ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ СВЕРХВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

ГЛАВА СЕДЬМАЯ

7.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЛЭП СВЕРХВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

В области строительства и эксплуатации линий сверхвысокого напряжения наша страна уже многие годы занимает передовое место в мире. Наш опыт в этой области изучается и используется во всем мире. Серьезное внимание партия и правительство уделяют развитию этих линий и в настоящее время (см. § В.1).

В материалах XXVII съезда КПСС и в Энергетической программе предусмотрено к 1990 г. ввести в действие первую очередь линии электропередачи постоянного тока напряжением 1500 кВ Экибастуз—Центр и линии электропередачи переменного тока напряжением 1150 кВ Сибирь — Казахстан—Урал, а также продолжить работы по дальнейшему развитию Единой энергетической системыстраны.

Линии электропередачи с номинальным напряжением 330—1150 кВ называют линиями сверхвысокого напряжения, или межсистемными связями. Для таких линий характерны большая протяженность (более 500 км) и значительная передаваемая мощность (более 500 MB·А на одну цепь). Изоляция линий сверхвысокого напряжения определяется в основном кратностью внутренних перенапряжений с принудительным ограничением их специальной защитой до 2,5 и ниже. В линиях электропередачи сверхвысокого напряжения применяется расщепление проводов. По мере развития энергосистем назначение мощных электропередач может изменяться по сравнению с первоначальным. Так, в первый период эксплуатации электропередачи Куйбышев—Москва назначение ее состояло в передаче дешевой электроэнергии от Волжской ГЭС им. В. И. Ленина в Московскую энергосистему. После сооружения линии связи этой станции с Уралом и промежуточных подстанций электропередача наряду с прежним назначением приобрела характер межсистемной связи.

Целесообразность передачи электрической энергии по ЛЭП сверхвысокого напряжения от мощной электростанции определяется сравнением двух возможных вариантов: 1) сооружение ЛЭП сверхвысокого напряжения и передача электроэнергии от станции, сооруженной далеко от потребителя, но рядом с источником дешевой энергии; 2) перевозка топлива и строительство электрической станции в промышленной зоне, т. е. рядом с потребителем. При сравнении обоих вариантов надо учитывать не только приведенные затраты, но и вопросы экологии.

Линия электропередачи сверхвысокого напряжения имеет ряд особенностей, отличающих ее от других элементов электроэнергетической системы. Это в первую очередь учет распределенности параметров и волновых свойств линии необходимость применения специальных устройств и мероприятий для управления режимом линии и увеличения передаваемой по ней мощности. Указанные особенности линии сверхвысокого напряжения требуют более подробного рассмотрения данного элемента электроэнергетической системы.

 

7.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ЛЭП СВЕРХВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Учет распределённости параметров. В линиях сверхвысокого напряжения появляется необходимость в той или иной мере учитывать волновой характер передачи электроэнергии. При этом анализ работы подобных электропередач должен основываться на представлении линии длиной как цепи с распределенными параметрами (рис. 7.1),

где каждый малый элемент линии обладает активным и индуктивным сопротивлениями, а также активной и емкостной проводимостями.

Будем считать, что параметры линии (активное и индуктивное сопротивления, активная и емкостная проводимости) равномерно распределены вдоль ее длины. Такое представление о линии электропередачи связано с некоторой идеализацией, поскольку ряд факторов, например наличие провеса проводов в пролете, изменяют равномерность распределения индуктивности и емкости проводов.

