Повышение надежности и эффективности сверхдальних межсистемных связей

В перспективном плане развития Российской Федерации Дальний Восток стоит на передовой позиции. Стратегическим приоритетом является обеспечение необходимым запасом прочности базовых отраслей экономики наряду с улучшением социального климата на территории региона. В связи с этим возникает необходимость в развитой производственной инфраструктуре. Одним из ключевых факторов такого развития является надежное и качественное энергоснабжение. Создание единой национальной электрической сети (ЕНЭС) Востока России, объединяющей Восточную Сибирь и Дальний Восток, позволило бы дать мощный толчок в развитии производственной инфраструктуры, повысить надежность электроснабжения в связи с присоединением к ЕНЭС России и создать конкуренцию на рынке электрической энергии [1]. Все эти мероприятия могут способствовать развитию экономики всего региона.

Из-за значительной территориальной отдаленности промышленных центров и специфики расположения региона возникает проблема транспорта электроэнергии на большие расстояния. Не секрет, что транспорт электроэнергии напрямую конкурирует с транспортом топлива по железной дороге, нефте- и газопроводам, но ввиду их удаленности и только развивающейся инфраструктуры в регионе строительство линий электропередач является единственным оптимальным решением для энергоснабжения.

Существует несколько способов передачи электрической энергии на сверхдальние расстояния: на постоянном токе, компактные воздушные и управляемые самокомпенсирующиеся воздушные линии, многофазные электропередачи, полуволновые и настроенные на полуволну.

Вопрос о применении передач постоянного тока из-за отсутствия надежных коммутирующих аппаратов, отбора мощности и значительной капиталоемкости преобразовательных подстанций остается проблематичным [2].

Методы и способы повышения надежности и эффективности сверхдальних линий электропередачи

В основе оценки пропускной способности высоковольтной воздушной линии электропередачи лежит величина ее натуральной мощности P _Н, которая определяется выражением [3]:

P h = U^                     (1)

ZB где UЛ – линейное напряжение,

Z b = V ( Ro + j ^ю L э ) / ( g о + j ^ю C p ) — волновое сопротивление линии ( R 0 , g 0 , L Э , С Р – соответственно продольное сопротивление, поперечная проводимость, удельные эквивалентные индуктивность и рабочая емкость воздушной линии (ВЛ)).

Как видно из формулы, существуют два способа увеличения пропускной способности – изменением напряжения или волнового сопротивления.

Наиболее простым способом увеличения пропускной способности, является повышение линейного напряжения U _Л. Однако повышение линейного напряжения имеет и свою отрицательную сторону:

• •    увеличение расстояния между фазами и между фазами и заземленными частями линии;

• •    увеличение потерь электроэнергии на корону;

• •    увеличение стоимости как самой ВЛ, так и подстанционного оборудования;

• •    увеличение электромагнитного экологического влиянии линии [3];

Другим способом является понижение волнового сопротивления линии Z _B, что позволяет избежать вышеперечисленных недостатков.

Понижения волнового сопротивления можно добиться путем сближения фаз. На основе такого способа разработаны компактные трехфазные воздушные линии. На том же способе увеличения пропускной способности основываются управляемые самокомпенсирующиеся воздушные линии (УСВЛ). Разработанные варианты компактных воздушных линий и УСВЛ обладают на 20–50 % величиной натуральной мощности большей, чем обычные ВЛ того же класса напряжения [4]. Но многие вопросы требуют дальнейшего рассмотрения, экспериментальной проверки и проработок. Остается открытым вопрос разработки фазорегулирующих устройств и дальности электропередачи.

Для передачи больших потоков электроэнергии на дальние и сверхдальние расстояния можно использовать трехфазную систему с резервной фазой [5] и четырехфазную систему переменного тока (рис. 1).

При одинаковом фазном напряжении трехфазной и четырехфазной линии и идентичной конструкции их фаз, натуральная мощность четырехфазной линии превосходит почти в 1,5 раза натуральную мощность трехфазной линии [5].

Недостаток схемы преобразования фаз в том, что при нагруженной линии симметрия двухфазных напряжений нарушается в силу того, что схема несимметричная. Для фаз α и β внутреннее сопротивление источника электроэнергии различное [6].

По аналогии с двухцепными ВЛ были придуманы шестифазные электропередачи (ШЭП). В ШЭП с помощью фазопреобразующих устройств вместо двух 3-фазных систем с фазовым сдвигом 120° создается 6-фазная система с фазо- вым сдвигом 60°. Компактная конструкция 6-фазной линии повышает ее натуральную мощность на одну цепь на 40–50 % по сравнению с обычной 3-фазной ВЛ. Слабой стороной ШЭП является более низкая ее надежность по сравнению с двухцепной ЭП с 3-фазными ВЛ на разных опорах. Также применение ШЭП на сверхвысоком напряжении является проблематичным из-за сложной конструкции ВЛ и пониженной надежности [7].

