Проектні та дослідницькі роботи з метою спорудження повітряних ліній (ПЛ) електропередачі високої (ВН) і надвисокої (НВН) напруги досить часто виконуються проектними організаціями на замовлення енергосистем або дирекцій об'єктів, які споруджуються.
Проектування ПЛ - завдання трудомістке, до вирішення якого дуже часто задіяні відразу декілька підрозділів проектної організації. Розвідувальні роботи та планування траси лінії виконується в розвідувальному підрозділі, розрахунок проводів і тросів, розміщення опор - у лінійному підрозділі, за розрахунок фундаменту і міцності опор відповідають проектувальники-будівельники. Ось чому автоматизація проектування ПЛ повинна охоплювати весь технологічний ланцюг. Ефективна автоматизація проектування ПЛ є дуже актуальним завданням сучасності[3].
Автоматизація передбачає раціональний розподіл функцій між людиною і комп'ютером: проектувальник вирішує завдання творчого характеру, а ПК - формалізовані завдання, які реалізовані у вигляді алгоритму.
Система автоматизованого проектування ПЛ ВН і НВН (САПР) складається з технічної і документальної систем. Більш детально структурна схема САПР ПЛ наведена на рис. 1. Технічна система містить лінійну та будівельно-монтажну підсистеми[5].
Рисунок 1 - Структурна схема САПР ПЛ ВН і НВН (анімація: об’єм – 29,8 КБ; розмір – 530x489; кількість кадрів – 4; затримка між кадрами – 250 мс; затримка між першим та останнім кадром – 600 мс; кількість циклів повторення– 5)
Документальна система складається з десяти одиниць, кожна з яких виходить з окремого розрахунку технічної системи, ці зв'язки можна простежити за структурною схемою САПР ПЛ ВН і НВН.
Практична цінність роботи полягає у використанні результатів розробки в навчальному процесі кафедри «Електричні системи» ДонНТУ. На кафедрі існує реалізація САПР ПЛ, розроблено і останні 30 років використовується як навчально-досліднока (УД) САПР ПЛ ВН і НВН кілька видів програмного забезпечення: один - під DOS, інший - під WINDOWS - 98. У першому варіанті програми написані мовою CLIPPER і FoxBase, у другому варіанті використані мови Delphi і Visual Basic 6.0. Крім того, програма креслення поздовжнього профілю траси ПЛ, що проектується, написана на AutoCAD з використанням мови AutoLISP. Ці програми використовуються в курсі "САПР повітряних ЛЕП"[6].
Актуальність роботи полягає в модернізації існуючих розробок студентів і викладачів по темі САПР ПЛ. Вказані види програмного забезпечення технічно застаріли і вимагають модернізації на рівні сучасних операційних систем, мов програмування, можливостей ПК і прикладних пакетів програм. Дуже важливим аспектом є і те, що у зв'язку з новою редакцією ПУЕ-2006, що розроблено в Україні, змінився розрахунок на механічну міцність проводів і тросів повітряних ліній високої і надвисокої напруги, а УД САПР ПЛ ВН і НВН розроблена для застарілих методик виконання проектних розрахунків.
Таким чином, нова САПР ПЛ ВН і НВН повинна бути створена на основі нових рекомендацій і розрахунків.
Метою магістерської роботи є розробка сучасних алгоритмів для створення програм САПР ПЛ ВН і НВН, які будуть відповідати всім вимогам нової редакції ПУЕ.
Основною ідеєю магістерської роботи є розробка принципово нових математичних методів розрахунку і алгоритмів для програмних модулів САПР, вдосконалення інформаційного забезпечення програмних модулів як створення нових баз даних.
Предметом наукової роботи є сучасне програмне забезпечення САПР ПЛ ВН і НВН. Об'єктом є система автоматичного проектування ПЛ ВН і НВН, її вдосконалення[2].
Істотною частиною магістерської роботи є розробка методики розрахунку напруженості електричного поля під проводами проектованих ВЛ, яка дозволяє виконати розстановку опор ПЛ ВН і НВН, враховуючи вимоги нормативних документів щодо допустимої напруженості під проводами ПЛ НВН.
Методика базується на широко відомому теоретичному підході, згідно з яким ПЛ розташовані поблизу плоскої поверхні (земля), тому поле ПЛ буде створюватись не тільки зарядами проводів, але й зарядами їх дзеркальних зображень. При цьому вектор напруженості сумарного поля буде дорівнювати геометричній сумі векторів напруженості поля всіх зарядів.
У даній методиці розглядається многопровідна лінія з 3-ма вельми довгими проводами із зарядама, на одиницю довжини (індекс заряду відповідає номеру проводу), простягнутих паралельно поверхні землі. Висота підвісу і радіус кожного проводу відомі. Відома також електрична проникність середовища[9].
Розглянемо в діелектрику деяку довільну точку М і знайдемо її потенціал. Потенціал точки М буде дорівнювати сумі потенціалів, створених кожним проводом і його дзеркальним зображенням. Cкладову потенціалу точки М від проводу і його дзеркального зображення можна записати наступним чином:
де
- відстань від точки М до дзеркального зображення першого проводу;
- відстань від точки М до першого проводу.
