Проектные и исследовательские работы с целью сооружения воздушных линий (ВЛ) электропередачи высокого (ВН) и сверхвысокого (СВН) напряжения достаточно часто производятся проектными организациями на заказ энергосистем или дирекций объектов, которые сооружаются.
Проектирование ВЛ - задача трудоемкая, к решению которой очень часто задействованы сразу несколько подразделений проектной организации. Разведывательные работы и Планирования трассы линии выполняется в разведывательном подразделении, расчет проводов и тросов, размещения опор - в линейном подразделении, за расчет фундамента и прочность опор отвечают проектировщики-строители. Вот почему автоматизация проектирования ВЛ должна охватывать всю технологическую цепь. Эффективная автоматизация проектирования ВЛ является очень актуальной задачей современности[3].
Автоматизация предусматривает рациональное распределение функций между человеком и компьютером : проектировщик решает задачи творческого характера, а ПК - формализированные задачи, которые реализованы в виде алгоритма.
Система автоматизированного проектирования ВЛ ВН и СВН (САПР) состоит из технической и документальной систем. Более детально структурная схема САПР ВЛ приведена на рис. 1 Техническая система содержит линейную и строительно-монтажную подсистемы[5].
Рисунок 1 - Структурная схема САПР ВЛ ВН и СВН (анимация: объём – 29,8 КБ; размер – 530x489; количество кадров – 4; задержка между кадрами – 250 мс; задержка между последним и первым кадрами – 600 мс; количество циклов повторения – 5)
Документальная система состоит из десяти единиц, каждая из которых выходит из отдельного расчета технической системы, или собственный документа, эти связки можно проследить по структурной схеме САПР ВЛ ВН и СВН.
Практическая ценность работы заключается в использовании результатов разработки в учебном процессе кафедры «Электрические системы» ДонНТУ. На указанной кафедре существует реализация САПР ВЛ, разработана и последние 30 лет используют в качестве учебно-исследовательской (УИ) САПР ВЛ ВН и СВН несколько видов программного обеспечения : один - под DOS , другой - под WINDOWS - 98. В первом варианте программы написаны языком CLIPPER и FoxBase, во втором варианте использованные языки Delphi и Visual Basic 6.0. Кроме того, программа чертежа продольного профиля трассы ВЛ, который проектируется, написана на AutoCAD с использованием языка AutoLISP. Эти программы используются в курсе "САПР воздушных ЛЕП"[6].
Актуальность работы состоит в модернизации существующих разработок студентов и преподавателей по теме САПР ВЛ. Указанные виды программного обеспечения технически устарели и требуют модернизации на уровне современных операционных систем, языков программирования, возможностей ПК и прикладных пакетов программ. Очень важным аспектом является и то, что в связи с новой редакцией ПУЕ-2006, что разработано на Украине, изменился расчет на механическую прочность проводов и тросов воздушных линий высокого и сверхвысокого напряжения, а УИ САПР ВЛ ВН и СВН разработана для устаревших методик выполнения проектных расчетов.
Таким образом, новая САПР ВЛ ВН и СВН должна быть создана на основе новых рекомендаций и расчетов.
Целью магистерской работы является разработка современных алгоритмов для создания программ САПР ВЛ ВН и СВН, которые будут отвечать всем требованиям новой редакции ПУЄ.
Основной идеей магистерской работы является разработка принципиально новых математических методов расчета и алгоритмов для программных модулей САПР, совершенствования информационного обеспечения программных модулей в качестве создания новых баз данных.
Предметом научной работы является современное программное обеспечение САПР ВЛ ВН и СВН. Объектом является система автоматического проектирования ВЛ ВН и СВН, ее совершенствования[2].
Существенной частью магистерской работы является разработка методики расчета напряженности электрического поля под проводами проектируемых ВЛ, которая позволяет выполнить расстановку опор ВЛ ВН и СВН, учитывая требования нормативных документов относительно допустимой напряженности под проводами ВЛ СВН.
Методика базируется на широко известном теоретическом подходе, согласно которому провода ВЛ расположены вблизи плоской поверхности проводящей среды (земля). Поэтому поле ВЛ будет создаваться не только зарядами проводов, но и зарядами их зеркальных изображений. При этом вектор напряженности суммарного поля будет равняться геометрической сумме векторов напряженности поля всех зарядов.
