Энергетический факультет Кафедра Электрические системы Профессор Федин Виктор Тимофеевич Инновационные технические решения в системах производства, передачи и распределения энергии

Тема3.Системы передачи электроэнергии с сокращенным количеством линейных проводов и уменьшенным расстоянием между ними

Одноцепные системы передачи электроэнергии

Минимальные допустимые расстояния между фазами ограничиваются условиями : - коронного разряда; - грозовых и коммутационных перенапряжений с учетом принятой допустимой кратности перенапряжений; - приближения проводов при их раскачивании к заземленным частям опор при рабочем напряжении линии и безопасного подъема на опору. Разработаны различные технические решения, позволяющие уменьшить расстояния между фазами. К ним относятся: - различные варианты воздушных компактных линий электропередачи со сближением проводов только в пролете или как в пролете, так и на опорах ; - воздушные линии с самонесущими (до 1 кВ) и покрытыми (при напряжении до 60 кВ) проводами ; - воздушные линии с опорами охватывающего типа, в которых провода трех фаз расположены по одну сторону от стоек опор; - кабельные линии.

Рис. 1. Воздушная линия электропередачи без традиционных опор

Объем газа в аэростате для обеспечения требуемой подъемной силы определяется по формуле: где – М1 масса провода трех фаз, кг/м; М2 масса оболочки и крепежной арматуры, кг/м; Н высота подъема аэростата, м; Т время подъема, с; P1 плотность воздуха, кг/м3; Р2 плотность газа, кг/м3; G = 9,8 м/с2.

abсabс0 Рис. 2. Схема системы два провода земля

Рис. 3. Принципиальная электрическая схема одноцепной электропередачи переменного тока с независимым изменением фазового сдвига напряжений в каждой фазе

АВСАВС Рис. 4. Схема системы электропередачи с фазосдвигающими устройствами в двух фазах

АВСАВС , 3 55 Рис. 5. Схема системы электропередачи двумя объединенными линейными проводами

Рис. 6. Схема электропередачи переменного тока с фазосдвигающим устройством на передающем конце abс c х у z a b c аbс Н1Н1 Н2Н2 Н3Н3

abсa, bc х у z н a b c Рис. 7. Схема одноцепной трехфазной электропередачи с двумя линейными проводами 3 3

Рис. 8. Векторные диаграммы напряжений: а – на шинах передающей подстанции; б, в – на выводах фазосдвигающего устройства c а) а b c а b 60 o z yzx а b 60 o c yz x б)в) с b хy а zс b х а y

Рис. 9. Первый вариант схемы электропередачи с углом 120 градусов

Рис. 10. Второй вариант схемы электропередачи с углов 120 градусов

Рис. 11. Первый вариант схемы электропередачи с углом 60 градусов

Рис. 12. Второй вариант схемы электропередачи с углом 60 градусов

c b a x ' 7 a ' x '' 10 a'' x''' 13 a''' y ' 8 b' y'' 11 b'' y''' 14 b''' z' 9 c' z'' 12 c'' z'''15 c''' X ' 17 A' X'' 20 A'' X''' 23 A''' 16 Y ' 18 B' Y'' 21 B'' Y''' 24 B''' 16 Z ' 19 C' Z'' 22 C'' Z''' 25 C''' 4 A B C Рис.13. Схема одноцепной электропередачи со сдвигом векторов напряжений каждой из двух фаз относительно третьей фазы на угол 30 градусов

а сb а А СВ бвгд У a b x z c y c x y c b x b a b x y x z a Z Z Y C Z X B C Y C X A Y X B B Z X Y Y Рис. 14. Векторные диаграммы напряжений: а – на шинах передающей подстанции; б – на выводах фазосдвигающего устройства передающей подстанции; в – на линии; г – на выводах фазосдвигающего устройства приемной подстанции; д – на шинах приемной подстанции

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ С УМЕНЬШЕННЫМИ МЕЖДУФАЗНЫМИ РАССТОЯНИЯМИ Наиболее важные электрические параметры и технические характеристики электропередачи следующие : активное сопротивление; реактивное сопротивление; активная проводимость; реактивная проводимость; волновое сопротивление; натуральная мощность; зарядная мощность; напряженность электрического поля; потери мощности на корону.