Наличие токов, текущих через активную и реактивную проводимости электропередач, приводит к тому, что ток вдоль линии не остается постоянным. Последнее является дополнительной причиной изменения напряжения по длине линии. Таким образом, напряжение и ток вдоль линии не остаются постоянными. Передача энергии по линии связана с распространением бегущих результирующих волн тока и напряжения, каждую из которых для удобства представляют двумя бегущими — прямой и обратной. При нагрузке, сопротивление которой равно волновому, скорость волны близка к скорости света. Передача активной мощности по линии совершается за счет движения результирующих волн напряжения и тока. Как прямая, так и обратная волна несет активную и реактивную мощность. В реальных линиях перенос мощности сопровождается ее потерями, что находит отражение в изменении амплитуды результирующих волн тока и напряжения при их передвижении вдоль линии со скоростью и. Последнее показано на сие. 7.2, где 1 — результирующая волна

в некоторый момент времени , a 2 и 3 — соответственно для последующих моментов времени и , . Решив дифференциальные уравнения, описывающие электрическое состояние линии с распределенными параметрами при приложении к ее зажимам синусоидально изменяющегося напряжения , можно найти закон распределения напряжениями тока вдоль длинной линии. При этом для некоторой точки, расположенной на расстоянии конца передачи, векторы напряжения и тока, представленные через прямые и обратные волны, могут быть найдены следующим образом:

(7.1)

где , , , — комплексные постоянные интегрирования; — коэффициент затухания (или- постоянная затухания), который характеризует затухание (на единицу длины) волны напряжения (тока) при ее распространении вдоль линии; — коэффициент изменения фазы, характеризующий поворот вектора напряжения (тока) на единиц длины при распространении волны вдоль линии. Основными характеристиками бегущей волны являются фазовая скорость и длина волны. Фазовая скорость, или

Длиной волны, км, называется расстояние между двумя соседними точками на линии, фазы колебаний которых различаются на :

Преобразуя уравнения (7.1), получим основные соотношения, связывающие напряжения , и токи , по концам протяженной линии с ее параметрами , , , :

(7.

2)

--------------------------------------------------------------------------------------------------

z — продольная координата линии, отсчитываемая от места подключения нагрузки.

 

· R ₁ — погонное сопротивление, Ом/м;

· G ₁ — погонная проводимость, 1/Ом·м;

· L ₁ — погонная индуктивность Гн/м;

· C ₁ — погонная ёмкость Ф/м;{\displaystyle Z_{1}=R_{1}+i\omega L_{1}}

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

где , — гиперболические косинус и синус; — волновое сопротивление линии, Ом; — коэффициент распространения волны на единицу длины, 1/км; — длина линии электропередачи, км; 1, 2 — индексы у векторов напряжения (тока) для начала и конца линии соответственно [17].

Волновое сопротивление, определяющее токи прямой и обратной волн по соответствующим напряжениям, является функцией параметров линии электропередачи, связанных с ее конструкцией:

Волновое сопротивление колеблется от 400 Ом для ВЛ с одним проводом в фазе до 270 Ом при расщеплении проводов в фазе на четыре. Аргумент волнового сопротивления с обычно отрицателен, так как , а значение его лежит в пределах 1—2⁰. Коэффициент распространения волны

км. (7.4)

Для ВЛ величина 1/км, причем меньшее значение относится к линиям с одним проводом в фазе, а большее — к линиям, выполненным расщепленными проводами. Значение составляет 0,06—0,065 град/км. Принимая =0,06 град/км, можно найти длину волны напряжения и тока:

км. (7.5 а)

Как коэффициент распространения волны , так и его составляющие и зависят от параметров линии передачи и ее конструктивного исполнения.

Величина характеризует изменение фазы напряжения или тока при распространении волны от конца к началу линии длиной и называется волновой длиной линии , рад или град. Если выразить через длину волны , то может быть записана в следующем виде:

. (7.5а)

Волновая длина линии не тождественна ее геометрической длине и, так же как и , изменяется при изменении частоты и скорости распространения волны .