В данной методике рассматривается многопроводная линия из 3-х весьма длинных проводов с зарядом , на единицу длины (индекс заряда соответствует номеру провода), протянутых параллельно поверхности земли. Высота подвеса и радиус каждого провода известны. Известна также электрическая проницаемость среды, окружающей провода[9].
Рассмотрим в диэлектрике некоторую произвольную точку М и найдем ее потенциал. Потенциал точки М будет равен сумме потенциалов, создаваемых каждым проводом и его зеркальным изображением. Cоставляющую потенциала точки М от провода и его зеркального изображения в можно записать следующим образом:
где
- расстояние от точки М до зеркального изображения первого провода;
- расстояние от точки М до первого провода.
Составляющая потенциала точки М от второго провода и его зеркального изображения:
.
Таким образом
.
Алгоритм расчета потенциала в произвольной точке М
1. Рассчитываются потенциальные коэффициенты [м/Ф], так называемая первая группа формул Максвелла, в предположении что точка М - это единичный точечный заряд, помещенный на поверхность каждого из проводов:
где
- расстояние от первого провода, куда помещена точка М, до его зеркального изображения, 
- расстояние от первого провода до второго.
Формируется матрица
.
2. Рассчитываются емкостные коэффициенты [Ф/м]
3. Полагаем, что потенциалы известны и равны номинальному напряжению сеты:
Решаем систему уравнений, называемую второй группой формул Максвелла :
.4. Находим потенциал в заданной точке М :
Важной частью магистерской работы является разработка методики расчета проводов "Больших переходов" линейной подсистемы САПР ВЛ .
Под названием ''большие переходы'' подразумевают переходы воздушной ЛЭП в условиях равнинной местности через широкие водные пространства (судоходные и несудоходные реки, заливы, морские проливы и другие водные препятствия) и в условиях горной местности через различные ущелья[10].
Расчет большого перехода ЛЭП заключается в расчете проводов ВЛ, который необходим с целью определения габаритов линии над водной поверхностью или отметками горной местности.
Как известно, так называемый механический расчет проводов ВЛ, в принципе, может выполняться приближенными или точными методами.
В основу приближенного метода расчета принято предположение, что на провод, подвешенный к двум неподвижным шарнирным точкам на опорах ВЛ (так называемые точки подвеса), действует только вертикальная равномерно распределенная по его длине нагрузка (собственный вес), под действием которой провод провисает подобно однородной гибкой нити. Идеально гибкая нить, жесткость которой на изгиб равна нулю, при такой загрузке принимает очертание цепной линии, т. е. в обычном представлении форму подвешенной тонкой цепи с большим числом очень малых звеньев. Кривая провисания гибкой нити располагается в плоскости действия нагрузки (в данном случае в вертикальной плоскости) и, следовательно, будет плоской кривой. Вследствие отмеченных свойств гибкой нити она может работать только на расстоянии. Поэтому внешняя нагрузка вызывает в нити только осевое растягивающее усилие, которое в любой ее точке направленно по касательной к кривой провисания (или перпендикулярно радиусу кривизны)[2].
Таким образом, механическое напряжение в любой точке гибкой нити обусловлено только растяжением и так же, как растягивающее усилие, направленно по касательной, проведенной к кривой провисания в рассматриваемой точке. Изгибающий момент в любом сечении гибкой нити равен нулю. Теория механического расчета провода в этом случае основана на теории расчета гибкой нити. Конечно, провод как металлический стержень или как пара витых стержней не обладает всеми свойствами идеально гибкой нити и имеет некоторую жесткость на изгиб[5].
Поэтому кривая провисания провода лишь приближается по форме к цепной линии, и напряжение в проводе может быть обусловлено не только растяжением, но в некоторых случаях и изгибом.
Точный метод механического расчета провода также основан на теории провисания гибкой однородной тяжелой нити, кривая которой, как уже отмечалось, принимает форму цепной линии. Однако используемые для расчета провода этим методом формулы, связанные с уравнением цепной линии, выражаются через гиперболические функции. Точный метод позволяет при заданных расчетных условиях определить степень погрешности, которая получается при расчете по приближенным формулам, что с практической стороны является ценным.
