книги из ГПНТБ / Мельников, Н. А. Проектирование электрической части воздушных линий электропередачи 330-500 кВ

в некоторых узлах сети оказываются при этом ограниченными, то следует предположить

О I = № і О

Ач«І lk„iy до«Г

откуда определяется соотношение между значениями AQ:

Ä Q o = - r a - , UOKAQK= CKAQll.

Поскольку при этом изменяются и потери активной мощно­ сти в сети, то должна быть внесена поправка в значения произ­ водных

Рд= 2Re [U“1RU” 1(1 + С Н)].

Наивыгоднейшим является такое решение, при котором зна­ чение производной получается наибольшим отрицательным, ес­ ли изменение реактивной мощности в соответствующем другом узле оказывается допустимым при заданных ограничениях по мощности. В противном случае число степеней свободы еще со­ кращается за счет вынужденного изменения реактивной мощно­ сти еще в одном или нескольких узлах.

Данная логическая операция также может быть возложена на ЦВМ. Как видно, ограничения по напряжению приводят к до­ статочно быстрому снижению числа степеней свободы и опреде­ лению наивыгоднейшего рабочего режима.

Практически очень важно уже при проектировании сети сверхвысокого напряжения учесть возможности повышения эко­ номичности работы всей электрической системы в дальнейшем, в процессе ее эксплуатации, при введении этой сети в действие. Существенно, что, как правило, при этом обнаруживается воз­ можность уверенного обоснования выбора основных параметров отдельных линий сети или регулирующих и компенсирующих устройств, так как при этом более полно учитываются возмож­ ности повышения экономичности всей энергосистемы в целом.

Так, в ряде случаев может оказаться выгодным увеличение расчетной пропускной способности той или иной электропереда­ чи или установка дополнительного регулирующего устройства, так как достигаемая при этом экономия оправдывает соответ­ ствующие дополнительные затраты.

Наоборот, может оказаться, что установка какого-либо ком­ пенсирующего устройства в действительности не оправдывается, хотя его применение представляется на первый взгляд целесо­ образным.

396

Глава шестнадцатая

НЕ С И М М Е Т Р И Ч Н Ы Е

РЕ Ж И М Ы

Р А Б О Т Ы С Е Т Е Й

16-1 ПРИЧИНЫ

ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

Основными причинами возникно­ вения несимметричных режимов работы электросетей сверхвы­ соких напряжений являются: наличие крупных несимметричных нагрузок, различие параметров фаз у отдельных элементов се­ ти и неполнофазная работа отдельных устройств. В общем слу­ чае все эти причины могут существовать одновременно. В той или иной мере первые две причины существуют практически всегда. Поэтому, строго говоря, рабочие режимы электросети всегда несимметричны. Однако степень несимметрии при этом обычно получается сравнительно небольшой, допустимой, не ме­ шающей рассматривать рабочий режим приблизительно как сим­ метричный. Вместе с тем получаемая несимметрия параметров режима должна проверяться как при проектировании, так и в условиях эксплуатации. Во всяком случае она всегда ухудшает технико-экономические показатели работы сети.

Значительно большую несимметрию параметров режима обычно вызывает неполнофазная работа отдельных элементов сети. В большинстве случаев такие условия возникают в послеаварийных режимах — при неполнофазном управлении линия­ ми, трансформаторами, реакторами, конденсаторами. Во многих случаях такие режимы оказываются недопустимыми, поэтому неполнофазное управление в сетях сверхвысоких напряжении еще не получило достаточно широкого применения, хотя практи­ чески имеет большое положительное значение.

В настоящее время несимметричные нагрузки могут иметь достаточно большую мощность. Так, например, тяговые нагруз­ ки на подстанциях, от которых получают питание контактные сети переменного тока промышленной частоты, могут достигать 50 МВт и более. Эти нагрузки по существу являются двухфазны­

397

ми, так как контактные провода расходятся в двух противопо­ ложных направлениях и могут быть присоединены только в двух фазах; третья получается соединенной с рельсами, т. е. зазем­ ленной (со стороны пониженного до 28 кВ напряжения). При этом нагрузки отдельных фаз изменяются во времени практиче­ ски взаимно независимо.