Расчет ЛЭП сверхвысокого напряжения по схеме замещения с сосредоточенными параметрами. При анализе работы электропередач длиной 200—300 км относительно невысокого номинального напряжения в большинстве случаев можно не учитывать волновой характер передачи электроэнергии. Как правило, режимы работы таких электропередач рассчитывают на основе их схем замещения с сосредоточенными параметрами. Параметры П-образной схемы замещения линии (рис. 7.3, а) определяются следующим образом: — активное сопротивление линии;

—индуктивное сопротивление линии; — активная проводимость; — емкостная проводимость линии.

При длине линии больше 300 км вводят поправочные коэффициенты, учитывающие распределенность параметров [17].

Рассматривая длинную линию как пассивный четырехполюсник (рис. 7.3, б); можно записать соотношения:

;

Сравнив последние уравнения с (7.2), получим

Рассмотрим режимы холостого хода и короткого замыкания. При холостом ходе , и из рис. 7.3,6 следует, что

Из рассмотрения короткого замыкания при очевидно, что

.

Следовательно, коэффициенты четырехполюсника выражаются через параметры линии следующим образом:

; ;

.

 

7.3. ЗАВИСИМОСТЬ НАПРЯЖЕНИЯ И ПЕРЕДАВАЕМОЙ МОЩНОСТИ ОТ ДЛИНЫЛИНИИ

Распределение напряжения вдоль длины линии определяется значением передаваемой мощности. Натуральная мощность течет по линии, когда сопротивление нагрузки на ее конце равно волновому сопротивлению .

Натуральная мощность линии с номинальным напряжением равна

.

Для линий без потерь (, ) натуральная мощность является активной и определяется следующим выражением (рис. 7.4, а):

где с учетом (7.3) I

.

Значения натуральной мощности для ВЛ различных приведены в табл. 6.5.

Рассмотрим соотношения между напряжениями и мощностями в конце и начале линии. Предположив линию без

потерь получим из (7.2) следующие, более простые выражения [17]:

;

. (7.7)

Будем считать, что в конце линии на шины с напряжением включена нагрузка с сопротивлением и мощностью . Предположим, что вектор напряжения в конце линии совпадает с осью действительных величин, T.e. .

При принятых условиях первое из уравнений (7.7) примет вид

. (7.8)

При передаче по линии без потерь натуральной мощности, т. е. при условии , уравнение (7.8) упрощается следующим образом:

. (7.9)

Из выражения для и (7.6) следует

.(7.10)

Если принять и подставить (7.10) в (7.8), то можно получить следующее выражение для напряжения , отстоящего на расстоянии , км, от конца линии:

. (7.11)

С помощью (7.11) можно построить диаграммы распределения напряжения вдоль длины линии при разных соотношениях , и При изменении длины линии от нуля до длины волны в соответствии с (7.5) изменяется от 0 до .

Тогда, как это следует из (7.11), при изменении от до конец вектора напряжения описывает окружность.

На рис. 7.4, б показаны диаграммы распределения напряжения вдоль линии длиной до 6000 км при . Зависимость соответствует передаче мощности , равной натуральной, 2 — больше и 3 — меньше натуральной. Через , обозначены напряжения в точке, расположенной на расстоянии 1000 км от конца линии соответственно при , и . Угол сдвига между напряжениями и при передаче по линии натуральной мощности обозначен .

Из (7.9) или (7.11) при следует, что при зависимость на рис. 7.4, б – это окружность. При передаче по линии активной мощности больше натуральной с увеличением длины линии будет быстрее, чем в предыдущем случае, расти величина . При этом окружность , образованная концом вектора , будет вытягиваться по вертикали, превращаясь в эллипс 2 на рис 7.4, б, меньшая ось которого равна . Если по линии будет передаваться мощность меньше натуральной, то указанная окружность будет сжиматься вдоль той же оси, образуя эллипс 3 (рис. 7.4, б), большая ось которого равна . Предельный случай режимов при — это холостой ход линии (рис. 7.4, в), когда . При этом эллипс 3 вырождается в прямую линию.