Альтернативой могут стать сверхдальние полуволновые и настроенные на полуволну электропередачи. Доказано, что они обладают большим запасом статической устойчивости и независимостью напряжений от нагрузки на отправном и приемном концах линии, то есть они не нуждаются в дополнительной установке компенсирующих устройств [8].

На современном этапе в результате проведенных исследований обоснована их значимость, дока- зана техническая осуществимость и экономическая эффективность. Такие линии могут передавать электроэнергию на расстояния от 2000–4000 км. Но особенностью полуволновых электропередач является значительное изменение напряжения вдоль линии. Так, в средней части линии напряжение меняется от минимальной величины, близкой к нулю в режиме холостого хода, до наибольшего рабочего напряжения в режиме наибольшей загрузки. Это не позволяет осуществлять традиционным способом параллельный отбор мощности из ПЭП на большей её части в режимах сниженных нагрузок. Для расширения области применения полуволновых электропередач требуется решение задачи промежуточного отбора мощности в средней части линии [9].

Для исследования режимов любой линии требуется схема замещения. Схема замещения линии полуволнового типа является частным случаем схемы замещения традиционной линии электропередачи. Как известно, связь между режимными параметрами линий электропередач устанавлива- ется с помощью теории четырехполюсников по следующей формуле [10]:

U1 = U2 сos X + JI2to sin X, sin X

11 = JU 2----+12сos X, to

где U1, I1 ,U2 ,I2 – напряжения и токи по концам линии; to, X - волновое сопротивление и волновая длина линии.

Рис. 1. Принципиальная схема четырехфазной ЭП

Рис. 2. Напряжения и токи вдоль полуволновой линии в режиме холостого хода

Рис. 3. Схема замещения полуволновой линии c использованием идеального трансформатора

Рис. 4. Схемы промежуточного отбора мощности: а – параллельный; б – последовательный; в – последовательно-параллельный

Но для сверхдальних линий длиной более четверти волны традиционные схемы замещения не отражают всю полноту и создают ряд неудобств, например, для полуволновой линии продольное активное сопротивление колеблется в районе 0 и выходит за пределы положительного диапазона, а поперечные проводимости имеют чрезмерно большую величину [11]. Таким образом, традиционный подход для анализа и составления схемы замещения для полуволновой линии требует некоторых изменений с учетом свойств полуволновых линий. К таким свойствам относится равенство модулей и токов по концам электропередачи (рис. 2).

Предлагается использовать идеальный трансформатор с коэффициентом трансформации k = –1, т. е. трансформатор, токи и напряжения, на зажимах которого находятся в противофазе [12]. Тогда, используя каскадное соединение четырехполюсников, получим схему замещения полуволновой линии [11] (рис. 3).

В Сибирском научно-исследовательском институте энергетики (г. Новосибирск) были разработаны три способа присоединения трансформаторов промежуточного отбора мощности к полуволновой электропередаче (рис. 4): параллельный (в концевых зонах), последовательный (в средней зоне), последовательно-параллельный (в промежуточных зонах между концевой и средней).

В средней части линии ток независимо от передаваемой мощности изменяется в пределах 5–10 % от натурального, поэтому в этой части традиционно используется последовательный отбор. Но все меняется в режиме холостого хода, когда из-за отсутствия тока нагрузки схема становится неработоспособной [13].

Поэтому предлагается использование универсального параллельно-последовательного отбора мощности из ПЭП с помощью тиристорного стабилизатора параметров (ТСП), разработанного в институте физико-технических проблем Севера СО РАН [14].

Работа ТСП основана на методе стабилизации напряжения в точке отбора мощности. На рис. 5 представлена схема полуволновой электропередачи, на которой показана нагрузка в произвольной точке m и устройство реактивной мощности в пункте n , которое может потребоваться для введения режимов по условию напряжения в допустимую область.

В качестве исходной информации принимается мощность и напряжение на приёмном конце полуволновой электропередачи, мощность нагрузки в промежуточной точке, которая в общем случае может включать мощность дополнительных компенсирующих устройств, необходимых по условию обеспечения приемлемого режима напряжений в любой точке линии. Кроме того, предусматривается установка устройств реактивной мощности в промежуточном пункте со стороны отправного конца линии [15].

Обеспечение потребителей отбора мощности допустимым уровнем напряжения в «электрическом центре» и в промежуточных точках вдоль полуволновой линии электропередачи достигается двумя способами:

• •    первый вариант – изменением параметров линии электропередачи, которое привело бы к изменению ее эквивалентной волновой длины, то есть смещало бы только вдоль оси абсцисс зависимости напряжения от длины в нужном направлении (вправо или влево). Например, компенсацией только волновой длины линии, смещая только вдоль оси абсцисс от отправного конца линии путем передачи реактивно-емкостной мощности или путем передачи реактивно-индуктивной мощности от приемного конца линии (рис. 5) [16];

• •    второй вариант заключается в том, что нормализация режима напряжения в «электрическом центре» средней части полуволновой линии в допустимых областях реализуется изменением только волнового сопротивления линии и только вдоль оси ординат (рис. 6) [15].