Следует отметить при этом, что такие несимметричные на­ грузки существенно отличаются от обычных еще и тем, что до­ статочно быстро изменяются во времени. Поэтому анализ вы­ зываемых ими несимметричных режимов должен производиться на основе их статистического определения с помощью вероят­

получается, например, в послеаварийиых режимах — до восста­ новления нормальной полнофазной работы поврежденного эле­ мента сети. Постоянным оно может быть в связи с выполнением линий электропередачи с удлиненными циклами транспозиции проводов. Обычно вызываемая при этом несимметрия парамет­ ров оказывается сравнительно малой, но из-за постоянства дей­ ствия может оказаться нежелательной по тем или иным при­ чинам.

В настоящее время имеется тенденция к более широкому при­ менению неполнофазных режимов. Они позволяют повысить надежность электроснабжения, сократить резерв, удешевить со­ оружение. В случаях получения технически недопустимых пара­ метров режима (вследствие их несимметрии), могут быть при­ менены средства их симметрирования, т. е. снижения степени не­ симметрии. В ряде случаев это не требует дополнительных затрат и может быть обеспечено с помощью имеющегося обору­ дования.

Эти возможности в настоящее время целесообразно учиты­ вать уже в процессе проектирования. При этом могут быть обес­ печены более выгодные в экономическом отношении варианты. Дело в том, что симметрирующие устройства приходится преду­ сматривать в связи с возникновением несимметрии в нормаль­ ных рабочих режимах. Следует выяснять целесообразность при­ менения симметрирующих устройств большей мощности для ис­ правления рабочих режимов в послеаварийных условиях в целях сокращения резерва и снижения стоимости вариантов. При этом возникают и новые задачи: выбор параметров, типа и мест размещения симметрирующих устройств, а также наиболее це­ лесообразного их использования в условиях эксплуатации.. Все это дает возможность получать оптимальные решения при про­ ектировании электрических систем.

В ряде случаев может возникнуть и задача автоматизации процессов симметрирования, т. е. автоматического изменения па­

398

раметров симметрирующих устройств в зависимости от степени нарушения симметрии параметров режима. Такое регулирование может потребоваться как по техническим условиям — в связи с недопустимостью возникающей несимметрии параметров ре­ жима, так и по экономическим условиям — в связи с неэконо­ мичностью несимметричного режима, параметры которого допу­ стимы по техническим условиям.

Неэкономичность несимметричных режимов может быть обу­ словлена дополнительными потерями энергии, за счет экономии которых могут быть оправданы соответствующие симметрирую­ щие устройства или увеличение их мощности. При быстроизменяющихся несимметричных нагрузках большой мощности в от­ дельных случаях могут потребоваться даже автоматически ре­ гулируемые симметрирующие устройства с безынерционно действующими системами регулирования.

Несимметрия токов и напряжений может приводить к ряду нежелательных явлений и ненормальностей в работе систем электроснабжения. Эти явления могут быть как в допустимых пределах, так и за их пределами. Если в первом случае возника­ ет задача повышения экономичности, то во втором — устранения причин возникновения несимметрии, некоторых ограничений по величине или времени действия, а в некоторых случаях требу­ ется и применение специальных мер борьбы с этими явлениями.

Обычно несимметрию определяют значениями токов и напря­ жений обратной и нулевой последовательностей в разных местах сети. В длительных рабочих режимах эти величины могут дости­ гать значений нескольких процентов соответствующих значений токов и напряжений прямой последовательности. Обычно наи­ большие ограничения по техническим условиям имеют место для

электроснабжения. Первое обусловлено увеличением тока в од­ ной фазе, а второе — увеличением потерь активной мощности и энергии в системе электроснабжения в целом, включая и при­ емники электроэнергии.

Общим для напряжений обратной и нулевой последователь­ ностей является «перекос» фаз, т. е. различие фазных значений напряжений с соответствующим дополнительным воздействием на изоляцию. Напряжения обратной последовательности на за­ жимах генераторов и приемников электроэнергии обычно полу­ чаются несколько меньшими, чем в сети, где имеется причина несимметрии, но изменение этих величин по сети может быть сравнительно небольшим, поскольку малыми оказываются токи обратной последовательности.