Складова потенціалу точки М від другого проводу і його дзеркального зображення:
.
Таким чином
.
Алгоритм розрахунку потенціалу в довільній точці М
1. Розраховуються потенційні коефіцієнти [м / Ф], так звана перша група формул Максвелла, в припущенні що точка М - це поодинокий заряд, розміщених на поверхню кожного з проводів:
де
- відстань від першого проводу, куди поміщена точка М, до його дзеркального зображення, 
- відстань від першого проводу до другого.
Формується матриця
.
2. Розраховуються ємнісні коефіцієнти [Ф / м]
3. Вважаємо, що потенціали відомі і рівні номінальній напрузі мережі:
Вирішуємо систему рівнянь, так звану другу групу формул Максвелла:
.4. Знаходимо потенціал в заданій точці М:
Важливою частиною магістерської роботи є розробка методики розрахунку проводів "Великих переходів" лінійної підсистеми САПР ПЛ.
Під назвою''великі переходи'' маємо на увазі переходи повітряної ЛЕП в умовах рівнинної місцевості через широкі водні простори (судноплавні і несудноплавні річки, затоки, морські протоки та інші водні перешкоди) і в умовах гірської місцевості через різні ущелини.
Розрахунок великого переходу ЛЕП полягає в розрахунку проводів ПЛ, який необхідний з метою визначення габаритів лінії над водною поверхнею або відмітками гірської місцевості.
Як відомо, так званий механічний розрахунок проводів ПЛ, у принципі, може виконуватися наближеним або точним методами.
В основу наближеного методу розрахунку прийнято припущення, що на провід, підвішений до двох нерухомих шарнірних точок на опорах ПЛ (так звані точки підвісу), діє кілько вертикальних рівномірно розподілених по його довжині навантаження (власна вага), під дією якої провід провисає подібно однорідної гнучкої нитки. Ідеально гнучка нитка, жорсткість якої на згин дорівнює нулю, при такому завантаженні приймає обрис ланцюгової лінії, тобто в звичайному поданні форму підвішеного тонкого ланцюга з великим числом дуже малих ланок. Крива провисання гнучкої нитки розташовується в площині дії навантаження (у даному випадку у вертикальній площині) і, отже, буде плоскою кривою. Внаслідок зазначених властивостей гнучкої нитки вона може працювати тільки на відстані. Тому зовнішне навантаження викликає в нитки тільки осьові розтягуючі зусилля, які в будь-якій її точці направлено по дотичній до кривої провисання (або перпендикулярно радіусу кривизни).
Таким чином, механічна напруга в будь-якій точці гнучкої нитки зумовлена лише розтягуванням і так само, як розтягуючі зусилля, направлено по дотичній, проведеної до кривої провисання у розглянутій точці. Згинальний момент у будь-якому перетині гнучкої нитки дорівнює нулю. Теорія механічного розрахунку проводу в цьому випадку заснована на теорії розрахунку гнучкої нитки. Звичайно, провід як металевий стрижень або як пара кручених стрижнів не володіє всіма властивостями ідеально гнучкої нитки і має деяку жорсткість на вигин[5].
Тому крива провисання проводу лише наближається за формою до ланцюгової лінії, і напруга в проводі може бути обумовлена не тільки розтяганням, але в деяких випадках і вигином.
Точний метод механічного розрахунку проводу також заснований на теорії провисання гнучкої однорідно-важкої нитки, крива якої, як уже зазначалось, приймає форму ланцюгової лінії. Однак використовувані для розрахунку проводів цим методом формули, пов'язані з рівнянням ланцюгової лінії, виражаються через гіперболічні функції. Точний метод дозволяє при заданих розрахункових умовах визначити ступінь похибки, яка виходить при розрахунку за наближеними формулами, що з практичного боку є цінним.
У деяких випадках ступінь похибки можна встановить заздалегідь, при виборі розрахункових формул, але в особливих випадках доводиться виконувати паралельні розрахунки по наближеним і точним формулами. Такі порівняльні розрахунки доцільні при розрахунку дротів для переходу ПЛ через широку судноплавну річку або при визначенні провисання проводу на лінії, що проходить в гірській місцевості, де є великі поздовжні ухили.
Питання про допустиму ступінь похибки вирішується для конкретного проектування в залежності від характеру траси лінії, на відміну від запасів у габариті над землею чи перетинанні спорудам.
Основною метою пропонованої методики є розвиток зручної для практичного використання теорії нитки - так званої теорії ланцюга рівного опору і розробка на її основі рішення ряду задач, що виникають при розрахунку великих переходів.
Незважаючи на успіхи, досягнуті в розвитку теорії нитки, отримані теоретичні рішення не мають достатньо широкого практичного застосування. Ця обставина пояснюється двома причинами: по-перше, практичному застосуванню багатьох теоретичних рішень перешкоджають певні математичні труднощі і, по-друге, для використання теоретичних рішень потрібні експериментальні дані.