Из рис. 6 видно, что график распределения напряжения может смещаться в разные стороны относительно оси абсцисс. Таким образом, в нужном месте отбора мощности можно поднять характеристику напряжения до требуемых ТСП значений (стабилизация возможна с 173 кВ). Но при данном варианте изменения параметров линии в некоторых режимах наблюдаются недопустимые уровни напряжений на концевых зонах (графики 4 и 6 на рис. 6).

L\ L InlU„I„. L„-Ln LUmL L-L L\

• ► •---------------► T ►-------------► 1 ►--------------•—►

1            "j          ^           2

S,=^ + ^ k=UjBn S^P^jQ3 S^P^jQ.

Рис. 5. Расчетная схема полуволновой линии с отбором мощности в произвольной промежуточной точке

Рис. 6. Распределение напряжения вдоль ПЭП в режимах натуральной мощности и холостого хода в зависимости от реактивной мощности на линии

Используя дополнительные источники реактивно-емкостной мощности, реализующие уменьшение в n раз индуктивности линии и увеличение в n раз емкости линии, можно обеспечить подъем характеристики напряжения вдоль оси ординат путем уменьшения только волнового сопротивления линии Z B = Дx 0 / Ь 0 . Это достигается путем передачи реактивно-емкостной мощности. В этом случае дополнительные устройства на линии выбираются так, чтобы уменьшить величину Z _B . При этом волновая длина (естественный угол сдвига напряжения) а₀ = ^ x 0 b 0 не изменится, а напряжение при отборе поднимется до требуемых ТСП значений (табл. 1) [15].

Рассматривая применение полуволновых линий, следует уделить внимание приоритетному направлению с выдачей мощности крупными электростанциями, включая Южно-Якутский гидроэнергетический комплекс, объединение Центрального, Южного и Западного энергетических районов Республики Саха (Якутия) с ОЭС Сибири, Востока и Магаданской области с экспортом в страны Азиатско-Тихоокеанского региона (рис. 7) [17].

При этом образуется несколько возможных вариантов реализации полуволновых электропередач (табл. 2). Наиболее перспективным следует считать вариант электрической связи с точкой объединения в городе Олекминске, при этом образуются три самостоятельные магистральные линии, позволяющие реализовать полуволновые тех-

Таблица 1

Параметры регулирования и значения напряжений в контрольных точках

Расстояние до точки отбора, м	Коэффициент регулирования	Напряжение, кВ
		на отправном конце	в середине линии	в месте отбора
2500	0,33	512,251	490,732	432,379
2000	0,16	524,346	443,07	468,11
1700	0,17	519,998	353,451	337,012
1500	0,15	502,938	432,626	432,626
1300	0,13	514,366	492,947	497,135
1000	0,147	524,558	440,628	473,058
500	0,15	513,814	367,282	511,323

Таблица 2

Основные характеристики магистральной линии полуволнового типа между объединениями Восточной Сибири, Республики Саха (Якутия) и Магаданской области

Показатели	Значения
Номинальное напряжение, кВ	500
Наибольшее рабочее напряжение, кВ	525
Длина линии, км	3100
Модуль волнового сопротивления, Ом	293
Коэффициент фазы, рад/км	–3 1,054·10
Коэффициент затухания, Нп/км	–5 5,420·10
Затухание полуволновой линии	0,163
Натуральная мощность линии при наибольшем рабочем напряжении, МВт	940
Пропускная способность линии, МВт	1019

Рис. 7. Перспективная схема развития электросетевых объектов на территории Республики Саха (Якутия)

Рис. 8. Трасса магистральной линии полуволнового типа между объединениями Восточной Сибири,

Республики Саха (Якутия) и Магаданской области

нологии: Усть-Илимская ГЭС – Колымская ГЭС, Усть-Илимская ГЭС – Бурейская ГЭС и Вилюй-ская ГЭС – Бурейская ГЭС (рис. 8) со следующими характеристиками (табл. 2) [17].

Заключение

Таким образом, разработанные методики расчета режимов напряжений в полуволновой электропередаче позволяют осуществлять отбор мощности с линии в любой точке подключения независимо от расстояния. Предложенный второй способ стабилизации режимных параметров на промежуточной подстанции не имеет недостатков первого способа и может быть использован для глубокого регулирования напряжения в месте отбора в случаях, когда напряжение в месте отбора находится в требуемых ТСП пределах, регулирование может быть выполнено первым способом. Сформированные варианты перспективного развития электроэнергетических центров Восточной Сибири и Дальнего Востока с применением полуволновых технологий позволяют обеспечить надежным электроснабжением и дать мощный импульс для развития экономики всего региона.