399

Напряжение обратной последовательности, подведенное к за­ жимам как синхронных, так и асинхронных электрических ма­ шин, вызывает появление вращающегося магнитного поля про­ тивоположного (по сравнению с направлением вращения рото­ ра) направления и, как следствие, появление токов двойной частоты (в асинхронных машинах — почти двойной частоты) в массивных частях роторов этой машины и в их обмотках.

В результате в машине происходит дополнительный нагрев, который может потребовать снижения нагрузки по условиям теплового режима. При номинальной нагрузке машины напря­ жение обратной последовательности на зажимах ее ограничива­ ется приблизительно следующими величинами: для асинхронно­ го двигателя — примерно 2%, а для генераторов — в случае тур­ богенератора— 1%, в случае гидрогенератора — 3%.

Токи нулевой последовательности вызывают электромагнит­ ное воздействие на низкочастотные проводные каналы связи, сигнализации и блокировки. Кроме того, длительное протекание их через заземлители вызывает высушивание грунта и ухудше­ ние его проводящих свойств, т. е. увеличение сопротивления рас­ теканию. При этом ухудшается работа заземляющих устройств, повышаются напряжения прикосновения и шага.

Токи обратной и нулевой последовательностей могут приво­ дить к неправильной работе релейных защит, которые поэтому должны отстраиваться от них, если последние возникают в нор­ мальных рабочих режимах данной сети. Недопустимые для ре­ лейной защиты токи могут возникать на отдельных участках параллельно работающих линий (например, при отключении од­ ного из шести проводов на двухцепной линии). За пределами этого участка сети несимметрия может быть сравнительно не­ большой, не приводящей к нежелательным последствиям.

Перечисленные факторы показывают, что несимметричные режимы должны рассчитываться и анализироваться. Требуется проверка технической допустимости того или иного режима и его экономической целесообразности. В случае технической непри­ емлемости какого-либо режима должно приниматься решение, связанное с исключением его, или с применением соответствую­ щих мероприятий, в частности симметрирующих устройств.

Выбор наивыгоднейшего решения должен производиться обычным путем: на основе технико-экономического расчета по критерию минимума приведенных затрат. Во многих случаях применение симметрирующего устройства может оказаться эко­ номически выгоднее, чем исключение несимметричного режима. В ряде случаев исключение несимметричного режима оказывает­ ся невозможным или нецелесообразным по другим соображени­ ям. Так получается в случае несимметричных тяговых нагрузок.

Несимметричные режимы могут возникать не только вынуж­ денно, как это получается в случае электроснабжения несиммет­ ричных нагрузок, но и преднамеренно. В последнем случае не­

400

симметричные режимы допускаются в связи с некоторыми пре­ имуществами, которые при этом достигаются.

Пофазное управление элементами оборудования позволяет отключать только одну поврежденную фазу и оставлять в рабо­ те остальные, неповрежденные. При этом оставшаяся часть обо­ рудования продолжает выполнять свои функции, хотя и не в полной мере. Как правило, отключение всех трех фаз при по­ вреждении только одной приводит к большему снижению про­ пускной способности, а следовательно, требует большего резер­ ва, т. е. больших затрат. Это может оправдать применение до­ полнительных симметрирующих устройств.

Пофазное управление изменяет представление о надежностиэлектроснабжения. Действительно, одноцепная линия не обеспе­ чивает достаточной надежности электроснабжения, если она имеет трехфазное управление и, следовательно, отключается прилюбом однофазном повреждении. Применение устройства АГІВуже значительно повышает надежность ее работы, поскольку большое количество повреждений оказывается проходящими. Поскольку основная масса повреждений, в том числе и устойчи­ вых, относится к однофазным, то пофазное отключение дополни­ тельно улучшает положение: отключение поврежденной фазы оставляет неполнофазную линию в работе; электроснабжение при этом не прерывается, но показатели качества электроэнер­ гии ухудшаются. Если они оказываются недопустимыми, то при­ ходится использовать симметрирующие устройства.

Возможность неполнофазной работы по техническим услови­ ям заранее обычно неизвестна и требует проверки. Тем болеетребуется выбор параметров симметрирующего устройства.. Если, например, линия имеет характер соединительной линии, то при несколько сниженной ее нагрузке несимметрия в сети может оказаться в допустимых пределах и не потребует допол­ нительных мероприятий. Если линия является питающей для целого района, то допустимым несимметричный режим может оказаться только в случае применения симметрирующего уст­ ройства. Однако и в этом случае применение несимметричногорежима может оказаться экономически обоснованным, так как применение симметрирующего устройства требует меньших за­ трат, чем сооружение второй цепи линии.

