Диссертация Акимжанов

Рисунок 2.22. Зависимость амплитуды тока пятой гармоники от тока на основной частоте в течение суток

В линии в середине радиальной схемы с односторонним питанием СР-124

ситуация в поведении тока пятой гармоники аналогична поведению тока пятой гармоники линии ДХ-167, рисунок 2.22. Коэффициент корреляции тока пятой гармоники с током основной частоты равняется минус 0,66, а с реактивной мощностью – 0,64.

К электрическим сетям МРСК Юга подключено большое количество тяговых потребителей. По результатам измерения режимных параметров на одной из подстанций, питающих тяговых электропотребителей, исследованы токи высших гармоник. В частотности, обследована линия длиной 29 км, питающая подстанцию «Сальская тяговая» от подстанции «Пролетарская». Линия выполнена проводом марки АС-150. Коэффициент загрузки по экономическому току в период максимальной загрузки равен 1,01, реактивная мощность носит емкостный характер и направлена от шин подстанции.

Как показали наблюдения, если в предыдущих исследованных линиях существенным образом доминировала пятая гармоническая составляющая тока,

то в линии тяговой подстанции также существенна и седьмая гармоническая составляющая тока. Это объясняется работой в схеме подстанции преобразователей напряжения переменного тока в постоянный. При этом

74

отражаться на качестве электроэнергии по показателям несинусоидальности и несимметрии токов и напряжений в них.

2. Коэффициенты мощности большинства ВЛ уменьшаются в ночные часы

(с 23:00 до 07:00), что также может увеличивать несинусоидальность токов и напряжений в эти периоды суток.

3. Доля несинусоидальности и несимметрии в ЭС большая и это следует учитывать при расчете режимов ЭС и решении различных задач, таких, например,

как расчет потерь электроэнергии в ВЛ с учетом ее качества. Это так же может вызывать ложное срабатывание релейной защиты и снижать надежность электроснабжения.

4. В реальных трехфазных ЭС высшие гармонические составляющие фазных напряжений и токов характеризуются существенной несимметричностью,

что должно в обязательном порядке учитываться при расчете потерь. Это подтверждает декларированную в главе 1 необходимость создания адекватной модели режима многопроводной ВЛ, учитывающей несимметрию,

несинусоидальность, распределенность параметров, геометрию подвески проводов.

75

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РЕЖИМОВ

МНОГОПРОВОДНОЙ ВЛ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЕЕ

АДЕКВАТНОСТИ

Исследование добавочных потерь в электрических сетях является сравнительно новым направлением в науке и практике. Для исследования этого явления необходима адекватная математическая модель режимов элементов электрических сетей. В частности, на данном этапе исследования речь идет о выборе модели режима многопроводной ВЛ.

Как указывалось в первой главе, в существующих методиках расчета потерь в ВЛ режимы принимаются как идеальные и не учитывают потери,

обусловленные несинусоидальностью и несимметрией режимов. Также стандартные методики не учитывают несимметрию параметров ЛЭП, тогда как абсолютное большинство ЛЭП работает в условиях несимметрии системных и режимных параметров.

Для осуществления диспетчерского управления электроэнергетическими сетями и их анализа на основной частоте достаточными являются модели режимов ВЛ с сосредоточенными параметрами. В условиях широкого распространения в электрических сетях несинусоидальности и несимметричности необходимо использовать модели, учитывающие распределенность параметров и многопроводность линии и многих других факторов [29].

В частности, для ВЛ электропередач высокого и сверхвысокого напряжения при моделировании режима необходимым является учет следующих особенностей:

наличие грозозащитного троса и его заземления;

материал и геометрические параметры применяемых проводов и тросов;

геометрия подвески проводов и грозозащитного троса (позволяет учесть несимметрию системных параметров линии);

проявление поверхностного эффекта на частотах высшего порядка;

76

распределенность параметров вдоль трассы ВЛ на частотах высшего порядка;

несимметрия режимов линии;

Наличие такой модели режима многопроводной несимметричной ВЛ позволит получать объективные значения потерь, обусловленных протеканием токов основной частоты прямой, обратной и нулевой последовательностей, а так же высших гармонических составляющих тока. Ее разработка включает три этапа:

1)моделирование погонных параметров ВЛ;

2)моделирование режима ВЛ;

3)экспериментальная верификация полученной модели.

Ниже эти этапы создания математической модели.