При неизменном модуле напряжения в начале линии из рис. 7.4, б можно получить зависимости, приведенные на рис. 7.4, г. При это прямая 1; при — кривая 2, для которой , т.е. напряжение в начале линии больше, чем в конце; при — кривая 3t для которой , т.е. напряжение в начале линии меньше, чем в конце. Аналогичные зависимости можно построить, если поддерживать постоянным напряжение в конце линии.

Для ЛЭП сверхвысокого напряжения характерен переменный режим передачи мощности, что приводит к изменению напряжения вдоль линии. Так, если , то напряжение в конце линии мало, его надо поднимать. При снижении мощности до (в часы минимумов нагрузки) велико, его надо понижать. Кроме того, при минимальных нагрузках уменьшаются потери реактивной мощности в индуктивном сопротивлении линии и появля­ются большие перетоки зарядной мощности , которые создают дополнительные потери

.

Поэтому на ЛЭП сверхвысокого напряжения, как правило, устанавливаются различные компенсирующие устройства (КУ). С помощью КУ выравнивается напряжение вдоль линии, ограничиваются перетоки зарядной мощности. Кроме того, КУ выполняют важные функции, повышая наибольшую передаваемую по линии мощность (см. § 7.4) и обеспечивая баланс реактивной мощности в приемных системах.

На ЛЭП сверхвысокого напряжения применяются синхронные компенсаторы (СК), реакторы (Р) и статические источники реактивной мощности (ИРМ).

Для регулирования реактивной мощности и напряжения, а также для снижения внутренних перенапряжений на ЛЭП сверхвысокого напряжения применяются шунтирующие реакторы. С точки зрения обеспечения желаемого распределения напряжения вдоль линии их целесообразно размещать равномерно. Однако такое решение неприемлемо ни экономически, ни практически, и реакторы обычно устанавливаются на подстанциях (рис. 7.5, а) или

переключательных пунктах (см. рис. 7.12). На подстанциях реакторы могут подключаться непосредственно к линии (Р1), к шинам (Р2), а также на низшее напряжение (РЗ). Способ включения реактора определяется режимами электропередачи.

Следует отметить, что установка реакторов на высоком напряжении эффективна для снижения внутренних перенапряжений. В этих случаях можно применять схему, изображенную на рис. 7.5, б. Реактор Р включается через разрядник, быстро срабатывающий при повышении напряжения более допустимого. Затем автоматически включается выключатель В и реактор подключается к передаче [17].

Зависимость наибольшей передаваемой мощности от длины линии в простейшем случае (линия без потерь) определяется следующим выражением:

,

где , — модули напряжений в начале и конце линии; — волновое сопротивление; — волновая длина линии; (рис. 7.5, а).

В соответствии с (7.5) длина волны =6000 км. Если длина линии равна длине волны, то волновая длина линии , В этом случае в линии без потерь ,

так как . При =3000 км — и соответственно При =1500 и =4500 км и . При этих длинах линии определяется напряжениями и волновым сопротивлением.

С точки зрения передачи наибольшей мощности наиболее выгодными являются линии длиной 3000 и 6000 км. Физически при этих длинах имеют место резонансы, так как индуктивное и емкостное сопротивления линий равны и результирующее реактивное сопротивление равно нулю. При этом в линии без потерь теоретически можно передать бесконечную мощность. Кривые 1 на рис. 7.6, а соответствуют этому случаю. При =1500 и 4500 км реактивное сопротивление в линии имеет наибольшее значение и соответственно имеет наименьшее значение по сравнению с другими значениями . Учет , , а также сопротивле­ния генераторов и трансформаторов меняют картину, и по линии при =3000 и 6000 км можно передавать наибольшую, но не бесконечную мощность (кривые 2 на рис. 7.6, а). Можно «настроить» линию искусственным включением емкости С и индуктивности L (рис. 7.6, б) на определенную длину и создать условия для передачи наибольшей мощности. На рис. 7.6, б показаны: 1 — естественные параметры линии, 2 — настраивающие параметры. Наиболее целесообразно для передачи наибольшей мощности настраивать линию на полуволну, т. е. изменять настраивающие параметры С и L, так, чтобы в линии был резонанс. Техническая реализация и эксплуатация линий, настроенных на полуволну, связаны с большими трудностями [17].

