На замовлення енергосистем або дирекцій об'єктів, які споруджуються досить частий виробляються проектні і дослідницькі роботи з метою спорудження повітряних ліній (ПЛ) електропередачі високої (ВН) і надвисокої (НВН) напруги .
Оскільки проектування ПЛ трудомістке завдання, то дуже часто задіюються відразу декілька підрозділів проектної організації. Розвідувальні роботи і планування траси лінії виконується в розвідувальному підрозділі, розрахунок дротів і тросів, розміщення опор - в лінійному підрозділі, за розрахунок фундаменту і міцності опор відповідають проектувальники-будівельники. Ось чому автоматизація проектування ВЛ повинна охоплювати весь технологічний ланцюг. Ефективна автоматизація проектування ПЛ є дуже актуальним завданням сучасності.
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. Технічна система містить лінійну і будівельно-монтажну підсистеми. У лінійній підсистемі виконуються такі види розрахунків :
- розрахунок на механічну міцність дротів і тросів ПЛ ВН;
- розрахунок перетинів з інженерними спорудами, штучними перешкодами і розрахунок великих переходів;
- розміщення опор за подовжнім профілем траси ПЛ ВН з урахуванням напруженості;
- розрахунок параметрів плавки ожеледі на дротах і тросах ПЛ ВН.
У будівельно-монтажній підсистемі виконуються наступні процедури:
- розрахунок навантажень і вибір фундаментів до опор ПЛ ВН;
- вибір фундаментів або типових закріплення опор ПЛ ВН;
- розрахунок та вибір пристроїв, які заземлюють опори ПЛ ВН;
- визначаються монтажні стріли провисання проводів і тросів ПЛ.
Документальна система складається з десяти одиниць, кожна з яких виходить з окремого розрахунку технічної системи і містить наступні звіти:
- журнал розставляння опор ПЛ ВН;
- відомість перетинів ПЛ ВН;
- креслення подовжнього профілю траси ПЛ ВН;
- креслення пересічень ПЛ ВН;
- відомість опор і фундаментів ПЛ ВН;
- відомість пристроїв, які заземляють опори ПЛ ВН;
- відомість гасителів вібрації;
- відомість гірлянд ізоляторів;
- журнал плавки ожеледі;
- монтажна таблиця.
Огляд досліджень по темі в ДонНТУ
На сьогоднішній день вже існує реалізація САПР ПЛ в нашому університеті. На кафедрі електричних систем ДонНТУ розроблена і останні 30 років використовується як учбово-дослідницька САПР ПЛ ВН і НВН декілька видів програмного забезпечення : один - під DOS, інший - під WINDOWS - 98.
У першому варіанті програми написані мовою CLIPPER і Foxbase, в другому варіанті використані мови Delphi і Visual Basic 6.0. Крім того, програма креслення повздовжнього профілю траси ПЛ, який проектується, написана на AUTOCAD з використанням мови AUTOLISP.
Ці програми використовуються в курсі "САПР повітряних ЛЕП".
Проте 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 розроблена в Україні, змінився розрахунок на механічну міцність дротів і тросів повітряних ліній високої і надвисокої напруги, а САПР ПЛ ВН і НВН розроблена для застарілих методик виконання проектних розрахунків.
Таким чином, нова САПР ПЛ ВН і НВН має бути створена на основі нових рекомендацій і розрахунків.
Огляд досліджень по темі в Україні
На сьогоднішній день існує декілька вдалих програмних продуктів, які реалізують САПР ПЛ, які використовуються лише в наукових цілях і не призначені для використання в ПЕС.
Огляд досліджень по темі в світі
Досить вдалою реалізацією САПР ПЛ ВН і НВН є програмний комплекс російської розробки ENERGYCS Line, призначений для автоматизації проектування механічної частини повітряних ліній електропередачі, оптичних кабелів, оптичних ліній зв'язку, гнучкої ошиновки відкритих розподільних пристроїв, гнучких токопроводів для російського ПУЕ і СНіП. Цей комплекс забезпечує ведення бази даних виконаних раніше розрахунків, бази даних довідкової інформації про дроти, троси, опори ВЛ, ізолятори, кліматичні райони Росії.
Програмний комплекс реалізує можливості експорту креслень в графічну систему AUTOCAD або MS Word. Проте, під час розробки проекту не вистачає лише послуг програмного комплексу ENERGYCS Line, оскільки він виконує лише вирішення проектних процедур лінійної частини проекту ПЛ ВН. Для розрахунку будівельно-монтажної частини проекту ПЛ треба використовувати інші програмні комплекси.