При наличии симметрирующих устройств достаточной мощ­ ности в отдельных случаях возможна работа линии даже приотключении двух проводов, т. е. при наличии только одного про­ вода линии и заземленных нейтралей трансформаторов по кон­ цам. Пропускная способность электропередачи при этом, конеч­ но, соответственно снижается. Полное прекращение электроснаб­ жения получается только при трехфазных повреждениях, кото­ рые бывают сравнительно редко.

Пофазное отключение линии целесообразно даже и в тех слу­ чаях, когда линия выполнена двухцепной. При этом отключение-

401

только одного провода поврежденной фазы приводит к меньше­ му снижению ее пропускной способности как по условиям устой­ чивости, так и по условиям нагрева.

Кроме того, пофазное управление на линиях в большинстве случаев облегчает условия электроснабжения при развитии ава­ рии. Так, при трехфазном управлении второе отключение может привести к полному прекращению электроснабжения. При пофазном управлении в самом тяжелом случае (имеются в виду только устойчивые однофазные или двухфазные короткие замы­ кания без заземления) линия оказывается работающей по двум фазам с землей.

Может быть допущено также применение неполнофазного резерва, в частности как временное решение до увеличения на­ грузки до расчетной величины. Вместе с тем оно дает возмож­ ность поочередного расхода металла при большей надежности электроснабжения на первом этапе эксплуатации электропере­ дач. При трехфазном управлении должно получиться одно из двух: или требуется сооружение двух цепей, которые в течение длительного времени не могут быть полностью использованы, или в течение этого времени надежность электроснабжения ока­ зывается недостаточной.

16-2 УСЛОВИЯ РАСЧЕТА

Расчет несимметричного режима можно выполнять как в фаз­ ных координатах (а; Ь\ с), так и в координатах симметричных составляющих (1; 2; 0). Из первого сразу получаются фактиче­ ские значения параметров режима, зато второй обладает рядом преимуществ и поэтому обычно является предпоч­ тительным.

Преимуществ расчета в симметричных координатах в основ­ ном два: определе-ние симметричных составляющих параметров режима более показательно с точки зрения условий технической допустимости и экономической целесообразности; такой расчет допускает меньшую точность вычислений, так как определяющи­ ми практически являются лишь первые одна — две значащие цифры их численных значений. Поэтому даже приближенные ме­ тоды расчета, позволяющие достаточно быстро получать реше­ ние, оказываются достаточными для суждения о возможности использования данного режима и путях его улучшения.

Следует обратить внимание на тот факт, что разложение несимметричных систем параметров режима на симметричные составляющие не является чисто математической операцией, но имеет и некоторые физические основания. Дело в том, что неко­

402

торые трехфазные устройства являются естественными фильтра­ ми симметричных составляющих.

Так, синхронная машина является фильтром токов обратной последовательности: только токи обратной последовательности связаны с полем обратного направления вращения и дополни­ тельным нагревом массивных частей ротора, вызываемыми этим полем токами двойной частоты.

Линия электропередачи с заземленной нейтралью является фильтром токов нулевой последовательности. При изолирован­ ных тросах токи нулевой последовательности могут проходить только по земле. (Исключение может быть только в том случае, если данная линия входит в контур замкнутой сети.)

Однако параметры элементов электросети не всегда проще определяются в системе симметричных составляющих. Так, на­ пример, для линий электропередачи непосредственно определя­ ются параметры в системе фазных координат. Как было пока­ зано выше (гл. 4), определение параметров в другой системе координат производится путем простого подобного преобразо­ вания соответствующей матрицы.

Для некоторых элементов, наоборот, проще определить рас­ четные параметры в системе симметричных составляющих. Так, например, для трансформаторов и генераторов проще опреде­ ляются сопротивления прямой и обратной последовательностей. Для получения соответствующих параметров в системе симмет­ ричных координат приходится производить преобразование, об­ ратное по отношению к (4-6):

Z = s Z ss - 1.

