Моделирование электромагнитных полей газоизолированной линии, питающей тяговые подстанции

Воздушные линии (ВЛ) 110–220 кВ широко применяются для присоединения тяговых подстанций к сетям электроэнергетических систем (ЭЭС). Такой подход имеет целый ряд недостатков, наиболее критичными из которых являются следующие факторы:

• •    при сильных ветрах и гололеде могут обрываться провода и повреждаться опоры;

• •    при падении проводов на землю возникают шаговые напряжения, опасные для людей и животных;

• •    на трассах ВЛ создаются электромагнитные поля со значительными уровнями напряженностей, негативно влияющие на обслуживающий ЛЭП персонал, население и окружающую среду; поэтому для снижения возникающих ущербов приходится организовывать защитные зоны, требующие больших землеотводов.

Возможным решением задачи повышения надежности электроснабжения ТП и улучшения условий электромагнитной безопасности является применение кабельных или газоизолированных линий (рис. 1). Преимущества ГИЛ заключаются в компактности, высокой надежности и пониженных уровнях создаваемых ЭМП.

Актуальность проблемы изучения различных аспектов, связанных с моделированием газоизолированных линий, подтверждается большим числом публикаций, посвященных этой тематике. Так, например, анализ теплопередачи для ГИЛ с изоляцией SF 6 /N 2 выполнен в [1]. В данной работе с помощью метода конечных элементов анализировались процессы теплопередачи с использованием трехмерной осесимметричной модели. На этой основе получены зависимости между соотношением компонентов смеси SF₆/N ₂ и температурой. Кроме того, варьировались давления газа, токи в линии и температура окружающей среды. Полученные результаты могут применяться при выборе оптимального соотношения смеси SF₆/N ₂. Сравнение ГИЛ 400 кВ с традиционной воздушной ЛЭП проведено в [2]. Показано, что ГИЛ могут использоваться для передачи электроэнергии на большие расстояния. Сравнивались такие показатели, как пропускная способность и потери мощности. Полученные результаты показали значительные преимущества ГИЛ.

Сравнение пропускной способности и потерь при передаче потоков мощности по воздушным и элегазовым ЛЭП проведено в [3]. Показано, что в мегаполисах, где полосы отвода для воздушных линий (ВЛ) ограничены, проблемы транспорта электроэнергии могут быть реше- – 51 –

Рис. 1. Конструкция фазы (а) и фото ГИЛ (б)

Fig. 1. Phase design (a) and GIL photo (b)

ны на основе ГИЛ. Проведены расчеты для ГИЛ и ВЛ с напряжением 220, 400, 765 и 1100 кВ. Приведены сравнительные данные по пропускной способности, а также потерям мощности и напряжения. Результаты измерений характеристик электромагнитной среды на трассе ГИЛ переменного тока сверхвысокого напряжения представлены в [4]. Рассматривались следующие характеристики: напряженности электромагнитного поля, радиопомехи и акустический шум. Измерения проводились при различных значениях токов и напряжений. Анализ полученных данных показал, что электромагнитная обстановка на трассе ГИЛ соответствует нормативным требованиям.

Задача повышения эффективности экранирования газоизолированного токопровода от электромагнитных полей, возникающих во время коммутационных операций в распределительном устройстве с газовой изоляцией, решена в [5]. Показано, что проблема получения характеристик переходных ЭМП, генерируемых в элегазовой подстанции во время коммутационных операций, приобрела в последние годы особую актуальность. Это связано с широким использованием чувствительных электронных устройств в схемах управления таких подстанций. Авторами разработана численная модель, основанная на методе конечных разностей, для расчета ЭМП элегазового токопровода во время коммутационных операций. Эффективность экранирования оценивалась с использованием источника синусоидального тока. Кроме того, рассчитаны уровни ЭМП от сверхбыстрых переходных токов. Вопросы моделирования маг-– 52 – нитных полей вблизи мест пересечения газоизолированных линий электропередачи рассмотрены в [6]. Показано, что ГИЛ благодаря своей компактности создают альтернативу воздушным линиям в условиях ограниченного пространства, например в густонаселенных районах. Поэтому важно рассмотреть вопрос о магнитных полях промышленной частоты, генерируемых ГИЛ, из-за опасений, что их воздействие может неблагоприятно влиять на население. Авторами решена задача моделирования ЭМП вблизи точки пересечения двух ГИЛ. Исследовано влияние угла пересечения, вертикального расстояния между линиями, фазировки и нагрузки линий на магнитные поля.