 

7.4. ПОВЫШЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ЛИНИИ

Рассмотрим работу электропередачи, состоящей из генератора, повышающего и понижающего трансформаторов и , линии электропередачи Л и нагрузки Н

(рис. 7.7, а).

Схема замещения этой сети приведена на рис. 7.7, б, где — ЭДС в продольной оси; , , — сопротивления трансформаторов, генератора; — сопротивление линии. Пренебрегая активными сопротивлениями, «свернем» сеть и последовательно сложим все реактивные сопротивления (Рис. 7.7, в):

.

Построим векторную диаграмму (рис. 7.8, а). Обознячим угол между векторами и (иногда так обозначают угол между напряжениями конца и начала линии) Из треугольников ОВС и ABC следует, что

.

Умножим последнее равенство слева и справа на и получим

.

Отсюда легко получить следующее важное выражение

.

В рассматриваемом простейшем случае при отсутствии активных сопротивлений

(рис. 7.8,6) .

Зависимость передаваемой по линии мощности от угла при постоянных значениях , , приведена на рис 7.8, в — это синусоида 1.

Пусть мощность первичного двигателя (турбины) генератора постоянна и соответствует прямой . Установившийся режим определяется условием равенства мощностей турбины и электромагнитной мощности генератора Этому условию удовлетворяют точки а и б. Точка а соответствует устойчивому установившемуся режиму при передаче по линии мощности и угле между и , который меньше 90 ⁰.

Пропускная способность электропередачи — это та наибольшая активная мощность, которую с учетом всех технических ограничений можно передать по линии. Технические ограничения определяются: устойчивостью параллельной работы генераторов системы, нагревом отдельных элементов передачи, значением длительно допустимого напряжения, потерями на корону в линии и другими факторами.

Если не учитывать технические ограничения, то пропускная способность равна амплитуде синусоиды на рис. 7.8, в:

.

Чем больше пропускная способность электропередачи , тем большую мощность можно передать по линии. Повышение пропускной способности — важная технико-экономическая задача, так как это позволяет отказаться от строительства дополнительных линий и обеспечить передачу потребителю необходимой мощности. Важно не только повышать пропускную способность сооружаемых линий, но и не допускать аварийного ее снижения. Например, если вследствие аварии пропускная способность понизится до (см. штриховую синусоиду 2 на рис. 7.8, в), то это приведет к уменьшению передаваемой по линии мощности и к отключению потребителя. Режим, соответствующий устойчивой точке а (рис. 7.8,0), не существует при снижении пропускной способности до .

Мероприятия по повышению пропускной способности вновь сооружаемых и существующих электропередач включают, в частности, действие на , и .

ЭДС генератора регулируется током возбуждения генератора. При авариях важно поддерживать возбуждение генератора, т.е. не допускать условия , при котором надо снижать передаваемую по линии мощность. В СССР впервые в мире разработаны регуляторы возбуждения сильного действия, которые при авариях поддерживают постоянным не только ЭДС генератора , но даже напряжение на шинах генератора (см. рис. 7.7, б). Регуляторы сильного действия широко применяются на мощных электростанциях.

Суммарное сопротивление и его составляющие целесообразно уменьшать. Сопротивления генераторов и трансформаторов уменьшают путем применения специальных

сортов сталей и специальных конструктивных решений.

Индуктивное сопротивление линий 330 кВ и более высокого напряжения снижают с помощью расщепления фазы — фазу выполняют не из одного, а из нескольких параллельных проводов (рис. 7.9). В линиях с = 330 кВ провод расщепляется на два, т. е. ; для 500 кВ , при этом = 40 см.