Вдосконалення програми ведеться в двох напрямках: розрахунок динамічної дії струмів короткого замикання на дроти - розрахунок дротів на схльостування при КЗ (розрахунок струмів короткого замикання в дротах і грозозахисних тросах, а також оцінка його термічної дії виробляється в програмі ENERGYCS TKZ); розрахунки по відведенню земель і по вирубці просік.
Планування траси можна виконати в одній з геодезичних програм, наприклад GEONICS. Результатом роботи цієї програми є креслення з описом траси.
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 будувалась виходячи з вимоги простоти і зручності використання для проектувальників лінійних груп. Вся робота з програмами грунтується на інтуїтивно зрозумілому інтерфейсі, кожен модуль супроводжується "Посібником користувача", всі модулі САПРа працюють на базі AUTOCAD, що є великим плюсом.
Логіка роботи САПРа багато в чому відповідає звичній послідовності дій проектувальників. Першими робляться необхідні розрахунки дротів і тросів. Їх результати є базою і вихідними даними для всіх останніх розрахункових модулів. Основна ідея, яка була закладена при розробці модулів, - це можливість проектувальника у будь-який момент втрутитись в хід роботи програми, направити її в потрібному напрямі.
Серед вищеперелічених достоїнств безперечним є постійне удосконалення даного САПР у вигляді нових модулів, що з'явились вже в 2009 році.
Метою магістерської работи є розробка сучасних програм САПР ПЛ ВН і НВН, алгоритми яких відповідатимуть всім вимогам нової редакції ПУЕ.
Основною ідеєю магістерської работи є розробка принципово-нових алгоритмів для програмних модулів САПР, вдосконалення інформаційного забезпечення програмних модулів таких як створення нових баз даних.
Предметом наукової работи є сучасне програмне забезпечення САПР ПЛ ВН і НВН. Об'єктом є система автоматичного проектування ПЛ ВН і НВН, її вдосконалення.
Основна частина роботи
На даному етапі магістерської роботи розробляється програма розрахунку напруженості електричного поля під дротами ВЛ, яка дозволяє виконати розміщення опор ПЛ ВН і НВН, враховуючи вимоги нормативних документів відносно допустимої напруженості під дротами ПЛ НВН.
Методика заснована на відомому теоретичному підході, згідно до якого проводи ПЛ розташовані поблизу плоскої поверхні провідного середовища (земля). Тому поле ПЛ створюватиметься не лише зарядами дротів, але і зарядами їх дзеркальних відображень. При цьому вектор напруженості сумарного поля дорівнюватиме геометричній сумі векторів напруженностей поля всіх зарядів.
Розглянемо багатопровідну лінію з 3-х вельми довгих дротів із зарядами, на одиницю довжини (індекс в заряду відповідає номеру дроту), протягнутих паралельно поверхні землі. Висота підвісу і радіус кожного дроту відомі. Відома також електрична проникність середовища, що оточує дроти.
Візьмемо в діелектриці деяку довільну точку М і знайдемо її потенціал. Потенціал точки М дорівнюватиме сумі потенціалів, що створюються кожним дротом і його дзеркальним зображенням. Складову потенціалу точки М до дроту і його дзеркального зображення можна записати таким чином:
де 
- відстань від точки М до дзеркального зображення першого дроту; 
- відстань від точки М до першого дроту.
Складова потенціалу точки М дроту і його дзеркального зображення:
Таким чином
Алгоритм для програми розрахунку потенціалу в довільній точці М
1. Знаючи вихідні дані: координати в просторі, радіус кожного проводу, електрична проникність середовища, - отримуємо матриці А і В, де містяться відстані від точки М до кожного проводу та їх зображень, а також між проводами і зображеннями. Блок-схема, що реалізовує даний алгоритм, представлена на рис. 1.
Рисунок 1 - Блок-схема, що реалізовує алгоритм знаходження відстані ось точки М до кожного проводу та їх зображень, а також між проводами і зображеннями
2. Розраховуються потенційні коефіцієнти, так звана перша група формул Максвелла:
де 
- відстань від першого проводу, куди поміщена точка М, до його дзеркального зображення, - Відстань від першого проводу до другого.
Формується матриця
Алгоритм розрахунку представлений на рис 2.
Рисунок 2 - Блок-схема, що реалізовує розрахунок потенційних коефіцієнтів
Для знаходження визначника матриці формується окрема підпрограма методу Гауса "Opredelitel", блок схема якої представлена на рис 3.
