходимыми.Что касается габаритных размеров, то ширина коридора не могла превышать 60 м, а максимальная средняя высота башни ограничивалась 40 м при длине пролета до 420 м.Еще одна проблема заключалась в том, чтобы иметь как можно меньше дополнительных ограничений по сравнению с обычными линиями, когда речь идет о таких вопросах, как ледовая нагрузка, техническое обслуживание, длина пролета и используемые материалы.Несмотря на то, что некоторым из этих критериев соответствуют другие конструкции компактных линий, доступных сегодня, ни одна из них не может удовлетворить комбинацию всех таких требований.

Поэтому в 2013 году компания 50Hertz инициировала исследовательский проект с целью разработки совершенно новой концепции воздушной линии со значительно уменьшенной высотой и шириной, что привело к снижению видимости, а также уменьшению полосы отвода (ROW).Эти задачи должны были быть направлены на технически осуществимое решение, отвечающее всем требованиям, что делало этот сложный проект требующим разнообразных навыков и опыта.Поэтому 50Hertz сотрудничала со стратегическими партнерами в разработке и установке компонентов (например, Spie SAG), а затем в производстве (например, RIBE).Кроме того, испытательный и исследовательский институт (т.е. FGH), а также технический университет (т.е. RWTH Aachen) также были частью консорциума при поддержке производителя изоляторов (т.е. Lapp Insulators) и Немецкого федерального института исследования материалов.Исследовательский проект софинансировался Федеральным министерством экономики и энергетики Германии.На рис. 1 показан последовательный процесс разработки по трем рабочим пакетам: исследовательский этап (2014–2016 гг.);этап строительства (2017-2018 гг.);и этап мониторинга (2018–2019 годы).

При разработке любого принципиально нового технического решения решающее значение имеет определение целей и требований.Таким образом, разработка системы и прототипирование компонентов, а также механические и электрические испытания были ключевыми элементами на этапе проектирования.За этими различными мероприятиями последовало независимое исследование приемлемости, чтобы выяснить, как новый разработанный дизайн показал себя, когда дело дошло до общественного признания.Строительство пилотной установки новой концепции линии, а также углубленный мониторинг во время эксплуатации представляли собой заключительный этап разработки.

Рис. 1: Процесс разработки новой компактной линии.
НАЖМИТЕ, ЧТОБЫ УВЕЛИЧИТЬ

Чтобы выполнить все проектные требования, новая концепция воздушной линии должна была быть оценена иначе, чем это обычно делалось в прошлом, и должны были быть разработаны и смоделированы новые компоненты.Затем эти компоненты-прототипы были подвергнуты механическим испытаниям, за которыми последовали дальнейшие электрические испытания тех версий, которые успешно прошли механические испытания.Кроме того, потребовались полномасштабные испытания на открытом объекте протяженностью 1,2 км для проверки механической работоспособности системы пучков проводников, а также изоляторов.

Из-за новизны концепции не было никакого практического опыта или программного обеспечения для моделирования, чтобы каким-либо иным образом подтвердить эти параметры.Во время этих полномасштабных механических испытаний основное внимание уделялось динамическому поведению системы, а также стационарной механической прочности компонентов.Другими важными аспектами были эмиссия электромагнитного поля, а также слышимый шум от работы линии.Для изучения этих факторов и оптимизации геометрии фаз проводника было проведено обширное моделирование, чтобы убедиться, что конструкция соответствует всем нормативным требованиям.

Рис. 2: (слева) Испытание пучка проводников на падение ледяной нагрузки во время натурных испытаний.(справа) Испытание начального напряжения коронного разряда в точке подвеса было проведено для оценки воздействия стального каната на коронный разряд.
НАЖМИТЕ, ЧТОБЫ УВЕЛИЧИТЬ

Компоненты

Чтобы новая концепция ВЛ стала технически осуществимой, все специально разработанные компоненты также должны были пройти тестирование и моделирование для проверки работоспособности.Эта цель была достигнута к началу 2017 года, и был завершен полный набор необходимых компонентов линии.К ним относятся:

Связки стальных опорных тросов и фазовых проводников

Основная техническая характеристика новой концепции линии основана на значительном снижении провисания проводов без ущерба для минимального дорожного просвета в 12,5 м.Действительно, уменьшение провисания в каждом пролете было ключом к значительному уменьшению высоты башни и было достигнуто за счет использования двух стальных поддерживающих канатов, добавленных к каждому пучку проводников.Применение стального каната в канатных дорогах, а также в мостах является новым для воздушных линий электропередач, но уже давно используется.Стальной канат в этом случае имеет диаметр 26 мм и состоит из скрученной горячеоцинкованной стальной проволоки, имеющей общий предел прочности на растяжение 791 кН.Эти канаты проложены под большим натяжением, а фазные провода висят, как гирлянды, под ними.Результирующий прогиб в каждом пролете, т. е. в контактной сети, больше определяется не проводниками, а скорее стальными канатами, к которым они прикреплены.