Индуктивность i-го провода в системе из n проводов: где – токи в i-м и j-м проводах, А; – собственная индуктивность i-го провода, Гн/км; – взаимная индуктивность между i-м и j-м проводами, Гн/км; – угол между векторами токов в i-м и j-м проводах, рад. Если токи во всех проводах равны, то: (1) (2)(2)

Собственная и взаимная индуктивности провода определяются по формулам: где r i – радиус i-го провода, м; D ij расстояние между i-м и j-м проводами, м; μ относительная магнитная проницаемость материала провода, предполагаемая постоянной (для алюминия μ 1). (3)(3) (4)

Удельные емкости находятся на основании системы уравнений Максвелла, связывающих электрические заряды и потенциалы проводов: (5) где – напряжения и заряды проводов 1, 2, …, n; – потенциальные коэффициенты проводов.

Потенциальные коэффициенты проводов определяются по формулам: (6) (7)(7) где– диэлектрическая постоянная; – среднее расстояние от i-го провода до земли(h cpi и r i в одних единицах); h i – высота точки подвеса i-го провода над землёй; f стрела провеса проводов; D ij – расстояние между i-м проводом и зеркальным отражением j-го провода относительно земли (D ij и D ij ) в одних единицах).

Далее решается система уравнений (5) относительно зарядов: (8) Наконец, определяется удельная ёмкость проводов: (9)(9)

Напряжённость электрического поля E на проводе, как и в любой точке пространства, определяется по горизонтальной Ex и вертикальной Ey составляющим градиента электрического поля: (10) (11) (12) где n – число проводов; вещественная и мнимая составляющие заряда i-го провода; B i, A i - коэффициенты для i-го провода, определяемые геометрическими расстояниями:

(13) (14) где- расстояния от расчётной точки с координатами (x,y) до соответственно i-го провода с координатами (x i, y i ) и его зеркального отображения относительно земли (координаты x, x i, y, y i в метрах): (15) (16)

Начальная напряжённость короны определяется по формуле : (17) где m n – коэффициент негладкости для скрученного провода, равный 0,82; r – радиус провода, см. Потери мощности на корону рассчитаем с учётом продолжительности основных групп погоды (хорошая погода, сухой снег, дождь, изморозь) по обобщённым характеристикам Θ, которые являются функцией отношения k = E/E0, где E и E0 выражены в одних единицах. Значения Θi с высокой степенью точности могут быть аппроксимированы выражениями : (17) (18) (19) (20)

Среднегодовые потери мощности на корону i-го провода определяются по заданным вероятностям групп погоды ψ x.n, ψ c.c, ψ д ψ из : где r i – радиус i-го провода, см; (22) ψ x.n, ψ c.c, ψ д ψ из - вероятности групп погоды (соответственно хорошей погоды, сухого снега, дождя и изморози). Вероятности групп погоды для европейской средней полосы равны: ψ x.n = 0,806, ψ c.c = 0,086, ψ д = 0,071, ψ из = 0,037. Активная проводимость i-го провода: (23) Активное сопротивление проводов при частоте 50 Гц приблизительно равно омическому сопротивлению, т. е. можно пренебречь явлением поверхностного эффекта. Активное сопротивление i-го провода Ri определяется по справочным данным.

Полное сопротивление Z и проводимость Y линии электропередачи, содержащей m одинаковых цепей, определим по формулам: (24) (25) гдеугловая частота синусоидального тока; - номинальная частота системы. Волновое сопротивление линии: (26)

Натуральная мощность линии: (27) где U – номинальное линейное напряжение линии электропередачи, В. Зарядная мощность линии: (27) Среднегодовые потери мощности на коронирование проводов: (28)

Примеры расчетов для электропередачи с углом 60 градусов Рис.15 – Конструкция опоры и схема расположения проводов

Таблица 1 – Варианты исходных данных Напряжение, кВ Стрела провеса, м Габарит линии, м Расстояние между фазами а и b, м Расстояние между фазами b и с, м , , ,7

Таблица 2 – Варианты расчета параметров при напряжении 110 кВ АС 70/11АС 95/16 ФазаАВСАВС r 0, Ом/км0,422 0,301 x 0, Ом/км0,2980,352 0,2910,344 g , См/км0,0060,01 0,0120,0250,024 b , См/км2,0291,517 2,0291,517 Z в, Ом 366,88- -j222,57 585,16- -j236,17 584,84- -j237,24 347,03- -j150,65 546,69- -j180,55 546,43- -j181,67 S нат, МВА8,04+j4,885,93+j2,395,92+j2,409,78+j4,256,65+j2,06,65+j2,1 q c, квар/км7,866,01 7,866,01 p к, кВт/км0,0240,05980,05690,0480,1010,097