Результаты исследования ЭМП ГИЛ 500 кВ, полученные на основе моделирования, представлены в [7]. Показано, что в современных условиях ГИЛ получили широкое распространение благодаря большой пропускной способности, низкому воздействию на окружающую среду и высокой надежности. Точное моделирование ГИЛ и получение их характеристик обеспечит теоретическую основу для проектирования и эксплуатации, что позволит повысить безопасность и надежность работы. Предложена математическая модель для анализа электромагнитных и тепловых полей ГИЛ. Вопросы использования газоизолированных линий на трассах инженерных сооружений рассмотрены в [8]. К таким сооружениям относятся следующие объекты: железнодорожные галереи, автомобильные дороги и газопроводы. Высокая мощность ГИЛ в сочетании с низкими потерями делает эти объекты высокоэффективными коридорами передачи электроэнергии. Задача расчета магнитного поля (МП) ГИЛ, проложенных в туннеле, решена в [9–11]. Приведены результаты определения напряженностей МП, создаваемого двухцепными ГИЛ, смонтированными в туннеле. Расчеты выполнены применительно к железнодорожной линии Больцано-Инсбрук между Италией и Австрией. Проанализировано МП внутри и снаружи туннеля с целью оптимизации чередования фаз. При расчетах учитывался эффект близости.

Компактные линии электропередачи переменного тока с газовой изоляцией рассмотрены в [12]. Технология элегазовых ЛЭП переменного тока для подземной передачи больших мощностей находит все большее применение во всем мире и обеспечивает рациональное решение для подземных установок. Для повышения уровня эффективности прокладки ГИЛ предлагается использовать мобильные заводы, оборудованные машинами для высококачественной сварки оболочки и токопроводящих труб; при этом эффективность прокладки увеличивается на 20…30 %. Вопросы применения ГИЛ для передачи больших мощностей на дальние расстояния рассмотрены в [13]. Показано, что подземная передача электроэнергии на значительные расстояния с помощью ГИЛ экономична. Технология обладает следующими преимуществами по сравнению с традиционными кабелями: высокая пропускная способность (3000 МВ·А и более); возможность передачи на большие расстояния без компенсации реактивной мощности (100 км и более).

Линии электропередачи постоянного тока (ПТ) с элегазовой изоляцией описаны в [14]. ГИЛ ПТ использует алюминиевый проводник и ограждающие трубы большого сечения для токов до 5000 А и напряжения ±550 кВ. Технология сборки и монтажа линии ГИЛ ПТ в высокой степени автоматизирована благодаря мобильному заводу и технологии сварки трением с перемешиванием, обеспечивающей быстрое и безопасное соединение алюминиевых труб. Задача измерения коэффициента диэлектрических потерь в ГИЛ с использованием низкочастотного – 53 – испытания решена в [15]. Измерение тангенса дельта на сверхнизкой частоте является одним из методов диагностики изоляции, обычно используемых для диагностики состояния электрических кабелей. Для экспериментов была подготовлена однофазная ГИЛ напряжением 230 кВ и током 2500 А. Эксперименты были разделены на пять групп, классифицированных по типу дефектов. Для каждого типа были измерены коэффициенты диэлектрических потерь.

Анализ традиционных и гибких ГИЛ при прокладке методом горизонтально-направленного бурения в городских районах проведен в [16]. Показано, что ГИЛ используются в качестве эффективной альтернативы подземным кабелям и воздушным линиям электропередачи. Однако при прокладке ГИЛ традиционной металлической конструкции возникают трудности при соединениях элементов из-за структурной жесткости, а также экологические ограничения из-за возможной утечки элегаза SF₆ в случае сейсмических событий. Авторами разработана гибкая ГИЛ и проведено ее сравнение с обычной линией. Результаты моделирования показали, что предлагаемая ГИЛ может привести к существенному снижению минимального радиуса изгиба и требуемой площади для прокладки. Кроме того, гибкость облегчит процедуру монтажа с использованием горизонтально-направленного бурения. Данная конструкция ГИЛ может устранить необходимость в защите от коррозии, что может быть полезным для внедрения подземных ГИЛ в городских районах. Технические аспекты элегазовых ЛЭП и возможности применения новых изоляционных газов рассмотрены в [17]. Представлена информация о проектировании, испытаниях и многолетнем опыте эксплуатации линий ГИЛ переменного тока. В настоящее время для ГИЛ используются чистый элегаз SF 6 и газовые смеси N 2 /SF 6 и проводятся исследования по применению альтернативных газов для изоляции.