В некоторых случаях степень погрешности можно установит заранее, при выборе расчетных формул, но в особых случаях приходится выполнять параллельные расчеты по приближенным и точным формулам. Такие сравнительные расчеты целесообразны при расчете провода для перехода ВЛ через широкую судоходную реку или при определении провесов провода на линии, проходящей в горной местности, где имеются большие продольные уклоны[9].
Вопрос о допустимой степени погрешности решается при конкретном проектировании в зависимости от характера трассы линии, в отличии от запасов в габарите над землей или пересекаемыми сооружениями.
Основной целью предлагаемой методики является развитие удобной для практического использования теории нити - так называемой теории цепи равного сопротивления и разработка на ее основе решения ряда задач, возникающих при расчете больших переходов.
Несмотря на успехи, достигнутые в развитии теории нити, полученные теоретические решения не имеют достаточно широкого практического применения. Это обстоятельство объясняется двумя причинами: во-первых, практическому применению многих теоретических решений препятствуют определенные математические трудности и, во-вторых, для использования теоретических решений требуются экспериментальные данные.
В связи с этим в настоящее время параллельно с развитием и усовершенствованием строгих теорий нить весьма актуальными являются разработка простых и практически приемлемых приближенных методов расчета и дальнейшие экспериментальные исследования.
Существующая методика механического расчета проводов ВЛ в обычных пролетах и для больших переходов имеет ряд недостатков, основные из которых могут быть сформулированы следующим образом.
1) В расчетах не учитывается вес распорок и натяжных гирлянд изоляторов.
2) Стрелы провеса определяются по нормативным сочетаниям климатических условий на нормативные временные и постоянные нагрузки, которые в общем случае могут быть превышены.
3) Не учитывается нагрев проводов электрическим током, а также дополнительный нагрев солнечными лучами проводов, которые после монтажа со временем темнеют.
4) Действительная длина пролета может отличаться от проектной, так как в реальных условиях происходит изменение длин пролетов под действием внешних сил в точках подвеса провода на опорах и вследствие гибкости самих опор.
5) Следует иметь в виду, что регулировка стрел провеса при монтаже производится в переходном пролете. При этом провод находится на монтажных роликах, а поддерживающие гирлянды отключены от вертикали. В этом положении стрела провеса в переходном пролете отличается от тех, которая будет после перекладки провода в глухие зажимы и приведения гирлянд в вертикальное положение.
6) Имеются определенные трудности при учете остаточных деформаций проводов, величина которых зависит вот отношения стрелы провеса к длине пролета.
7) Нагрузка от собственного веса провода принимается равномерно распределенной по длине пролета, тогда как ветровая нагрузка и нагрузка от снега, льда могут быть несимметричными и неравномерными.
8) Глубина заложения фундамента считается постоянной, тогда как в действительности его осадка может превышать расчетные значения.
Все эти обстоятельства дают основания считать, что расчет проводов на больших переходах ЛЭП с использованием теории цепной линии может при определенных обстоятельствах привести к недостаточно надежным результатам. Именно этот факт послужил основанием для изучения принципиальной возможности использования теории цепи равного сопротивления с целью решения проектной задачи уточненного расчета проводов больших переходов ЛЭП.
Цепью равного сопротивления называется цепь переменной толщины, в которой толщина в каждой точке пропорциональна натяжению, и вероятность разрыва во всех точках этой цепи одинакова, теория ц.р.с. является более строгой, чем теория цепной линии, а теория параболы является частным случаем теории ц.л. и теории ц.р.с.
Обзор программных реализаций САПР
На сегодняшний момент в мире существует множество программных реализаций САПР ВЛ. Рассмотрим наиболее популярные в нашем регионе.
Достаточно удачной реализацией САПР ВЛ ВН и СВН является программный комплекс русской разработки EnergyCS Line, предназначенный для автоматизации проектирования механической части воздушных линий электропередачи, волокно-оптичних кабелей, волокно-оптичних линий связи, гибких шинирований открытых распределительных устройств, гибких токопрводов. Этот комплекс обеспечивает ведение базы данных выполненных ранее расчетов, базы данных справочной информации о проводах, тросах, опорах ВЛ, изоляторах, климатических районах.
