Тема: параметри та схеми заміщення елементів електричних мереж

Лекція 3. Схеми заміщення ліній електропередавання.

Лінія електропередавання характеризується активним та індуктивним опорами, а також активною і ємнісною провідностями, рівномірно розподіленими вздовж лінії. При розрахунку режимів вона може бути представлена однофазною П-подібною схемою заміщення із зосередженими параметрами – активним ( ) і реактивним ( ) опорами та активною ( ) і реактивною ( ) провідностями (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 - Схема заміщення лінії

Для повітряних ліній довжиною до 300 км і кабельних ліній довжиною до 50 км параметри схем заміщення можна наближено визначити за формулами

, (2.1)

де – погонні параметри лінії; l – довжина лінії. Для ліній більшої довжини параметри схем визначають з врахуванням їх рівномірного розподілення, як для довгих ліній.

Активний опір фази r₀ (Ом/км) трифазної лінії характери-зує теплові втрати в лінії при протіканні змінного струму і залежить від матеріалу та поперечного перерізу проводів. Для ліній, виконаних проводами з кольорового металу, активний опір проводів прирівнюють до омічного опору і визначають за формулою

, (2.2)

де – питомий електричний опір матеріалу проводу, Ом·мм²/км;

F – площа поперечного перерізу проводу, мм² .

У практичних розрахунках приймають за довідником при середній температурі навколишнього середовища +20 ^°C. Для інших значень температури активний опір алюмінієвих і сталеалюмінієвих проводів можна визначити за формулою

. (2.3)

Активний опір лінії, виконаної сталевими проводами, значно більший від опору лінії, виконаної проводами з кольорового металу. У сталевих проводах мають місце додаткові втрати активної потужності на перемагнічування сталі (гістерезис) і втрати від вихрових струмів, величина яких залежить від магнітного потоку. Тому активний опір сталевих проводів визначають експериментально й задають у довідниках в залежності від їх перерізу та струму навантаження.

Індуктивний опір лінії зумовлений магнітним полем, що виникає навколо і всередині проводів при протіканні по них змінного струму. Електрорушійна сила індукції наводиться в кожному проводі лінії магнітними потоками трьох фазних проводів і протидіє зміні струму. Величина індуктивного опору залежить від результуючого потокозчеплення фази, тобто від взаємного розміщення проводів, їх діаметра й частоти змінного струму. Так, при розміщенні проводів у вершинах рівнобічного трикутника потокозчеплення фаз і наведені в них ЕРС є однаковими, тому індуктивні опори фазних проводів також однакові.

При частоті змінного струму 50 Гц індуктивний опір фази (Ом/км) трифазної симетричної лінії можна розрахувати за формулою

, (2.4)

де D_ср – середньогеометрична відстань між фазними проводами; R_пр– радіус проводу; μ – магнітна проникність матеріалу проводу. Для проводів, виготовлених з кольорових металів, .

Середньогеометрична відстань між проводами трифазної лінії

, (2.5)

де – відстані між проводами окремих фаз (рисунок 2.2, а).

При розміщенні фаз у вершинах рівнобічного трикутника (рисунок 2.2, б)

а) б) в)

а - у вершинах трикутника; б - у вершинах рівнобічного трикутника; в - горизонтальне

Рисунок 2.2 – Розміщення проводів на опорах повітряних ліній

Для горизонтального розміщення проводів (рисунок 2.2, в)

. (2.6)

У випадку горизонтального розміщення проводів з метою вирівнювання індуктивних опорів фаз і усунення несиметрії на лініях довжиною понад 100 км виконують транспозицію проводів, тобто в окремих точках траси лінії фазні проводи на опорах міняються місцями (рисунок 2.3).

Як видно з формули (2.4), індуктивний опір лінії зменшується при зменшенні відстані між фазними проводами, тому його величина для кабельних ліній є меншою порівняно з повітряними лініями і в більшості випадків при розрахунку режимів цією величиною нехтують. Значення індуктивних опорів повітряних і кабельних ліній задають у довідниках.