Рис. 4: Сравнение обычной и компактной контактной сети с максимальным рабочим провисанием.
НАЖМИТЕ, ЧТОБЫ УВЕЛИЧИТЬ

Рис. 5: Пучок проводников новой конструкции линии подвешен на двух опорах из стального троса.Эти стальные провода несут небольшую долю тока, и этот уровень исследуется в ходе опытно-промышленной эксплуатации для оценки возможного влияния на провисание и общие джоулевые потери линии.
НАЖМИТЕ, ЧТОБЫ УВЕЛИЧИТЬ

Разделитель пучков

Недавно разработанные «распорки-проводники» устанавливаются через равные промежутки и выполняют двойную функцию распорки, а также точки крепления четырех проводников к стальным опорным канатам.Таким образом, в то время как натяжение стальных канатов велико, для самих проводников оно может быть сравнительно низким при сохранении небольшого провисания между последовательными распорками.Однако эта конфигурация проводников столкнулась с рядом технических проблем, поскольку этот компонент не только должен поддерживать расстояние между отдельными проводниками, но также должен выдерживать их вес, допуская максимально возможное перемещение.Была разработана серия различных прототипов, и в конечном итоге была выбрана версия, представляющая собой квадратный блок размером 400 мм x 500 мм, изготовленный из литого алюминия.

Рис. 6: Разработка распорки пучка от эволюции прототипа до окончательной конструкции.(Источник: РИБЕ, SAG).
НАЖМИТЕ, ЧТОБЫ УВЕЛИЧИТЬ

Рис. 7: Уникальная распорка выполняет двойную функцию: поддерживает необходимое расстояние между вспомогательными проводниками и прикрепляет жгут проводников к опорам из стальной проволоки, обеспечивая при этом максимально возможное перемещение.
НАЖМИТЕ, ЧТОБЫ УВЕЛИЧИТЬ

Наборы изоляционных струн

Также необходимо было разработать специальные комплекты изоляционных струн и арматуру как для подвесных, так и для натяжных опор.Набор струн подвески представляет собой сравнительно широкую V-образную конфигурацию композитных изоляторов с диаметром сердечника 88 мм.Набор натяжных струн, напротив, представляет собой длинную узкую V-образную конфигурацию композитных изоляторов с диаметром сердечника 63 мм.Одним из преимуществ стального поддерживающего каната является уменьшение бокового смещения проводников из-за ветра.Чтобы воспользоваться этим преимуществом, для подвесных изоляторов была выбрана жесткая V-образная струна, способная выдерживать повышенные усилия сжатия и растяжения.Комплекты натяжных изоляторов должны выдерживать высокие растягивающие усилия стальных опорных канатов.Принимая во внимание эти соответствующие коэффициенты нагрузки, изоляторы были рассчитаны на растягивающие усилия до 1320 кН.

Рис. 8: Комплект подвесной струны (слева) и комплект натяжной струны (справа).
НАЖМИТЕ, ЧТОБЫ УВЕЛИЧИТЬ

Рис. 9: Детали подвесной колонны с композитными изоляторами с диаметром сердечника 88 мм.
НАЖМИТЕ, ЧТОБЫ УВЕЛИЧИТЬ

Рис. 10: Современные комплекты натяжных изоляторов должны выдерживать высокие нагрузки на растяжение стальной проволоки.(Врезка) Устройство калибрует напряжение между двумя изоляторами.
НАЖМИТЕ, ЧТОБЫ УВЕЛИЧИТЬ

Подвесные и натяжные башни

Дополнительный вес стальных канатов высокого напряжения и, как следствие, значительно более высокие механические усилия потребовали полной переделки как подвесных, так и натяжных башен.

В то же время другой важной целью было уменьшение размеров днища башен.В конечном итоге подвесная башня была спроектирована как трубчатая коническая стальная опора с кольцевыми фланцевыми соединениями, а тупиковая башня была портального типа, состоящая из двух трубчатых конических стальных опор, поддерживающих траверсу.Обе конструкции основаны на концепциях, проверенных многолетним опытом работы с башнями ветряных турбин.Траверсы состоят из стальных профилей, соединенных с верхом башни стальными стяжками.Люки в нижней и верхней частях башни позволяют рабочему получить доступ к траверсам без использования кранов или подъемников — еще одно основное условие идеальной компактной конструкции.Получившаяся стандартная подвесная башня имеет габаритную ширину 38 м и высоту 30 м.Стандартная натяжная башня имеет габаритную ширину 36 м и высоту 36 м.