Таблица 3 – Варианты расчета параметров при напряжении 220 кВ АС 240/32АС 300/39 ФазаАВСАВС r 0, Ом/км0,118 0,096 x 0, Ом/км0,2650,295 0,2600,289 g , См/км 0,0260,0370,0350,0360,0490,047 b , См/км 1,0140,758 1,0140,758 Z в, Ом 453,28+ +j5,54 661,68- --j132,40 661,50- -j134,10 453,82+ +j32,94 646,56- -j110,19 646,44- -j112,01 S нат, МВА 35,59+ +j0,44 23,44+ +j4,69 23,43+ +j4,75 35,36+ +j2,57 24,25+ +j4,13 24,23+ +j4,20 q c, квар/км15,7212,02 15,7212,02 p к, кВт/км0,4220,5900,5710,5860,7860,762

Таблица 4 – Варианты расчета параметров при напряжении 330 кВ АС 2 240/32АС 2 300/39 ФазаАВСАВС r 0, Ом/км0,06 0,048 x 0, Ом/км0,1350,142 0,1330,139 g , См/км 0,0230,032 0,0430,042 b , См/км 1,3531,011 1,3531,011 Z в, Ом 273,88+ +j17,26 399,47- -j93,64 399,92- -j94,53 275,00+ +j33,64 390,10- -j81,15 389,98- -j82,08 S нат, МВА 132,02- -j8,32 86,14+ +j20,19 86,08+ +j20,38 130,05+ +j15,91 89,19+ +j18,55 89,13+ +j18,76 q c, квар/км47,1636,06 47,1636,06 p к, кВт/км0,8441,1761,1451,1731,571,53

Двухцепные системы передачи электроэнергии

Е а1 Еа2Еа2 Еc1Еc1 Еb1Еb1 Еb2Еb2 Е c2 Ic1Ic1 Ib1Ib1 Ib2Ib2 I с2 zc1zc1 zb1zb1 z b2 zс2zс2 z а1 zа2zа2 m n а) Ia1Ia1 Ia2Ia2

Е а1 Еа2Еа2 Еc1Еc1 Еb1Еb1 Еb2Еb2 Е c2 Ic1Ic1 Ib1Ib1 Ib2Ib2 I с2 zc1zc1 zb1zb1 z b2 zс2zс2 z а1 zа2zа2 m n б) Ia1Ia1 Ia2Ia2 Рис. 1. Принципиальная схема двухцепной системы передачи электроэнергии: а – с синфазной системой напряжений источников; б- с противофазной системой

Рис. 2. Схема двухцепной электропередачи с сокращенным количеством проводов

Рис.3. Схема двухцепной электропередачи с нулевым фазовым сдвигом между линейными проводами каждой из цепей и углом 120 градусов между проводами разных цепей

Рис.4. Векторные диаграммы напряжений: а – первой цепи; б – второй цепи

Рис. 5. Схема двухцепной электропередачи с сонаправленными векторами напряжений всех фаз каждой цепи и со сдвигом векторов напряжений фаз разных цепей, равном 60 градусов (вариант 1)

Рис. 6. Векторные диаграммы напряжений первой цепи на передающем конце линии: а – на шинах передающей подстанции; б – на полуобмотках трансформатора; в – на фазе a линии; г – на фазе b линии; д – на фазе c линии; е – на всех фазах.

Рис.7. Векторные диаграммы напряжений второй цепи на передающем конце линии: а – на шинах передающей подстанции; б – на полуобмотках трансформатора 5; в – на фазе a линии; г – на фазе b линии; д – на фазе c линии; е – на всех фазах.

Рис.8. Векторные диаграммы напряжений первой цепи на приемном конце линии: а – на шинах передающей подстанции; б – на полуобмотках трансформатора; в – на фазе a линии; г – на фазе b линии; д – на фазе c линии; е – на всех фазах.

Рис. 9. Векторные диаграммы напряжений второй цепи на передающем конце линии: а – на шинах передающей подстанции; б – на полуобмотках трансформатора 5; в – на фазе a линии; г – на фазе b линии; д – на фазе c линии;е – на всех фазах.

Рис. 10. Схема двухцепной электропередачи с сонаправленными векторами напряжений всех фаз каждой цепи и со сдвигом векторов напряжений фаз разных цепей, равном 60 градусов (вариант 2)

Рис. 11. Векторные диаграммы напряжений первой цепи на передающем конце линии: а – на шинах передающей подстанции; б – на полуобмотках трансформатора; в – на фазе a линии; г – на фазе b линии; д – на фазе c линии;е – на всех фазах.