Існуюча методика розрахунку механічного проводів ПЛ у звичайних прольотах і для великих переходів має ряд недоліків, основні з яких можуть бути сформульовані наступним чином.
1) У розрахунках не враховується вага розпірок і натяжних гірлянд ізоляторів.
2) Стріли провисання визначаються за нормативним сполученням кліматичних умов на нормативні тимчасові та постійні навантаження, які в загальному випадку можуть бути перевищені.
3) Не враховується нагрів проводів електричним струмом, а також додатковий нагрів сонячними променями проводів, які після монтажу згодом темніють.
4) Дійсна довжина прольоту може відрізнятись від проектної, так як у реальних умовах відбувається зміна довжин прольотів під дією зовнішніх сил у точках підвісу проводу на опорах і внаслідок гнучкості самих опор.
5) Слід мати на увазі, що регулювання стріл провисання при монтажі виконується в перехідному прольоті. При цьому провід знаходиться на монтажних роликах. У цьому положенні стріла провисання в перехідному прольоті відрізняється від тих, яка буде після перекладання проводу в глухі затискачі і приведення гірлянд у вертикальне положення.
6) Є певні труднощі при обліку залишкових деформацій проводів, величина яких залежить від відношення стріли провисання до довжини прольоту.
7) Навантаження від власної ваги проводу приймається рівномірно розподіленим по довжині прольоту, тоді як вітрове навантаження і навантаження від снігу, льоду можуть бути несиметричними і нерівномірними.
8) Глибина закладення фундаменту вважається постійною, тоді як насправді його осідання може перевищувати розрахункові значення.
Всі ці обставини дають підстави вважати, що розрахунок проводів на великих переходах ЛЕП з використанням теорії ланцюгової лінії може за певних обставин призвести до недостатньої надійності результатів. Саме цей факт слугує підставою для вивчення принципової можливості використання теорії ланцюга рівного опору з метою вирішення проектної задачі уточненого розрахунку проводів великих переходів ЛЕП.
Ланцюгом рівного опору називається ланцюг змінної товщини, в якому товщина в кожній точці пропорційна натягу, і ймовірність розриву у всіх точках цього ланцюга однакова, теорія ц.р.с. є більш суворою, ніж теорія ланцюгової лінії, а теорія параболи є окремим випадком теорії ц.л. та теорії ц.р.с.
Огляд програмних реалізацій САПР
На сьогоднішній момент в світі існує безліч програмних реалізацій САПР ПЛ. Розглянемо найбільш популярні в нашому регіоні.
Досить вдалою реалізацією САПР ПЛ ВН і НВН є програмний комплекс російської розробки EnergyCS Line, призначений для автоматизації проектування механічної частини повітряних ліній електропередачі, волокно-оптичних кабелів, волокно-оптичних ліній зв'язку, гнучкого ошинування відкритих розподільних пристроїв, гнучких токопроводів. Цей комплекс забезпечує ведення бази даних виконаних раніше розрахунків, бази даних довідкової інформації про проводи, троси, опори ПЛ, ізолятори, кліматичні райони.
Програмний комплекс реалізує можливості експорту креслень в графічну систему AutoCAD або MS Word. Однак, під час розробки проекту не достатньо лише послуг програмного комплексу EnergyCS Line, оскільки він виконує лише рішення проектних процедур лінійної частини проекту ПЛ ВН. Для розрахунку будівельно-монтажної частини проекту ПЛ треба використовувати інші програмні комплекси.
Найбільш потужним програмним комплексом на сьогодні є САПР ЛЕП - 2008. Він призначений для автоматизації проектування повітряних ліній електропередач напругою 35 кВ і вище. Ідеологія САПР будувалася виходячи з вимоги простоти і зручності використання для проектувальників лінійних груп. Вся робота з програмами грунтується на інтуїтивно зрозумілому інтерфейсі, кожен модуль супроводжується "Керівництвом користувача", всі модулі САПР працюють на базі AutoCAD, що є великим плюсом.
Логіка роботи САПР багато в чому відповідає звичної послідовності дій проектувальників. Першими виконуються необхідні розрахунки проводів і тросів. Їх результати є базою і вихідними даними для всіх інших розрахункових модулів. Основна ідея, яка була закладена при розробці модулів - це можливість проектувальника в будь-який момент втрутитись в хід роботи програми, направити її в потрібному напрямку.
Серед перерахованих вище достоїнств незаперечним є постійне удосконалення даного САПР у вигляді нових модулів, що з'явились вже в 2009 році[6].
Перелік основних результатів і перспективи розвитку
Механічний розрахунок - це базовий розрахунок для проектування повітряних ліній. На момент написання автореферату підготовлені всі алгоритми для створення програми з використанням мови програмування Delphi; створена програма розрахунку напруженостей в довільній точці. На сьогодні істотним недоліком є DOS - інтерфейс кафедральних розробок, тому однією з проектних завдань є створення Windows - інтерфейсу, а також візуалізація роботи програми і модернізація баз даних.
Список літератури
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).
Важливе зауваження!
При написанні цього автореферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: 1 грудня 2009 р. Повний текст роботи та матеріали за темою можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.
Про автора