Рис. 11: Подвесная башня (слева) и натяжная башня (справа).
НАЖМИТЕ, ЧТОБЫ УВЕЛИЧИТЬ

Рис. 12: Подвесная башня.Были выбраны три градуированных оттенка зеленого, которые лучше всего вписываются в окружающий ландшафт деревьев и уменьшают визуальное воздействие на уровне земли.Было обнаружено, что белый цвет лучше всего снижает воздействие на фоне неба.
НАЖМИТЕ, ЧТОБЫ УВЕЛИЧИТЬ

Рис. 13: Натяжная башня на пилотной линии имеет цементный фундамент объемом 600-700 м3 со стальной клетью внутри из-за высокого натяжения стальных тросов.Открытая дверца на столбе слева позволяет рабочим получить доступ к траверсе для обслуживания.
НАЖМИТЕ, ЧТОБЫ УВЕЛИЧИТЬ

Технические достижения нового дизайна

Чтобы выполнить все требования по уплотнению, а также убедиться, что разработанные компоненты соответствуют всем применимым стандартам, потребовался большой объем инженерных работ и испытаний.Благодаря уменьшению провисания проводов в сочетании с меньшим боковым перемещением жгута проводов, а также одноуровневой конфигурации фаз, размеры башни были значительно уменьшены и стали намного меньше по ширине и высоте по сравнению с обычными опорами Дуная 400 кВ.Требуемый ROW также был уменьшен.

Рис. 14: Сравнение размеров обычных и компактных башен и полосы отвода (Источник: SAG).
НАЖМИТЕ, ЧТОБЫ УВЕЛИЧИТЬ

Благодаря уменьшению высоты подвесной опоры, т.е. с 58 м до 30 м, и средней ширины полосы отвода с 77 м до 55 м основные цели проекта были достигнуты.Благодаря этой инновационной концепции проектирования стало возможным заменить существующие двухцепные воздушные линии 220 кВ на двухцепные линии 400 кВ без увеличения полосы отвода.Такая компактная конструкция воздушной линии также снижает воздействие на окружающую среду.Соответственно, вполне вероятно, что уменьшенная геометрия воздушной линии также может положительно повлиять на общественное мнение.

Коммуникационная концепция и исследование приемлемости

Чтобы понять, какие факторы наиболее важны для принятия общественностью новых воздушных линий и может ли compactLine действительно быть положительным вкладом, независимый университетский институт провел годичное полевое исследование.В этом исследовании изучалось приемлемость воздушных линий в целом и сравнивались компактные линии с традиционными конструкциями.Исследователи начали собирать справочную информацию и данные, опрашивая заинтересованные стороны, такие как технические специалисты, эксперты по окружающей среде и муниципальные административные органы.Это породило ряд факторов и параметров, влияющих на приемку воздушных линий.На их основе были проведены семинары с участием политиков, средств массовой информации и других заинтересованных сторон, чтобы лучше проработать эти факторы и разработать комплексную анкету для использования в опросе почти 1000 участников, выбранных случайным образом из разных частей Германии.Одной из целей анкеты было определить те параметры, которые имеют наибольшее значение для приемки воздушных линий;другой заключался в том, чтобы специально сравнить новую компактную линию с обычной башней Дуная.Анализ результатов опроса показал, что среди 47% респондентов, отдавших предпочтение одному типу по сравнению с другим (53% были безразличны), 85% отдали предпочтение compactLine.Другой вывод из исследования заключался в том, что высота башни (т. е. видимость воздушной линии) имеет решающее значение с точки зрения ухудшения ландшафта и, следовательно, в значительной степени повлияет на общественное одобрение или сопротивление новой линии.

Пилотная установка

После завершения технической разработки и положительных результатов приемочного исследования было принято решение продемонстрировать концепцию на практике с помощью опытно-промышленной установки.Расположенная в преимущественно сельскохозяйственном районе к югу от Берлина, эта установка имеет длину около 1,8 км и состоит из 5 башен, трех подвесных и двух натяжных башен.Полностью введена в эксплуатацию осенью 2018 года и служит для соединения существующей подстанции и близлежащей условной ВЛ 400 кВ.Была разработана обширная программа мониторинга для анализа эксплуатационных характеристик и накопления опыта для будущей эксплуатации и технического обслуживания.Рабочие параметры, постоянно контролируемые датчиками, включают провисание, коронный разряд, шум, напряжение изолятора и изгиб опоры.Эти измерения сочетаются с визуальными осмотрами с интервалом в два месяца.

Рис. 16: Исследование показало значимость высоты башни для ухудшения ландшафта.
НАЖМИТЕ, ЧТОБЫ УВЕЛИЧИТЬ

Выводы

Была разработана, смоделирована и всесторонне протестирована новая концепция компактной воздушной линии, получившая название compact-Line, для удовлетворения эксплуатационных требований и обеспечения постоянной высокой надежности.Благодаря этой новой конструкции стало возможным сжать воздушную линию 400 кВ до размеров, обычно занимаемых воздушной линией 220 кВ, и тем самым уменьшить воздействие на окружающую среду и визуальное восприятие.Независимое исследование приемки впоследствии подтвердило положительное влияние этой конструкции на общественное признание воздушных линий.Благодаря этим результатам в конце 2018 года была построена и введена в эксплуатацию опытная установка, позволяющая контролировать все ключевые эксплуатационные параметры.

Эта статья является копией из INMR (https://www.inmr.com), не для коммерческого использования, а только для технического обучения и общения.