Программный комплекс реализует возможности экспорта чертежей в графическую систему AutoCAD или MS Word. Однако, во время разработки проекта не достаточно лишь услуг программного комплекса EnergyCS Line, поскольку он выполняет лишь решение проектных процедур линейной части проекта ВЛ ВН. Для расчета строительно-монтажной части проекта ВЛ надо использовать другие программные комплексы.
Планирование трассы можно выполнить в Совершенствование программы ведется в двух направлениях: расчет динамического действия токов короткого замыкания на провода - расчет проводов на схлестывание при КЗ (сам расчет токов короткого замыкания в проводах и грозозащитных тросах, а также оценка его термического действия производится в программе EnergyCS TKZ); расчеты по отводу земель и по вырубке просек.
Одной из геодезическая программ, например GeoniCS. Результатом работы этой программы является чертеж с описанием трассы.
Наиболее мощным программным комплексом на сегодня является САПР ЛЭП - 2008. Он предназначен для автоматизации проектирования воздушных линий электропередач напряжением 35 кВ и выше. Идеология САПР строилась исходя из требования простоты и удобства использования для проектировщиков линейных групп. Вся работа с программами основывается на интуитивно понятном интерфейсе, каждый модуль сопровождается "Руководством пользователя", свиты все модули САПРа работают на базе AutoCAD, что является большим плюсом.
Логика работы САПРа во многом соответствует привычной последовательности действий проектировщиков. Первыми делаются необходимые расчеты проводов и тросов. Их результаты являются базой и исходными данными для всех остальных расчетных модулей. Основная идея, которая была заложена при разработке модулей - это возможность проектировщика в любой момент вмешаться в ход работы программы, направит ее в нужном направлении.
Среди вышеперечисленных достоинств неоспоримым является постоянное усовершенствование данного САПР в виде новых модулей, появившихся уже в 2009году[6].
Перечень основных результатов и перспективы развития
Механический расчет – это базовый расчет для проектирования воздушных линий. На момент написания автореферата подготовлены все алгоритмы для создания программы с использованием языка программирования Delphi; создана программа расчета напряженностей в произвольной точке. На сегодня существенным недостатком является DOS – интерфейс кафедральных разработок, поэтому одной из проектных задач является создание Windows – интерфейса, а также визуализация работы программы и модернизация баз данных.
Список литературы
1. Правила улаштування електроустановок. Глава 2.4, глава 2.5 із зміною №1. – К.: ГРІФРЕ, 2006. – 126с
2. Журнал CADmaster [Электронный ресурс].-Режим доступа: ссылка, http://www.cadmaster.ru.
3. Офіційний сайт групи компаній CSoft [Электронный ресурс].-Режим доступа: ссылка, http://www.csoft.ru.
4. Ильичев Н.Б. Расчет и проектирование ВЛ, ОРУ и ВОЛС в среде EnergyCS Line/ Н.Б. Ильичев//М.,2007 – С. 12–16.
5. Шпак Ю.О. Delphi 7 на прикладах/ Ю.О. Шпак, Ю.С. Ковтанюк//К.: Юніор,2003 – 384с.
6. Ильичев Н.Б. Программный комплекс «EnergyCS Line» V 3.5 . Руководство пользователя./ Н.Б. Ильичев//Иваново, 2007 – 79 с.
7. ЛЭП 2009 - «Розрахунок навантажень на опори та фундаментів» [Электронный ресурс].-Режим доступа: ссылка, http://www.bsapr.ru.
8. Матеріали Другої всеросійської науково- практичної конференції 2006г [Электронный ресурс].-Режим доступа: ссылка, www.ohl.elsi.ru/2006.
9. Доклад Молчанова О.В., Титенсккого К.С. [Электронный ресурс].-Режим доступа: ссылка, http://www.ohl.elsi.ru/sbornik_trudov/6.pdf.
10. Електроний журнал [Электронный ресурс].-Режим доступа: ссылка, http://www.sapr.ru.
11. ГОСТ. 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».
12. Методические указания по контролю и анализу качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения. Часть 1. Контроль качества электрической энергии (РД 153-34.0-15.501-00).
13. Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Часть 2. Анализ качества электрической энергии (РД 153-34.0-15.502-2002).
Важное замечание!
При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: 1 декабря 2010 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.