Рисунок 3 - Блок-схема знаходження визначника методом Гауса
де 
- алгебраїчне доповнення, яке виходить з визначника системи 
.
Для розрахунку ємнісних коефіцієнтів звертаємося до підпрограмі "Opredelitel", розраховуємо мінори і визначник матриці. Блок-схема представлена на рис 4.
Рисунок 4 - Блок-схема розрахунку ємнісних коефіцієнтів
4. Вважаємо, що потенціали відомі і рівні номінальній напрузі мережі:
Вирішуємо систему рівнянь, другу группу формул Максвелла:
Алгоритм розрахунку представлений на рис 5.
Рисунок 5 - Блок-схема розрахунку зарядів
5. Знаходимо потенціал в заданій точці М:
Алгоритм наведений у вигляді блок-схеми на рис. 6.
Рисунок 6 - Блок-схема визначення потенціалів
Важливою частиною магістерської роботи є створення програми розрахунку великих переходів повітряної ЛЕП на прикладі переходу через водні простори.
Однією з основних завдань, розв'язуваних при проектуванні великих переходів повітряних ліній (ПЛ) електропередачі в рамках УД САПР ВЛ ДонНТУ, є визначення параметрів цих переходів: стріл провисання і довжини дроту на переході, який проектується.
Загальноприйнята методика для вирішення цього завдання заснована на теорії ланцюгової лінії з використанням відомого кубічного рівняння стану дроту, який виводиться з кривої провисання проводу по параболі. Однак, як показують результати проектних розрахунків для проводів великих переходів ПЛ, це призводить у ряді випадків до неприпустимих погрішностей у величинах стріл провисання проводу в переході.
З метою їх зниження доцільне використання теорії ланцюга рівного опору, яка є більш суворою і дозволяє одержати порівняно прості рішення задач розрахунку проводів великих переходів ПЛ з урахуванням, наприклад, таких чинників, як вага гірлянд ізоляторів.
Крім того, ця теорія дозволяє також пояснити сталість величини стріли провисання проводу в переході ПЛ при великих навантаженнях і гололедних при особливо міцній ожеледі, оскільки вона заснована на припущенні сталості напруги в матеріалі проводу по всій його довжині в переході.
Метою є розробка варіанта комп'ютерної програми розрахунку великих переходів ПЛ, який може бути використаний студентами спеціальності «Електричні системи та мережі» в навчальному процесі підготовки фахівців на кафедрі "Електричні системи".
Алгоритм програми побудований на новій формі запису рівняння стану проводу в прогоні ПЛ з використанням теорії кола рівного опору, а також на розрахункових виразах для визначення стріли провисання і довжини проводу в прогоні ПЛ на переході, які розроблені на кафедрі електричних систем ДонНТУ.
Навчальний варіант програми розрахунку параметрів великих переходів ПЛ через водні простори являє собою програмний продукт, написаний мовою DELPHI.
У програмі, яка розроблена, використані метод дотичних для вирішення основного рівняння стану проводи й метод половинного поділу при визначенні параметру х0. Програма передбачає введення розрахункових параметрів по дроту і тросу до бази даних з наступним їх використанням без повторного введення проектувальником ПЛ.
Інтерфейс програми розрахунку великих переходів через водні простори показано на рис 7.
Для контрольного варіанту з метою налагодження програми та перевірки правильності розрахунків великого переходу ВЛ 150 кВ через водні простори за запропонованими виразами був використаний наступний чисельний приклад, який відображає по суті алгоритм розрахунку переходу ПЛ через судноплавну річку.
Припустимо, що потрібно визначити габарит на переході при температурі 40 ° С для проводу АС-400/93, змонтованого через судноплавну річку з прольотом 700м і різницею точок підвісу дротів на опорах 67,73 м.
Кліматичні умови наступні:
- вища температура повітря 400 С;
- температура утворення ожеледі - 50 С;
- IV район за ожеледдю;
- III район за вітром.
Інтерфейс програми і результати контрольного розрахунку великого переходу наведено на рис 8.
Рисунок 8 - Поетапне виконання контрольного розрахунку великого переходу (анімація: об'єм - 67,1 КБ; розмір - 800x570; кількість кадрів - 5; затримка між кадрами - 300 мс; затримка між останнім і першим кадрами - 350 мс; кількість циклів повторення - 5)
За результатами розрахунків можна стверджувати, що розрахунковий габарит 35,34 м не суперечить нормативам, наведеним у ПУЕ
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.
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.