Выбор конструкции воздушных линий переменного тока

МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

КУРСА ЛЕКЦИЙ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«ДАЛЬНИЕ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

СВЕРХВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ»

форма обучения _________заочная_______

                                               ^{(очная, очно-заочная, заочная)}

ЛЕКЦИЯ 1

Роль ДЭП СВН в энергосистемах и особенности их конструктивного исполнения

Нормальные и аварийные режимы дальних электропередач переменного тока имеют существенные особенности, которые их отличают от относительно коротких линий длиной 300...400 км. Основными проблемами дальних электропередач переменного тока считаются следующие: трудность достижения достаточно высокого к.п.д. в расчетных режимах; обеспечение допустимого уровня напряжения в промежуточных точках линии в длительных и кратковременных режимах; обеспечение требуемого запаса статической и динамической устойчивости и получение приемлемой величины пропускной способности электропередачи с учетом всех этих ограничений.

В последние годы создание мощных дальних и сверхдальних электропередач становится еще более актуальной задачей. Это вызвано, в первую очередь, стремлением использовать экологически относительно чистые источники энергии типа гидроэлектростанций и приливных электрических станций, как правило, находящихся в значительном удалении от основных потребителей (в том числе и на разных континентах). Весьма важной является также образование мощных параллельных связей между энергосистемами различных регионов, стран и континентов для снижения общей установленной мощности электростанций и увеличения надежности систем электроснабжения.

Проекты таких сверхдальних электропередач рассматриваются, как правило, на постоянном токе. Электропередачи постоянного тока оказываются весьма дорогостоящими объектами как по сооружению, так и в эксплуатации. Однако, многолетний опыт параллельной работы объединенной электрической системы нашей страны на переменном токе показывает, что возможности переменного тока далеко не исчерпаны. В этой связи не только рассматриваются проблемы дальних электропередач переменного тока, но и даются идеи ряда новых технических решений, позволяющих преодолеть технические трудности длинных линий переменного тока доступными средствами и создать серьезную конкуренцию электропередачам постоянного тока.

Выбор конструкции воздушных линий переменного тока

Для ограничения потерь энергии от коронного разряда наибольшее рабочее напряжение на линии  должно быть, по крайней мере, на 10% ниже начального напряжения короны т.е. и

 (1.1)

где — заряд на проводе; — число проводов в фазе; — радиус провода;  — начальная напряженность коронного разряда на проводе; — рабочая емкость линии;  — коэффициент, учитывающий неравномерность распределения напряженности электрического поля по поверхности составляющих.

Начальная напряженность  зависит от радиуса  плотности воздуха  (где — давление в Па, — температура в С°) и коэффициента негладкости провода

 (1.2)

Рабочая емкость транспонированной линии С при расположении проводов равномерно по окружностям с радиусом расщепления и при среднем геометрическом расстоянии между фазами  

где  (1.3)

В реальных условиях проектирования а также и, следовательно, имеют малые диапазоны численных изменений, и потому могут считаться постоянными. При традиционных конструкциях опор ВЛ заданными являются и расстояния между фазами, т.е. — Таким образом, для получения необходимого значения требуется увеличить число составляющих (при неизменном расстоянии а между составляющими). Заметим, что при увеличении  и росте радиуса расщепления  одновременно растет и числитель, и знаменатель в (1.1), последний — из-за роста рабочей емкости С (1.3). Практика проектирования, к сожалению, повсеместно сложилась так, что расстояния между составляющими в фазах оказались фиксированными и равными  м. Это обстоятельство, по всей видимости, объясняется тем, что для предотвращения механических колебаний проводов расщепленной фазы, их истирания и разрушения дистанционных распорок необходимо иметь расстояния между проводами не меньше , однако это ограничение снизу стало трактоваться как ограничение сверху и все конструкции расщепленных фаз стали выполняться в основном с

Так как радиус расщепления связан с числом проводов и расстоянием между ними а формулой

 (1.4)

то по существу остался искомым лишь один параметр: или  или  Такой подход, естественно, привел к выбору фазы с минимальным числом составляющих или с минимальным размером фазы (минимальный радиус ).

Теперь остановимся на существующей практике выбора междуфазного расстояния на ВЛ. Согласно ПУЭ нормируются минимально допустимые изоляционные расстояния между фазами, обеспечивающие надежную работу линии при рабочем напряжении и перенапряжениях с учетом приближения соседних фаз друг к другу под влиянием ветра. Например, наименьшие допустимые расстояния между фазами ВЛ-500 в зависимости от стрелы провеса составляют Эти расстояния могут быть значительно сокращены при жестком фиксировании фаз в пролете (с помощью изоляционных распорок), а также при глубоком ограничении внутренних перенапряжений (при снижении расчетной кратности перенапряжений ). Так, например, при расстояние между фазами может быть снижено до 4,2 м, при — до 3,3 м, при —до 1,9 м. Однако, реально для ВЛ-500 реализовано расстояние между фазами м и т.е., чтобы обеспечить минимальное число проводов (в данном случае ) при а=0,4 м междуфазное расстояние пришлось даже увеличить по сравнению с допустимым ПУЭ  в противном случае было бы не выполнено условие  (или для сохранения уменьшенного междуфазного расстояния необходимо было бы принять число составляющих  Дополнительным ограничивающим фактором на пути создания ВЛ с уменьшенными междуфазными расстояниями является неудачная конструкция опор ВЛ, в которых заземленные элементы конструкций (стойки опоры) находятся между фазами, в результате чего сумма изоляционных расстояний оказывается существенно больше необходимых.