Анализ представленных выше работ позволяет сформулировать следующие выводы:

• •    задача моделирования ГИЛ имеет несомненную актуальность и является основой для их эффективного применения в современных ЭЭС;

• •    авторами рассмотренных в обзоре публикаций предложены эффективные методы моделирования ГИЛ.

Значительная часть электрических сетей России, особенно в регионах Сибири и Дальнего Востока, примыкают к тяговым подстанциям магистральных железных дорог; при этом однофазные тяговые сети (ТС) оказывают значительное влияние на их режимы. Однако вопросы учета этого фактора в описанных выше публикациях не рассмотрены. Для решения этой задачи можно использовать подход, основанный на мультифазном представлении элементов ЭЭС, предложенный в [18–22].

Методика и результаты моделирования

Далее представлены результаты исследований, направленных на разработку компьютерных моделей ЭЭС, питающих тяговые подстанции, для подключения которых применялись ГИЛ.

В газоизолированной линии используются массивные токоведущие части цилиндрического сечения; при этом каждая фаза помещается в алюминиевую оболочку, выполняющую функцию экрана. В такой конструкции заметно проявляются поверхностный эффект и эффект близости, что значительно усложняет моделирование.

Для решения поставленных задач применяется подход, представленный в [18–22]. Он реализован в промышленном программном комплексе Fazonord AC-DC [18, 19] и базируется – 54 – на использовании фазных координат, что позволяет корректно учитывать поверхностный эффект и эффект близости в массивных токоведущих частях ГИЛ, а также моделировать режимы ЭЭС с учетом несимметрии и гармонических искажений, создаваемых тяговыми нагрузками. На его основе возможно решение задач проектирования и эксплуатации электроэнергетических систем и тяговых сетей железных дорог переменного и постоянного токов (рис. 2).

Осуществлялось моделирование режимов электрической сети 110 кВ, питающей группу ТП (рис. 3). Для этого в ПК Fazonord AC-DC были разработаны две модели. В первой из них сеть 110 кВ, питающая ТП, была реализована на основе ГИЛ. Во второй использовались воздушные линии. Тяговые нагрузки создавались путем имитации движения поездов массой 4384 и 6780 тонн по реальному профилю пути.

Для корректного учета поверхностного эффекта и эффекта близости моделирование массивных токоведущих частей ГИЛ проводилось наборами проводов, суммарное сечение которых соответствовало фактическому сечению экрана или жилы ГИЛ (рис. 4). Экраны ГИЛ были заземлены на каждом участке с двух сторон.

Определение сложно несимметричных, несинусоидальных и аварийных режимов

• ><

Расчеты напряженностей электромагнитных полей

• ><

Проведение параметрической идентификации ЛЭП, трансформаторов и контактных подвесок

• ><

Вычисление температур токоведущих частей и трансформаторов

Определение режимов плавки гололеда

Рис. 2. Группы решаемых задач

Fig. 2. Groups of Solvable Tasks

Рис. 3. Схема моделируемой сети

Fig. 3. Scheme of the simulated network

Рис. 4. Расположение токоведущих частей ГИЛ

Fig. 4. Location of GIL current-carrying parts

Результаты моделирования представлены на рис. 5–8. На рис. 5 показано распределение токов по токоведущим частям ГИЛ, полученное с учетом поверхностного эффекта и эффекта близости.

Полученные в результате моделирования максимальные и средние значения k 2U представлены в табл. 1. Зависимости I _Σ = I _Σ( t ), P = P ( t ), Δ P = Δ P ( t ) показаны на рис. 6. Зависимости напряжений U = U ( t ) и коэффициентов несимметрии k 2U от времени представлены на рис. 7. Здесь I Σ суммарные токи, потребляемые группой ТП; Р – переток мощности по головной ЛЭП, МВт; Δ P – потери мощности в этой ЛЭП, кВт; U – фазные напряжения на шинах 110 кВ ТП 3.