Применение продольной компенсации (рис. 7.10) является одним из целесообразных и распространенных средств повышения пропускной способности линий дальних электропередач. Конденсаторы УПК, включенные последовательно в линию, уменьшают результирующее реактивное сопротивление линии:

.

Мощность и место размещения УПК на линии должны быть обоснованы технико-экономическими расчетами. При умеренной величине продольной компенсации ограничиваются одной УПК на линии. Если сопротивление конденсаторов УПК таково, что компенсируется 50 % или более сопротивления линии, то необходимо выполнить УПК не – меньше чем на двух подстанциях. Сосредоточение слишком большого компенсирующего сопротивления в одном месте приводит к увеличению кратности внутренних перенапряжений и вызывает трудности в обеспечении правильного действия применяющихся в настоящее время устройств релейной защиты.

Применение УПК с на двухцепной линии Куйбышев — Москва позволило увеличить пропускную способность с 1350 до 1800 МВт, т.е. на 34 %; повышение пропускной способности электропередачи Братск — Иркутск с 1150 МВт до 1600 МВт (на 38%) оказалось возможным в результате компенсации около 35 % сопротивления линии [17].

Линии дальних электропередач могут выполняться по блочной или связанной схеме. В блочной схеме электропередача разделена на блоки генератор — трансформатор — линия (рис. 7.11, а). Повреждение любого из элементов

блока приводит к его отключению и к уменьшению мощности электропередачи. Такая схема дешевле связанной, но менее надежна, и ее применение допустимо лишь при наличии большого резерва мощности в приемной системе.

Связанная схема предусматривает объединение параллельных цепей на промежуточных подстанциях (3 на рис. 7.12, а), предназначенных для связи с промежуточными энергосистемами. По дальней передаче со связанной схемой можно передавать не только мощность в приемную энергосистему в конце передачи, но и мощность в промежуточную энергосистему с шин подстанции 3. Возможность передачи мощности в промежуточные энергосистемы очень важна для эффективной работы объединенной энергосистемы.

Промежуточные подстанции делят линию электропередачи на участки, что способствует увеличению пропускной способности электропередачи, так как при повреждении

участка отключается только цепь этого участка, а не вся линия. Кроме того, присоединение промежуточных энергосистем в определенной мере стабилизирует напряжение на подстанции, что также является косвенной мерой увеличения передаваемой по линии мощности. Если на начальном этапе сооружения электропередачи не предполагается строительство промежуточных подстанций, то тогда на линии предусматривают переключательные пункты (ПП на рис. 7.12, а).

При эксплуатации линии очень важно, чтобы уменьшение в послеаварийном режиме было допустимым. Результирующее сопротивление двух параллельных блоков в нормальном режиме (см. рис. 7.11, а)

.

Если из-за аварии отключится один блок, то (см. рис. 7.11, б). При этом увеличится, что приведет к снижению . На рис. 7.11, в приведены зависимости : 1 — для нормального и 2 — для послеаварийного режимов. В послеаварийном режиме меньше, чем мощность первичного двигателя . Чтобы этого не происходило, нельзя допускать существенного снижения .

На дальних электропередачах со связанной схемой промежуточные подстанции или переключательные пункты (рис. 7.12, а) делят длинную линию на короткие участки (200—400 км). Допустим, что сопротивление одной цепи линии равно и длины всех участков одинаковы. При повреждении одной из цепей линии на каком-либо участке последний отключается выключателями промежуточных подстанций или переключательных пунктов с обеих сторон.

До аварии результирующее сопротивление линий равно

.

После аварии отключается только поврежденный участок с сопротивлением и

.

На рис. 7.12, б: 1 — передаваемая мощность в нормальном режиме; 2 — в послеаварийном режиме без промежуточных подстанций или переключательных пунктов; 1’ — в послеаварийном режиме с промежуточными подстанциями