При таком традиционном подходе к проектированию оправдать целесообразность увеличения числа составляющих сверх минимального значения, требуемого по условию коронного разряда, очень сложно. Другое дело, если это увеличение дает существенное улучшение параметров линии (уменьшение ее волнового сопротивления, а, следовательно, и индуктивного).

В случае расщепленной фазы при любом междуфазном расстоянии может быть обеспечено требование ограничения коронного разряда путем изменения числа составляющих и расстояний между ними. Таким образом, дополнительной степенью свободы, не использовавшейся ранее, является расстояние между составляющими, которое можно принимать и большим, чем а=0,4 м, а также не обязательное постоянство этого параметра для всех расстояний внутри каждой из фаз.

Сближение и дополнительное расщепление фаз ведет к снижению и росту что увеличивает рабочую емкость С в (1.3), снижает волновое сопротивление линии  — скорость света) и увеличивает натуральную мощность линии.

Для иллюстрации влияния на параметры линий перечисленных выше факторов рассмотрим пример создания линий повышенной натуральной мощности 500 кВ. Примем радиус провода  м, расстояние между составляющими а=0,4 м, среднее геометрическое расстояние между центрами фаз м. При неизменных указанных параметрах проварьируем число составляющих в фазе. Последовательность вычислений следующая: по заданному аи n помощью (1.4) вычисляется и по (1.2, 1.3) — и С. Далее учитывая, что заряд на проводе приближенно определяется формулой

получим из (1.1) (при ) отношение

т.е. величину, характеризующую заряд на проводе. Кроме того, вычислим изоляционное расстояние Данные сведем в таблицу 1.1 (первые три столбца).

Таблица 1.1

Из полученных результатов видно, что при сохранении неизменными расстояния между центрами фаз и расстояния между составляющими рост числа проводов увеличивает радиус расщепления (размеры фаз), несколько увеличивает рабочую емкость линии С, но существенно медленнее, чем растет число составляющих, и очень резко снижает величину заряда на составляющих фазы. В связи с этим можно говорить о недоиспользовании: проводов ВЛ по условию коронного разряда (т.к. относительную величину заряда при считаем близкой к допустимой). Можно сохранить заряд на каждом проводе на уровне, близком к допустимому (при ) за счет увеличения расстояния (а) между составляющими (см. предпоследний столбец таблицы 1.1). Видно, что таким образом удается увеличить емкость линии практически прямо пропорционально увеличению числа составляющих в фазе (в 3,3 раза). Однако, при этом радиус расщепления достигает гигантских размеров что совершенно неприемлемо.

И, наконец, четвертый столбец таблицы показывает, что желаемое увеличение емкости линии при приемлемых размерах фаз может быть получено только при уменьшении междуфазного расстояния (в данном примере должно быть равно ).

Таким образом, повышение натуральной мощности ВЛ путем глубокого расщепления фаз при одновременном получении компактных конструкций (в поперечном сечении) возможно при одновременном сближении фаз ВЛ. Это приводит к новым конструкциям опор "охватывающего" типа, когда все заземленные элементы опоры охватывают одновременно все три фазы ВЛ.

Результат, полученный в примере, может быть теоретически обоснован следующим образом. Так, при передаче по линии натуральной мощности ток в линии

где заряд для ВЛ с одиночными проводами определяется формулой

И, наконец, натуральная мощность линии с  проводами в фазе выражается следующей формулой

 (1.5)

откуда видно, что, если обеспечить на всех проводах ВЛ напряженность электрического поля Е близкой к допустимой натуральная мощность будет расти пропорционально числу составляющих в фазе. Полученное выражение для противоречит реальной практике проектирования, при которой параметры линии L , С мало зависят от числа составляющих в фазе, например, рабочее погонное индуктивное сопротивление фазы в зависимости от числа составляющих равно (Ом/км): Отсутствие пропорционального роста от числа составляющих объясняется снижением с ростом  которое, в свою очередь, происходит из-за постоянства расстояния между составляющими и больших среднегеометрических расстояний между фазами. Заметим, что в реальных конструкциях коэффициент неравномерности  отражает неравномерность распределения напряженности по поверхности каждого составляющего, вызванную действием полей от остальных проводников всех фаз. Точный расчет  на каждом составляющем проверка условия  проводится с помощью специальных компьютерных программ. Имеются также оптимизационные программы, осуществляющие автоматический поиск такого расположения проводов фаз ВЛ в пространстве, что для каждого провода Оптимальные в таком понимания конструкции ВЛ могут иметь неравномерное расположение проводников по окружности фаз (рис. 1.1а), эллипсоидную конфигурацию фаз (рис. 1.1,6),плоскую (рис. 1.1,в),параболическую (рис. 1.1,г) и др.

Рис. 1.1.