Определение оптимальных параметров грунтовой засыпки при прокладке силовых кабельных

В данной статье рассмотрена проблема технико-экономической эффективности применения материалов с повышенной теплопроводностью при засыпке траншеи силовых кабельных линий. Удельное тепловое сопротивление грунта существенно влияет на допустимые токи кабелей и, как следствие, на выбор их сечения. При высыхании грунта или его изначально высоком тепловом сопротивлении пропускная способность проводников снижается, что зачастую вынуждает использовать кабели большего сечения для обеспечения требуемого тока нагрузки. Одним из способов улучшения условий охлаждения является применение специальной, более дорогой по сравнению с грунтовой, засыпки с пониженными значениями теплового сопротивления. Тогда встает вопрос о технико-экономической целесообразности такого решения, поскольку более дорогой материал может не оправдать себя в ряде случаев. Предложена методика оптимизации, основанная на вычислении приведенных затрат, учитывающих стоимость кабеля, строительство линий и эксплуатационные расходы. Разработанная модель учитывает влияние как нормального, так и послеаварийного режимов работы. Показано, что повышение пропускной способности за счет специальной засыпки может позволить снизить сечение кабеля на одну ступень и, таким образом, компенсировать затраты на более дорогой материал. В противном случае применение специальных засыпок становится нецелесообразным. Для решения оптимизационной задачи использован генетический алгоритм, реализованный в среде MS Excel. Приведены результаты расчетных примеров, показывающих, что предлагаемая методика и алгоритм могут использоваться для различных напряжений и условий прокладки, позволяя проектировщику выбрать эффективные параметры конструкции кабельной линии

1. Weedy, B. Underground Transmission of Electric Power / B. Weedy. New York : John Wiley and Sons. 1980. 232 p.

2. Бронгулеева, М. Н. Кабельные линии высокого напряжения / М. Н. Бронгулеева, С. С. Городецкий. Л.; М. : Госэнергоиздат, 1963. 512 с.

3. Anders, G. J. Rating of Electric Power Cables in Unfavorable Thermal Environment; John Wiley & Sons: Hoboken, NJ, USA, 2005.

4. Ocłon, P. Renewable Energy Utilization Using Underground Energy Systems. Springer International Publishing, Cham, Switzerland, 2021. (Lecture Notes in Energy; vol. 84). https://doi.org/10.1007/978-3-030-75228-6.

5. Leon, F. de. Effects of Backfilling on Cable Ampacity Analyzed With the Finite Element Method / F. de Leon, G. J. Anders // IEEE Transactions on Power Delivery. 2008. Vol. 23, No 2. P. 537–543. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2008.917648.

6. Gouda, O. E. Effect of the Formation of the Dry Zone Around Underground Power Cables on Their Ratings / O. E. Gouda, A. Z. El Dein, G. M. Amer // IEEE Transactions on Power Delivery. 2011. Vol. 26, No 2. P. 972–978. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2010.2060369.

7. Gouda, O. E. Improving Underground Power Distribution Capacity Using Artificial Backfill Materials / O. E. Gouda, A. Z. El Dein // IET Gener. Transm. Distrib. 2015. Vol. 9, No 15. P. 2180–2187. https://doi.org/10.1049/iet-gtd.2015.0274.

8. Multiobjective Optimization of Underground Power Cable Systems / P. Ocłoń, M. Rerak, R. V. Rao [et al.] // Energy. 2021. Vol. 215, Part B. Art. 119089. https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.119089.

9. Ocłoń, P. Analysis of an Application Possibility of Geopolymer Materials as Thermal Backfill for Underground Power Cable System / P. Ocłoń, P. Cisek, M. Matysiak. Clean Techn Environ Policy. 2021. Vol. 23. P. 869–878. https://doi.org/10.1007/s10098-020-01942-8.

10. Ocłoń, P. The Effect of Soil Thermal Conductivity and Cable Ampacity on the Thermal Performance and Material Costs of Underground Transmission Line / P. Ocłoń. Energy. 2021. Vol. 231. Art. 120803. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.120803.

