ГЛАВА 4 Схемы замещения элементов систем

ГЛАВА 4 Схемы замещения элементов систем

Передачи электрической энергии

Общие сведения

Передача электроэнергии по проводникам сопровождается распростра­нением электромагнитного поля в проводах и окружающей их среде. Под действием переменного напряжения возникают переменные магнитное поле вокруг проводов и электростатическое поле между фазными проводами и каждым из проводов и землей. Электромагнитное поле характеризуется на­пряженностью, изменяющейся вдоль линий электропередач (ЛЭП). В прово­дах линий наводится ЭДС само- и взаимоиндукции, изменяющихся вдоль ЛЭП. Электростатическое поле приводит к появлению токов смещения (за­рядных токов), значения которых зависят как от свойств диэлектрика, окру­жающего проводник, так и от разности потенциалов между проводом и зем­лей, а для трехфазных ЛЭП – и от разности потенциалов между проводами. Зарядные токи, накладываясь на нагрузочный ток, определяют изменение тока вдоль линии.

Электрические сети переменного тока – трехфазные, и если неоговорено специально, то будем рассматривать симметричную и транспонированную сеть при симметричных и синусоидальных токах и напряжениях. При этом можно рассматривать схемы замещения (СЗ) и параметры режима только од­ной фазы.

В большинстве случаев можно полагать, что параметры СЗ линии электро­передачи (активное и реактивное сопротив­ления, активная и емкостная про­водимости) равномерно распределены по ее длине. Для линии сравнительно не­большой длины (до 300 – 400км) распределенность параметров можно не учитывать и ис­пользовать сосредоточенные параметры: ак­тивное и реактивное сопротивле­ния линии  и , актив­ную и емкостную проводимости линии  и .

Параметры СЗ ЛЭП определяются ее длиной и удельными значениями сопротивлений и проводимостей. Параметры СЗ зависят от:

- конструктивного выполнения (воздушные или кабельные линии);

- числа цепей;

- номинального напряжения;

- взаимного расположения фаз и цепей;

- материала токоведущих элементов и изоляции

Коронирование и соответственно потери активной мощности сильно зависят от напряжения ВЛ, радиуса провода, атмосферных условий и состояния поверхности провода. Чем больше рабочее напряжение и меньше радиус проводов, тем больше напряжённость электрического поля. Ухудшение атмосферных условий (высокая влажность воздуха, мокрый снег, изморозь на поверхности проводов, заусенцы, царапины) также способствуют росту напряжённости электрического поля и соответственно потерь активной мощности на коронирование. Коронный разряд вызывает помехи на радио- и телевизионный приём, коррозию поверхности проводов ВЛ.

Наиболее радикальным средством снижения потерь мощности на «ко­рону» является увеличение диаметра прово­да. В связи с этим в ПУЭ опреде­лены наименьшие допустимые се­чения проводов в зависимости от номи­нального напряжения: 110 кВ-70 , 150 кВ-120 , 220кВ-240 , 330 кВ – 300 , 500 кВ – 330 , 750 кВ – 400 .

Активная проводимость линии определяется выражением:

Удельную активную проводимость можно определить по формуле:

где  - потери активной мощности, которые определяются эксперимен­тально при включении линии на номинальное напряжение  в режиме холо­стого хода. Потери на «корону» не зависят от материала провода.

Основными методами уменьшения потерь на образование «короны» яв­ляется: увеличение диаметра провода, расщепление фазного провода, приме­нение полых проводов увеличенного диаметра.

При расчете установившихся режимов сетей до 220 кВ активная прово­димость практически не учитывается. В се­тях с  кВ при определении потерь мощности, при расчете оптимальных режимов необходимо учитывать потери на «корону».

4.  - емкостная проводимость

Емкостная проводимость обусловлена емкостями между проводами раз­ных фаз и емкостью провод–земля и определяется следующим образом:

где - удельная емкостная проводимость, См/км.

В схеме замещения ЛЭП используется расчётная (рабочая) ёмкость плеча эквивалентной звезды, полученной из преобразования треугольникапроводимостей  в звезду, рис. 4.3, в.

                                               Рис. 4.3

В практических расчётах рабочую ёмкость трёхфазной ВЛ с одним проводом в фазе на единицу длины (Ф/км) определяют по формуле 

 .

Емкостная проводимость ВЛ и КЛ, См/км, определяется по общей

формулой

.

Тогда, для воздушной линии при частоте 50Гц, емкостная проводимость схемы замещения определяется выражением

 не зависит от материала провода.

ЛЭП с поперечной ёмкостной проводимостью, потребляющую из сети опережающий напряжение емкостный ток, следует рассматривать как источник реактивной мощности, чаще называемой зарядной. Имея ёмкостной характер, зарядная мощность уменьшает индуктивную составляющую нагрузки, передаваемой по линии к потребителю.

Под действием приложенного к линии напряжения через емкости линий протекают емкостные (зарядные) токи. Тогда расчётное значение емкостного тока на единицу длины линии

и соответствующая ему зарядная мощность трёхфазной ЛЭП

.