Для ліній зі сталевими проводами індуктивний опір в основному зумовлений магнітним полем, що виникає всередині самого проводу (магнітна проникність сталі ). Значення індуктивних опорів таких ліній задають у довідниках залежно від перерізу проводів і струму навантаження.

Рисунок 2.3 – Транспозиція проводів лінії

На лініях електропередавання напругою 330 кВ і вище з метою зниження напруженості електричного поля й зменшення втрат потужності, пов’язаних з іонізацією повітря, виконують розщеплення фаз, тобто у кожній фазі підвішують не один, а декілька проводів, що відповідає еквівалентному збільшенню радіуса проводу.

Індуктивний опір фази з розщепленими проводами розраховують за формулою

, (2.7)

де – еквівалентний радіус розщепленого проводу фази; n – кількість проводів у розщепленій фазі.

Еквівалентний радіус розщепленої фази

, (2.8)

де R_пр– радіус проводів у розщепленій фазі; а_ср– середньогеометрична відстань між проводами розщепленої фази.

При розщепленні фаз індуктивний опір лінії зменшується, внаслідок чого збільшується пропускна здатність лінії.

Для двоколових ліній індуктивний опір кожного з кіл з достатньою для практичних розрахунків точністю визначають без врахування електромагнітного впливу іншого кола.

Активна провідність лінії зумовлена втратами активної потужності в діелектриках. У повітряних лініях ці втрати пов’язані з явищем корони і недосконалістю ізоляції. Однак струми витоку через ізолятори малі і втратами потужності в них можна знехтувати.

Втрати на корону викликані іонізацією повітря навколо проводів, яка виникає при напруженостях електричного поля на поверхні проводів, більших від електричної міцності повітря. При цьому спостерігається слабе світіння проводів ("корона") і потріскування, пов’язане з частковими електричними розрядами.

Напруженість електричного поля (кВ/см) на поверхні проводів трифазної лінії електропередавання

, (2.9)

де U – робоча напруга лінії, кВ.

Як видно з виразу (2.9), напруженість електричного поля на поверхні проводів можна зменшити при збільшенні діаметра проводів чи відстані між ними. При збільшенні відстані між проводами збільшуються габарити опор і вартість лінії. Відстань між проводами значно менше впливає на величину напруженості електричного поля, ніж діаметр проводів, тому з метою зменшення втрат на корону збільшують діаметр проводів. Мінімальні перерізи проводів повітряних ліній за умовою корони відповідають таким маркам проводів: для ліній напругою 110кВ - AC-70; 150 кВ - AC-120; 220кВ - AC-240. При вірно вибраних перерізах проводів втрати на корону в повітряних лініях напругою 110-220 кВ можна не враховувати. В лініях напругою 35 кВ і нижче втрати на корону практично відсутні.

Одним з ефективних способів зниження напруженості електричного поля й зменшення втрат на корону в лініях напругою 330 кВ і вище є розщеплення фаз ліній, що призводить до збільшення еквівалентного радіуса фази. При цьому, як вже відзначалося, зменшується індуктивний опір ліній і збільшується їх пропускна здатність.

У лініях напругою 330 кВ здійснюють розщеплення кожної фази на два проводи, 500 кВ - на три проводи, 750 кВ - на чотири або п’ять проводів. Середньорічні втрати на корону (кВт/км) для повітряних ліній напругою 220 кВ і вище знаходять за довідником у залежності від перерізу і кількості проводів у фазі.

Активна провідність фази (См/км) трифазної лінії

, (2.10)

де – втрати потужності на корону, МВт/км; U– середньоексплуатаційна напруга, кВ.

Активну провідність ліній напругою 330 кВ і вище враховують у схемах заміщення відборами потужності (рисунок 2.4). Аналогічно враховують діелектричні втрати в кабельних лініях напругою 35 кВ і вище.

Рисунок 2.4 – Схема заміщення повітряних ліній