3.1. Погонные параметры ВЛ с учетом их конструктивных

особенностей

В расчетных схемах замещения линий электропередачи электрических сетей 110 кВ и выше необходимо учитывать проводимости, образуемые между трассой ВЛ и землей [9]. Например, для ВЛ напряжением 750 кВ и длиной 400 км ошибка в определении потерь энергии из-за неучета емкостных токов составляет

20-40%. [44]. Вместе с тем, при большой протяженности ВЛ, взаимодействие индуктивности проводов и емкости могут обуславливать резонансные явления

[34, 63]. В настоящее время при расчете режимов электрических сетей и потерь в них погонные параметры ВЛ принимаются из справочной литературы. Такой подход существенно упрощает расчеты в ущерб точности, поскольку не позволяет учитывать некоторые конструктивные особенности ВЛ.

Величина емкостей зависит от конструктивных особенностей применяемых опор. Чем выше напряжение электропередачи, тем более громоздки габариты применяемых опор. К тому же, в сетях напряжением 220 кВ и выше провода фаз имеют расщепленную конструкцию, что усложняет моделирование.

77

Все опоры ВЛ унифицированы. Это означает, что опоры ВЛ объединены в единую систему конструкций, типоразмеров и для каждого типа опоры установлена область ее применения. Как известно, опоры бывают промежуточные, промежуточные-двухцепные, анкерные угловые, концевые, и

др.. При этом промежуточные и промежуточные-двухцепные опоры составляют

не менее 80-90 % общего числа устанавливаемых опор ВЛ [3, 27].

Несимметричное расположение проводов на опорах, а оно таковым является в абсолютном большинстве случаев, при большой длине ВЛ приводит к несимметрии токов и напряжений фаз. В таком случае несимметрия фаз устраняется путем изменения взаимного расположения проводов на опоре, т.е.

транспозиции. Транспозицию необходимо осуществлять на ВЛ напряжением 110

кВ и выше длиной более 100 км на специальных транспозиционных опорах.

Провод каждой фазы проходит первую треть длины ВЛ на одном месте, вторую треть – на другом и третью – на третьем. Такое размещения проводов называется полным циклом транспозиции [33]. Можно отметить, что ВЛ напряжением 110 кВ

редко достигают длины 100 км.

Расчет режимов длинных линий высокого напряжения выполняется на

собственных и взаимных погонных сопротивлений и проводимостей проводов и тросов ВЛ, которые в самом общем виде выглядят как:

Z r jx,

(3.1)

Y g jb,

где r, x – активное и индуктивное сопротивление линии; g, b – активная и емкостная проводимость линии.

Определение этих погонных параметров ВЛ с высокой степенью точности выполняется на основе классических выражений с применением элементов матричного исчисления [38].

78

3.1.1. Погонное сопротивление ВЛ

Индуктивное сопротивление воздушной ЛЭП зависит от магнитного поля,

возникающего вокруг и внутри проводов линии. Магнитное поле каждого фазного провода наводит ЭДС в каждом проводе линии. И поскольку величина потокосцепления зависит от расстояния между проводами, то и ЭДС и,

пропорциональное ему индуктивное сопротивление линии зависят от взаимного расположения проводов. Если провода расположены симметрично на одинаковом расстоянии друг от друга, то обеспечиваются одинаковые потоксцепления каждого провода, одинаковые величины наводимых ЭДС и одинаковые индуктивные сопротивления.

В реальных электрических сетях расстояние между фазными проводами различное, зависящее от расположения проводов (горизонтальное, вертикальное и др.). Транспозицией проводов обеспечивается симметрирование наводимых ЭДС и, следовательно, индуктивных сопротивлений.

Принято считать, что собственной индуктивностью фазы является индуктивность петли «провод – земля». При этом за исходное можно принять полное погонное сопротивление линии «провод – земля», определяемое по формуле Карсона (Ом/км):

где rп — погонное активное сопротивление провода; f — частота тока в линии;

— эквивалентный радиус провода в предположении поверхностного распределения тока (при замене внутреннего магнитного поля внешним); —

удельная проводимость грунта.

Для стандартной частоты f=50 Гц из формулы (3.2) можно получить следующую формулу для определения полного погонного сопротивле ния эквивалентной двухпроводной линии:

80

Таблица 3.1.

Оптимальное количество и расстояние между проводами расщепленных фаз

Поскольку прохождение тока в земле связано с потерей активной мощности в ней, то вполне естественно, что наряду с достаточно большим индуктивным сопротивлением цепи обнаруживается некоторое дополнительное активное сопротивление (0,05 Ом/км).

Под взаимной индуктивностью между фазами линии обычно понимается величина взаимной индуктивности между двумя петлями «провод – земля».

При этом погонное сопротивление взаимной индукции между фазами i и j

определяется выражением:

Погонное индуктивное сопротивление линии, включающее в себя собственные индуктивности проводов (тросов) и взаимные индуктивности между проводами (и тросами), определяется исходя из следующего равенства

(пример для одноцепной ВЛ с грозозащитным тросом):