Анализ и расчет пропускной способности воздушных линий электропередачи

Развитие электрических сетей является одним из важнейших показателей уровня электроэнергетики страны. В России более 50 % оборудования электрических сетей выработало свой расчетный ресурс, хотя еще сохраняет достаточную работоспособность. Ухудшение технического состояния электрических сетей является одной из основных причин роста повреждаемости воздушных линий электропередачи и силового оборудования подстанций. В данное время остро стоит задача реконструкции и (или) модернизации электрических сетей, что требует колоссальных капитальных вложений. С данной точки зрения, задача выбора оптимального технического решения для воздушных линий электропередачи (ВЛЭП) с необходимой степенью надежности является наиболее актуальной.

На территории России для передачи электрической энергии на дальние расстояния чаще всего применяются двухцепные ВЛЭП, которые приняты в качестве объекта исследования.

Целью данной работы является определение пропускной способности двухцепной воздушной линии электропередачи в аварийном режиме, т. е. в режиме с «расщепленной резервной фазой» (РРФ).

Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие основные задачи:

• •    проведение анализа работы ВЛЭП в режиме с РРФ;

• •    определение основных параметров линии;

• •    определение и сопоставление пропускной способности ВЛЭП с РРФ с традиционной двухцепной линией в аварийном режиме.

Д.Т. Жанаев, Т.Б. Заславская в своей работе [1] разработали и предложили схему резервирования трехфазной рабочей цепи резервной фазой, которая в нормальном режиме работы линии электропередачи присоединяется параллельно к одной из рабочих фаз, а в аварийном режиме переключается автоматически взамен поврежденной фазы. Так, например, при эксплуатации линии электропередачи «Куйбышев – Москва» на напряжении 400 кВ расщепление на три провода фазы показало снижение волнового сопротивления с 400 до 277 Ом, а натуральная мощность возросла с 400 до 576 МВт. Очевидным недостатком резервирования рабочей цепи четвертой фазой является наличие несимметрии и недоиспользование суммарного сечения проводов.

Необходимо отметить большой прогресс управляемых линий электропередачи переменного тока [2], известных за рубежом как FACTS, а также шестифазных линий электропередачи, созданных американскими специалистами, повышающие натуральную мощность линии на 50–70 % [3], но слабой стороной которых является пониженная надежность по сравнению с двухцепными.

Авторами работы «Повышение эффективности эксплуатации воздушных линий электропередачи с резервной фазой» [4] предложен путь повышения эффективности эксплуатации двухцепной воздушной линии электропередачи. При увеличении числа проводов в фазе во многих случаях препятствием является невозможность уменьшения междуфазных расстояний. Расщепление проводов может быть реализовано только за счет кардинального изменения схемы подвески проводов и конструкции опор. Следует также отметить, что реализация данного способа на двухцепных воздушных линиях представляет собой несложную техническую задачу, так как для реализации данного технического решения потребуется только установка дополнительных выключателей нагрузки на открытых распределительных устройствах, увеличив лишь ширину коридора портальных соединений. При этом исполнение опор линий электропередачи не предполагается к конструктивному изменению.

Определение основных параметров и расчет пропускной способности ВЛЭП с РРФ

Общеизвестно, что предел передаваемой по линии мощности PH, являющейся показателем величины пропускной способности линии электропередачи, определяется выражением Рн = ^ном-, н      zc где Uном, Zс – номинальное напряжение и волновое сопротивление соответственно.

Необходимо отметить, что основными путями повышения натуральной мощности воздушной линии являются:

• 1.    Увеличение номинального напряжения сети. Пропускная способность линии имеет прямо пропорциональную зависимость по отношению к напряжению.

• 2.    Уменьшение волнового сопротивления ли-

• нии. Достигается за счет расщепления фазных проводов [5], а также за счет конструктивного изменения воздушных линий путем компактизации геометрических параметров [6–8].

• 3.    Применение устройств продольной компенсации. При продольной компенсации реактивной мощности последовательно нагрузке подключаются конденсаторы, однако возникают аварийные режимы, так как через конденсаторы проходит ток нагрузки, в том числе токи короткого замыкания [9].

• 4.    Использование управляемых источников реактивной мощности на промежуточных подстанциях (статические тиристорные компенсаторы, синхронные компенсаторы и др.).

Разработанное схемно-техническое решение повышает эффективность электропередачи двухцепных ВЛЭП (рис. 1) уменьшением волнового сопротивления линии при определенном режиме работы, указанном в схеме [4].

Функциональное резервирование линии электропередачи в соответствии со схемно-техническим решением [4] основывается на переключении традиционной двухцепной линии электропередачи в аварийном режиме на режим одноцепной с расщепленной фазой, в качестве которой выступает вторая рабочая цепь. Это достигается, согласно изобретению, «расщеплением фазы» на три составляющие. Таким образом, создается «резервная цепь – фаза», которая при нормальном режиме работы является рабочей цепью двухцепной линии, присоединенной параллельно. При этом обеспечиваются симметрии полных сопротивлений и напряжений по фазам. При однофазном повреждении на рабочей цепи составляющие «расщепленной» резервной фазы объединяются коммутирующими выключателями и автоматически присоединяются к рабочей цепи взамен поврежденной фазы. Необходимо пояснить, что РРФ может выступать как одна, так и вторая из рабочих цепей двухцепной ВЛЭП.