Рис. 5. Распределение токов в ГИЛ: размеры «пузырьков» диаграммы пропорциональны величинам протекающих токов

Fig. 5. Current distribution in GIL: the sizes of the diagram “bubbles” are proportional to the values of the flowing currents

Таблица 1. Коэффициенты несимметрии по обратной последовательности k _2U на шинах 110 кВ ТП

Table 1. Negative-sequence unbalance coefficients k _2U on 110 kV traction substation buses, %

Подстанция	ГИЛ		ВЛ		Различие, %
	Ср. значение	Максимум	Ср. значение	Максимум	Между столбцами 4 и 2	Между столбцами 5 и 3
1	2	3	4	5	6	7
ТП1	0,05	0,12	0,16	0,28	69	57
ТП2	0,36	1,28	1,73	3,79	79	66
ТП3	0,45	1,58	2,19	4,8	79	67

Рис. 6. Зависимости I Σ = I Σ ( t ) (а) и P = P ( t ); Δ P = Δ P ( t ) (б) в сети с ГИЛ

Fig. 6. Dependencies I Σ = I Σ ( t ) (a) and P = P ( t ); Δ P = Δ P ( t ) (b) in a network with GIL

Рис. 7. Зависимости U = U ( t ) (а) и k _2U = k _2U ( t ) (б) в сети с ГИЛ

Fig. 7. Dependencies U = U ( t ) (a) and k _2U = k _2U( t ) (b) in the network with GIL

Из анализа данных, приведенных в табл. 1 и на рис. 6, 7, можно сделать следующие выводы:

• •    существенные вариации тяговых нагрузок, вызванные движением грузовых поездов по участку со сложным профилем пути, приводят к заметным изменениям токов I _Σ, перетоков P и потерь мощности Δ P . Отвечающие этим параметрам коэффициенты вариации k _VAR равны: для токов отдельных фаз 36…57 % (причем наибольшая величина наблюдается для фазы С, а наименьшая для фазы А); для перетоков 48 %, а для потерь – 59 %;

• •    в схеме с ГИЛ средние значения k _2U на 69…79 % ниже аналогичных показателей для сети с ВЛ;

• •    уровни напряжения в сети с ГИЛ отличаются большей стабильностью по сравнению с токами, мощностями и потерями; k _VAR лежат в диапазоне 0,24…0,36 %; однако параметр k _2U

изменяется в широких пределах, особенно для ТП 2 и 3.; на рис. 7 а показаны графики U = U ( t ), вычисленные на приемном конце ГИЛ 3.

На рис. 8 и в табл. 2 отражены результаты моделирования несинусоидальных режимов. Представленные данные дают возможность сформулировать следующие выводы:

• •    в сети с ГИЛ максимумы суммарных коэффициентов гармоник на 72…88 % ниже, чем в схеме с ВЛ;

• •    средние значения коэффициентов гармоник тока выше аналогичных показателей для напряжения в 31…59 раз;

• •    коэффициенты k _VAR для гармоник напряжения на шинах 110 кВ ТП 3 лежат в диапазоне 50…57 %; аналогичный показатель для тока находится в интервале 26…27 %.

Расчеты ЭМП осуществлялись с учетом гармонических искажений, создаваемых выпрямительными электровозами. Результаты проиллюстрированы на рис. 9–11. На рис. 9 показаны графики E _max = E _max( x ) и H _max = H _max( x ), вычисленные на приемном конце ГИЛ 3, где х координаты оси, проходящей перпендикулярно трассе линии.

На рис. 10 приведены аналогичные графики для отношений напряженностей ВЛ и ГИЛ, из которых видно, что ГИЛ создает ЭМП со значительно меньшей интенсивностью. Из-за рез-

Рис. 8. Зависимости k U = k U ( t ) (а) и k I = k I ( t ) (б) на шинах 110 кВ ТП 3 в сети с ГИЛ

Fig. 8. Dependencies k U = k U ( t ) (a) and k I = k I ( t ) (b) on the 110 kV buses of TS 3 in the network with GIL

Таблица 2. Максимальные значения суммарных коэффициентов гармоник k U на шинах 110 кВ ТП, %

Table 2. Maximum values of total harmonic distortion coefficients on 110 kV substation buses, %

Подстанция ГИЛ ВЛ Различия между столбцами, % A B C A B C 2 и 5 3 и6 4 и 7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ТП 1 0,24 0,22 0,16 0,87 1,16 0,59 72 81 73 ТП 2 1,32 1,94 1,14 7,76 15,91 8,73 83 88 87 ТП 3 1,48 2,47 1,46 9,19 21,17 11,32 84 88 87 кого снижения уровней напряженности ГИЛ по мере удаления от оси линии величины γE, γH быстро возрастают и достигают при х = 2 значения 39 для Emax и 6 для Hmax.