Рис.12.Векторные диаграммы напряжений второй цепи на передающем конце линии: а – на шинах передающей подстанции; б – на полуобмотках трансформатора; в – на фазе a линии; г – на фазе b линии; д – на фазе c линии;е – на всех фазах.

Рис.13. Векторные диаграммы напряжений первой цепи на приемном конце линии: а – на входе трансформатора; б – на трансформаторе после трансформации; в – на выводе фазы a; г – на выводе фазы b; д – на выводе фазы c; е – на шинах подстанции

Рис. 14. Векторные диаграммы напряжений второй цепи на приемном конце линии: а – на входе трансформатора; б – на трансформаторе после трансформации; в – на выводе фазы a; г – на выводе фазы b; д – на выводе фазы c; е – на шинах подстанции

Варианты схем размещения фазных проводов на опорах воздушных линий различного номинального напряжения При разработке схем размещения фазных проводов на опорах воздушных линий следует соблюдать следующие нормированные расстояния: а) hг – нормированный габарит линии до земли; б) fнб – наибольшая стрела провеса провода; в) fа – изоляционные расстояния между проводами фаз для предотвращения их схлестывания; г) lг – длина гирлянды изоляторов с арматурой; д) hт – высота крепления троса над траверсой (высота тросостойки); е) d – расстояние от провода до стойки опоры; ж) D – расстояние между разными цепями воздушной линии.\ Напомним, что воздушные линии электропередач для новых технических решений имеют нулевую разность потенциалов между проводами линии электропередачи, а сдвиг по фазе напряжений проводников разных цепей равен 60˚.

Рис.1 – Схема размещения фазных проводов на опоре воздушной линии напряжением 35 – 330 кВ: 1 – грозозащитный трос; 2 – тросостойка; 3 - траверса; 4 – изоляция; 5 – провод; 6 – стойка опоры

Рис..2 – Схема размещения фазных проводов на опоре воздушной линии напряжением 35 – 330 кВ: 1 – грозозащитный трос; 2 – тросостойка; 3 - траверса; 4 – изоляция; 5 – провод; 6 – стойка опоры

Рис.3 – Схема размещения фазных проводов на опоре воздушной линии напряжением 35 – 330 кВ: 1 – грозозащитный трос; 2 – тросостойка; 3 - траверса; 4 – изоляция; 5 – провод; 6 – стойка опоры

Рис.4 – Схема размещения фазных проводов на опоре воздушной линии напряжением 330 кВ с расщеплением фазы на два провода: 1 – грозозащитный трос; 2 – тросостойка; 3 - траверса; 4 – изоляция; 5 – провод; 6 – распорка; 7 – стойка опоры

Рис.5 – Схема размещения фазных проводов на опоре воздушной линии напряжением 330 кВ с расщеплением фазы на два провода: 1 – грозозащитный трос; 2 – тросостойка; 3 - траверса; 4 – изоляция; 5 – провод; 6 – распорка; 7 – стойка опоры

Рис.6 – Схема размещения фазных проводов на опоре воздушной линии напряжением 500 кВ с расщеплением фвзы на три провода: 1 – грозозащитный трос; 2 – тросостойка; 3 - траверса; 4 – изоляция; 5 – провод; 6 – распорка; 7 – стойка опоры

Рис.7 – Схема размещения фазных проводов на опоре воздушной линии напряжением 500 кВ с расщеплением фазы на три провода: 1 – грозозащитный трос; 2 – тросостойка; 3 - траверса; 4 – изоляция; 5 – провод; 6 – распорка; 7 – стойка опоры

Рис.8 – Схема размещения фазных проводов на опоре воздушной линии напряжением 750 кВ с расщеплением фазы на четыре провода: 1 – грозозащитный трос; 2 – тросостойка; 3 - траверса; 4 – изоляция; 5 – провод; 6 – распорка; 7 – стойка опоры

Из представленных выше схем размещения фазных проводов видно, что горизонтальные размеры опор новых типов воздушных линий различного номинального напряжения значительно меньше по сравнению с традиционными. Следовательно, уменьшается объем материала, из которого изготовлены элементы опор и их стоимость, а также ширина полосы отчуждения территории под трассы линий.

Спасибо за внимание