а)

б)

Рис. 1. Устройство резервирования линии электропередачи: а – двухцепная ВЛЭП в нормальном режиме работы; б – двухцепная ВЛЭП в режиме одноцепной с РРФ. 1 – опора; 2–7 – траверсы; 8–13 – гирлянды подвесных изоляторов; 14–16 – фазные провода рабочей цепи; 17–19 – «резервная фаза», расщепленная на три составляющие токопровода; 20–41 – выключатели нагрузки

Результаты расчета

Тип ВЛЭП	Напряжение, кВ	Волновое сопротивление, Ом	Пропускная способность, МВт
Двухцепная в АР	220	407,7	118,7
ВЛЭП с РРФ	220	268,7	180,1

Сравнение пропускной способности проводилось между трехпроводной, т. е. одной любой цепи двухцепной линии и ВЛЭП в режиме с РРФ. В аварийном режиме ВЛЭП с РРФ при обрыве одной из фаз любой из рабочей цепи «вторая» цепь объединяется в РРФ взамен поврежденной фазы «первой» цепи.

Исходными данными были приняты: длина линии L = 200 км, напряжение U = 220 кВ. Характер нагрузки – активно-индуктивный. Марка провода АС-300/39.

Для трехпроводной линии параметры при исходных данных были приняты [10] и расчет основывался по общеизвестным методикам, в том числе по [11]. Результаты расчета представлены в таблице.

Для ВЛЭП с РРФ взяты конструктивные параметры двухцепной воздушной линии свободностоящей промежуточной металлической опоры башенного типа (рис. 2).

Среднегеометрическое расстояние между проводами:

D = 6,5 м;

Dcr = 72 • D = 8,2 м.

Эквивалентный радиус расщепленной фазы:

d = 24,8 мм, диаметр провода а = 6500 мм;

Д _эк = ³J | • а ² = 806,1 мм.

Определяем удельное значение индуктивного сопротивления расщепленной фазы:

Хо = 0,144 • log (М^А + 2,21^2 = 0,183 Ом.

Яэк 7 п

Определим эквивалентные удельные значения сопротивлений с одной расщепленной фазой взамен рабочей фазы, например «В»:

Удельное значение емкостной проводимости:

Ь0 = Z,58^ = 4,295 • 10’6 См/км;

log кср)

Лэк

Ь0э = ^ + Ь0 = 5,618 • 10“6 См/км.

Удельное значение активной проводимости:

Рис. 2. Схема свободностоящей промежуточной металлической опоры башенного типа двухцепной ВЛ

_ ДРкор^Ю

^{9 0} =     и²

- = 1,736 • 10"8 См/км.

Удельное значение индуктивного сопротивления:

Х0э = ^22™ + х0 = 0,398 Ом.

Удельное значение активного сопротивления:

Г)э =Г72+Г>р = 0,08 Ом.

х2 = 7(Г0э + 1Х0э) • (90 + 1^0э) = 1,509 • 10~3.

Волновое сопротивление:

_z = кг оэ+^оэ ) = 268,7 Ом.

^С2 < (Я о +1Ь о э)          '

Определение пропускной способности линии:

Р max2

и2

Z cs ’sin ( х З-1)

= 587,9 МВт;

Определяем активное удельное сопротивление фазы, расщепленной на три провода:

• п = 3 - число проводов в расщепленной фазе;

• ^Х 0300 = 0,⁴²9 Ом/км;

Й 0300 = 2,645 • 10 ’ ^{6 Ом/}км;

• ^Г 0300 = ⁰,^{096 Ом/}км^;

Гор = ^= 0,032 Ом/км.

^ нат 2 = ^ = 180,1 МВт.

^Z C3

Результаты расчета представлены в таблице.

Проведенные расчеты воздушной линии электропередачи с расщепленной резервной фазой показывают, что в аварийном режиме натуральная мощность линии составила 180,1 МВт, что приблизительно на 35 % больше, чем для двухцепной линии электропередачи в аварийном режиме, когда одна цепь выводится из работы и линия работает в одноцепном режиме.

Результаты расчета подтверждают ранее рассмотренные методы увеличения пропускной способности линий электропередачи [12]. Предложенная схема обоснована с практической точки зрения [11], при этом подразумевается улучшение эксплуатационных показателей, что, в свою оче-

редь, должно привести к повышению показателей надежности работы линии в целом. Данное схемно-техническое решение было предложено как один из вариантов повышения эффективности работы ВЛЭП для централизации изолированной зоны Республики Саха (Якутия) при условии увеличения нагрузок последней [13].

Заключение

• 1.    Предложено усовершенствование работы схемы выдачи мощности на двухцепных ВЛЭП посредством функционального резервирования линии электропередачи возможностью переключения на новый (дополнительный) режим работы.

• 2.    Расчет и сравнительный анализ показали увеличение пропускной способности ВЛЭП с РРФ на 35 % по сравнению с двухцепной ВЛЭП в аварийном режиме, что является существенным увеличением и доказывает вероятность применения данного режима как дополнительного, если нет возможности или экономически нецелесообразно переоснащение существующей ВЛЭП.

• 3.    Имеются логические предпосылки предполагать увеличение надежности воздушной линии, а именно таких показателей, как число часов перерыва электроснабжения и вероятных относительных недоотпусков электроэнергии при плановых и аварийных ремонтах, что требует дополнительной качественной и количественной оценки.