Так как коэффициенты гармоник токов существенно выше аналогичных параметров для напряжений, то влияние высших гармоник незначительно сказывается на напряженности электрического поля ГИЛ на высоте 1,8, но заметно увеличивает амплитуды H max (рис. 11, 12).

На рис. 13 показаны зависимости E _max = E _max( t ) и H _max = H _max( t ), вычисленные на приемном конце ГИЛ 3, из которых видно, что амплитуды магнитного поля варьируются более интенсивно, чем амплитуды электрического. Отвечающие этим графикам k VAR соответственно равны 0,39 и 56 %, что хорошо корреспондируется с показателями для токов и напряжений (см. рис. 6 и 7).

Рис. 9. Амплитуды напряженностей электрического (а) и магнитного (б) полей на высоте 1,8 м: 1 – ВЛ;

2 – ГИЛ

Fig. 9. Amplitudes of electric (a) and magnetic (b) field strengths: 1 – overhead power line; 2 – GIL

Рис. 10. Отношения амплитуд напряженностей ЭМП, создаваемых ВЛ и ГИЛ: 1 – Y^ ^- ^тах /^тах ;

2 – уН = H^(OHL) /H^(GIL) I         max / max

Fig. 10. Ratios of EMF strength amplitudes generated by OHL and GIL: 1 – 4^ ^- ^max * /^max ;

• 2 – yH - H^(OHL) /H^(G/L) /         max / max

Рис. 11. Амплитуды напряженностей ЭП (а) и МП (б): 1–50 Гц; 2 – с учетом высших гармоник

Fig. 11. Amplitudes of electric (a) and magnetic (b) field strengths: 1–50 Hz; 2 – Including Higher Harmonics

yy (harmonics) ц (50 Hz)

Рис. 12. Различия результатов расчета МП на основной частоте и с учетом ВГ: ^ = ^4^r^-100

Fig. 12. Differences in the results of magnetic field calculation at the fundamental frequency and taking into ac-yy (harmonics) yy (50 Hz)

count higher harmonics: XH ₌ jnax---------max . j _QQ

(50 Hz)

max

На рис. 14 представлены годографы векторов напряженностей ЭМП, вычисленные на приемном конце ГИЛ 3 и отвечающие 76-й минуте моделирования. Из них видно, что малые значения k _U незначительно искажают форму кривой E _y = E _y( E _x). Вследствие больших величин k ₁ графики H y = H y ( H x ), построенные для основной частоты и с учетом высших гармоник (ВГ), заметно отличаются.

Рис. 13. Зависимости E max = E max ( t ) (а) и H max = H max ( t ) (б)

Fig. 13. Dependencies E max = E max ( t ) (а) and H max = H max ( t ) (б)

Рис. 14. Годографы векторов напряженностей ЭМП

Fig. 14. Hodographs of electromagnetic field intensity vectors

Выводы

Разработаны цифровые модели, позволяющие определять режимы электрических сетей, реализованных на основе газоизолированных линий. Моделирование режимов железнодорожной системы электроснабжения показало, что на основе ГИЛ можно получить следующие положительные эффекты:

• •    уменьшение уровней несимметрии и гармонических искажений на вводах 110 кВ тяговых подстанций;

• •    уменьшение напряженностей ЭМП.

Использование ГИЛ позволяет значительно снизить коэффициенты несимметрии напряжений на шинах 110 кВ тяговых подстанций; при этом величины k 2U ГИЛ не выходят за нормативные пределы. Уровни гармонических искажений в сети ГИЛ в несколько раз ниже аналогичных показателей при использовании ВЛ. Проведенные расчеты ЭМП подтвердили, что – 61 –

ГИЛ создает напряженности электрического и магнитного полей, на порядок меньшие по сравнению с ВЛ, что резко снижает негативное воздействие на окружающую среду, персонал, население и электронное оборудование.