11. Czapp, S. Optimization of Thermal Backfill Configurations for Desired High-Voltage Power Cables Ampacity / S. Czapp, F. Ratkowski // Energies. 2021. Vol. 14. Art. 1452. https://doi.org/10.3390/en14051452.

12. Cichy, A. Economic Optimization of an Underground Power Cable Installation / А. Cichy, B. Sakowicz, M. Kaminski // IEEE Transactions on Power Delivery. 2018. Vol. 33, No 3. P. 1124–1133. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2017.2728702.

13. Cichy, A. Detailed Model for Calculation of Life-Cycle Cost of Cable Ownership and Comparison with the IEC Formula / А. Cichy, B. Sakowicz, M. Kaminski // Electric Power Systems Research. 2018. Vol. 154. P. 463–473. https://doi.org/10.1016/j.epsr.2017.09.009.

14. Поспелов, Г. Е. Электрические системы и сети: учеб. / Г. Е. Поспелов, В. Т. Федин, П. В. Лычев. Минск: УП «Технопринт», 2004. 720 с.

15. Герасименко, А. А. Электрические системы и сети : учеб. пособие для студ. / А. А. Герасименко, В. Т. Федин. Ростов-на-Дону: Феникс, 2023. 473 с.

16. Electric cables. Calculation of the Current Rating. Part 3–2: Section on Operating Conditions – Economic Optimization of Power Cable Size : IEC 60287-3-2:2012. Geneva: IEC, 2012. 42 p.

17. Высоцкий, М. Э. Выбор конструктивного устройства кабельных линий напряжением 10 кВ по критерию минимума приведенных затрат / М. Э. Высоцкий // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2024. Т. 67, № 6. С. 488–500. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2024-67-6-488-500.

18. Heat-conducting Concrete // Heidelberg Materials. URL: https://www.heidelbergmaterials.co.uk/en/ready-mixed-concrete/heat-conducting-concrete.

19. Силовые кабельные линии напряжением 6–110 кВ. Нормы проектирования по прокладке кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена пероксидной сшивки: ТКП 611–2017. Минск : Мин-во энергетики Республики Беларусь, 2017. 103 с.

20. IEC 60287-1-1:2023. Electric Cables – Calculation of the Current Rating. Part 1–1: Current Rating Equations (100 % load factor) and Calculation of Losses General. URL: https://stan dards.iteh.ai/catalog/standards/iec/164f72dc-b67a-496b-af43-97e28a944a7b/iec-60287-1-1-2023.

21. Calculation of the Current Rating. Part 2–1: Thermal Resistance – Calculation of Thermal Resistance: IEC 60287-2-1:2023. URL: https://standards.iteh.ai/catalog/standards/iec/9a2a 6795-afb1-4194-97ae-9eef8d36e808/iec-60287-2-1-2023.

22. El-Kady, M. A. Extended Values for Geometric Factor of External Thermal Resistance of Cables in Duct Banks / M. A. El-Kady, D. J. Horrocks // IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems. 1985. Vol. PAS-104, № 8. P. 1958–1962. https://doi.org/10.1109/TPAS.1985.318767.

23. Гладков, Л. А. Генетические алгоритмы / Л. А. Гладков, В. В. Курейчик, В. М. Курейчик; под ред. В. М. Курейчика. 2-е изд., исправ. и доп. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. 368 с.

24. Оптимизация топологии сети с ВИЭ-генерацией на основе модифицированного адаптированного генетического алгоритма / А. М. Брамм, А. И. Хальясмаа, С. А. Ерошенко [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2022. Т. 65, № 4. С. 341–354. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2022-65-4-341-354.

25. Trautmann, N. On an application of Microsoft Excel’s Evolutionary Solver to the Resource-constrained Project Scheduling Problem RCPSP / N. Trautmann, M. Gnägi // IEEE International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management (IEEM), Singapore, 2015. Р. 646–650. https://doi.org/10.1109/IEEM.2015.7385727.

26. Keisler, J. M. (2024). Optimization: Excel Solver / J. M. Keisler // Prescriptive Analytics. Springer Texts in Business and Economics. Springer, Cham, 2024. P. 221–246. https://doi.org/10.1007/978-3-031-59353-6_10.