Значение зарядной мощности для всей ЛЭП определяется через действительные (расчётные) напряжения начала и конца линии

.

При кВ проводимость можно заменить мощностью (нагруз­кой) если напряжение на этой проводимости постоянно. Проводимость ли­нии  обусловлена емкостями и имеют емкостной характер, следовательно, она может быть заменена отрицательной нагрузкой. Т.к. реактивная (генерируемая ли­ний) зарядная мощность, вызванная этой проводимостью, направлена в ли­нию. В этом случае П-образные схемы замещения, рис. 4.4, выглядит сле­дующим образом

Рис.4.4

Зарядные мощности в начале и в конце линии определяются формулами:

где  и -  напряжение в начале и в конце линии соответственно, кВ.

Расстояние между фазами ЛЭП в каждом классе напряжения, особенно для ВЛ, практически одинаковое, что и определяет неизменность результирующего потокосцепления фаз и ёмкостного эффекта линий. Поэтому для ВЛ традиционного исполнения (без глубокого расщепления фаз и специальных конструкций опор) реактивные параметры мало зависят от конструктивных характеристик линии, т. к. расстояния между фазами и сечения (радиуса) проводов практически неизменны, что в приведённых формулах отражено логарифмической функцией.

Для воздушных линий кВ емкостную проводимость можно не учи­тывать.

Для линий  и при длине линии от 300 до 1000 км для оп­ределения удельных параметров П-образной схемы замещения исполь­зуются поправочные коэффициенты на длину линии.

При кВ для определения параметров П-образной схемы замеще­ния учитываются равномерное распределение сопротивлений и проводимо­стей вдоль линии.

 

С расщепленными фазами

Если каждая фаза выполнена двумя и более проводами, то такая конструкция фазы называется расщеплённой. В линиях традиционного исполнения с номинальным напряжением 330 кВ фазы расщепляются на два провода, в линиях 500 кВ – на три провода, в линиях 750 кВ – на четыре-пять проводов. Основными назначениями расщепления фаз является увеличение пропускной способности ВЛ, что достигается при неизменном номинальном напряжении и сечении путём снижения индуктивного сопротивления ЛЭП и снижение (ограничение) потерь на «корону» до экономически приемлемого уровня. 

При  проводах в фазе увеличивается эквивалентный радиус расщепленной конструкции фазы, рис. 4.5

Рис.4.5

где - среднегеометрическое расстояние между проводами одной фазы ( ~ 40÷60 см); - эквивалентный диаметр провода, см; - число проводов в одной фазе,  - диаметр проводов составляющих фазу линии.

Удельное индуктивное сопротивление такой ВЛ уменьшается и определяется формулой

Снижение , достигаемое в основном за счёт уменьшения внешнего сопротивления фазы , которое определяется первым слагаемым в выше приведенной формуле.

Величина  при той же суммарной затрате метала всегда больше, чем радиус первоначального провода > . Например, если провод фазы сече­нием 600  с радиусом = 16,5 расщепить на два провода сечением 300  и = 12,2  и = 400  то  следова­тельно эквивалентный радиус увеличивается примерно в 4 раза, что соответ­ствует увеличению сечения провода в 16 раз при той же затрате металла. Этот эффект достигается тем, что при расщеплении проводов происходит пе­рераспределение поля. Поля между расщепленными проводами ослабляются и вытесняются наружу, как бы увеличивая сечение. Чем больше число проводов в фазе, чем силь­нее этот эффект. Однако каждый дополнительный провод дает меньший до­полнительный эффект. Например, при двух проводах в фазе индуктивное со­противление уменьшается на 19%, при трех – на 28%, при четырех – на 32% и т.д. по сравнению с нерасщепленным проводом.

Удельное активное сопротивление фазы ЛЭП с расщепленной фазой

где - удельное сопротивление расщепленного провода, определяемое по справочной литературе.

Однако для ВЛ указанных номинальных напряжений . Поэтому увеличение пропускной способности достигается в основном снижением индуктивного сопротивления.

Таким образом, расщепление приводит к уменьшению удельного индук­тивного сопротивления  при той же затрате металла и снижает этим потери реактивной мощности в ЛЭП.

С увеличением эквивалентного радиуса фазы снижается напряжённость электрического поля вокруг фазы и, следовательно, потери мощности на «корону». Тем не менее значения этих потерь для ВЛ высокого и сверхвысокого напряжения (220 кВ и более) составляют заметные величины, учёт которых необходим при анализе режимов линий указанных классов напряжений.

Расщепление фазы на несколько проводов увеличивает ёмкость ВЛ и соответственно емкостную проводимость 

Например, при расщеплении фазы ВЛ 220 кВ на два провода емкостная проводимость возрастает с 2,7⋅10−6 до 3,5⋅10−6 См/км. Тогда зарядная мощность ВЛ 220 кВ средней протяжённости, например 200 км, составляет около 40 МВАр, что соизмеримо с передаваемыми мощностями по ВЛ данного класса напряжения. 

 

 

ГЛАВА 4 Схемы замещения элементов систем