Особо приходится остановиться на матрицах коэффициентов трансформации. Они проще определяются в системе симмет­ ричных координат. В частности, для трансформатора с соедине­ нием обмоток «звезда с заземленной нейтралью — звезда с за­ земленной нейтралью» получается:

k

К = k >

k

где

k = keix.

Поэтому в системе фазных координат получается:

А

kcp Ак Ak

А

Ak Аср Ак

А

Ak Ak АСр

403

где

Несмотря на то что матрица ks является диагональной, мат­

рица к получается полной. Это означает, что при любом числе включенных с одной стороны фаз на другой напряжения и токи появляются во всех трех фазах.

Для трансформатора с соединением обмоток «звезда с за­ земленной нейтралью — треугольник» матрица коэффициентов

Эта матрица — особенная; обратной она не имеет. Причина этого заключается в том, что составляющие нулевой последо­ вательности токов и напряжений на стороне обмотки, соединен­ ной звездой с заземленной нейтралью, определяются состояни­ ем всей присоединенной к ней электросети.

При расчете симметричного режима достаточно использо­

вать только коэффициент трансформации к. Как уже указыва­ лось, в некоторых случаях достаточно воспользоваться одним модулем коэффициента трансформации k.

Ветви источников питания и нагрузок, если они симметрич­ ны, включаются в схему каждой последовательности. В этом случае напряжение какой-либо последовательности вызывает появление и тока в данной ветви той же последовательности. При этом матрица проводимостей соответствующей ветви полу­ чается диагональной. В общем случае эта матрица должна быть полной.

Практически в схеме прямой последовательности ветви ис­ точников питания и нагрузок, которые обычно являются симмет­ ричными, рассматриваются как активные элементы. Для них справедливы все рассуждения, которые были изложены выше при рассмотрении симметричных режимов. Сопротивления тех же ветвей в схемах обратной и нулевой последовательностей определяются как эквивалентные для схем соответствующих последовательностей всей электрической цепи каждой из ука­ занных ветвей. Таким образом, они зависят от состава элемен­ тов, их параметров и схемы соединений.

Для ветвей источников питания эти эквивалентные сопротив­ ления обычно определяются достаточно просто, так как практи­ чески приходятся считаться только с параметрами генераторов и трансформаторов. В схему нулевой последовательности, как правило, входят только трансформаторы.

404

Для ветвей нагрузок обычно применяются некоторые усред­ ненные значения. Для некоторой комбинированной нагрузки до­ статочно большой мощности, присоединенной к сети ПО кВ, обычно рекомендуется применять следующее относительное зна­ чение сопротивления обратной последовательности:

Сопротивление нулевой последовательности той же ветви оп­ ределяется обычно только трансформаторами и сетью. Прием­ ники электроэнергии в схему нулевой последовательности не входят, так как обмотки пониженного напряжения трансформа­ торов, к которым присоединяются распределительные сети, име­ ют соединение треугольником.

Поперечные ветви реакторов и конденсаторов (если они сим­ метричны) имеют одинаковые сопротивления или проводимости в схемах всех трех последовательностей, если имеют заземлен­ ные нулевые точки. Проводимость конденсаторов, включенных треугольником, в схему нулевой последовательности не входит.

16-3 УПРОЩЕННЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА

Здесь имеется в виду расчет детерминистическим методом. Практически такой метод допустим только при сравнительно медленно изменяющихся нагрузках, когда значения нагрузок разных фаз могут быть определены одновременно с достаточ­ ной точностью. При случайном и взаимно независимом измене­ нии нагрузок отдельных фаз такой расчет приходится признать недопустимым.

В качестве примера невозможности детерминированного под­ хода к-решению можно указать на случай, когда независимо и быстро изменяются одинаковые нагрузки, соединенные в ка­ ком-либо месте симметричной сети, например, в звезду. Если рассмотреть такую сеть, предположив нагрузки фаз одинако­ выми, то в детерминистической постановке задачи никакой несимметрии параметров обнаружить не удастся. При вероятно­ стном решении задачи возникающий несимметричный режим можно исследовать достаточно подробно. Однако для этого необходим соответствующий исходный статистический материал.

Вначале рассматриваются продольные элементы схемы заме­ щения сети. Несимметричная система токов на ветвях с пофаз­ но различными сопротивлениями вызывает несимметричную си­ стему падений напряжения

üB= zBi.

405