CC BY
82
Оригинальная статья / Original article
УДК 621.316.9:683.06
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-91-99
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПО СХЕМЕ «ДВА ПРОВОДА - ЗЕМЛЯ»
© Н.С. Бурянина1, Ю.Ф. Королюк2, Е.В. Лесных3
Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова, Российская Федерация, Республика Саха (Якутия), 677000, г. Якутск, ул. Белинского, 58. 2Чукотский филиал Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова, Российская Федерация, Чукотский автономный округ, 689000, г. Анадырь, ул. Студенческая, 1. 3Сибирский государственный университет путей сообщения, Российская Федерация, 630049, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. В данной работе проведены исследования линий электропередачи, работающих в режиме «два провода - земля» (ДПЗ), рассмотрены температурные режимы заземлителей, определены зависимости потерь электроэнергии от режимов линий ДПЗ. МЕТОДЫ. Исследования выполнены по программам в фазных координатах, позволяющих моделировать коммутации на отдельных фазах линии, учитывать неравную нагрузку по фазам. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Показано, что линии ДПЗ имеют меньшие потери электроэнергии при передаче ее потребителям и тем больше, чем больше передаваемая мощность и длина линии. Рассмотрены режимы четырехфазных линий электропередач, в том числе пятипроводных. Рекомендовано симметрирование напряжений конденсаторными батареями, мощность которых составляет 0,05-0,07 МВАр от передаваемой полной мощности. ВЫВОДЫ. Использование линий электропередачи по схеме «два провода - земля» в современных условиях экономически целесообразно ввиду существенно меньших потерь мощности в них по сравнению с трехпроводными линиями, что особенно эффективно при напряжении 6-35 кВ, а также при использовании четырехфазных линий электропередачи, состоящих из двух ДПЗ, напряжения на одноименных фазах которых противоположны по направлению.
Ключевые слова: линии электропередачи «два провода - земля» (ДПЗ), температурный режим заземлителей, снижение потерь электроэнергии, симметрирование напряжений.
Формат цитирования: Бурянина Н.С., Королюк Ю.Ф., Лесных Е.В. Использование линий электропередачи по схеме «два провода - земля» // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 3. С. 91-99. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-91-99
USING "TWO WIRES - EARTH" POWER TRANSMISSION LINES N.S. Buryanina, Y.F. Korolyuk, E.V. Lesnykh
Ammosov North-Eastern Federal University,
58, Belinsky St., Yakutsk, Sakha Republic (Yakutia), 677000, Russian Federation. Chukotka branch of Ammosov North-Eastern Federal University,
1, Studencheskaya St., Anadyr, Chukotka Autonomous District, 689000, Russian Federation. Siberian State Transport University,
191, Dusi Kovalchuk St., Novosibirsk, 630049, Russian Federation.
ABSTRACT. PURPOSE. The paper deals with transmission lines operating in a mode of "two wires - earth" (TWE). It studies the temperature modes of grounding, determines power loss dependence on the modes of TWE lines. METHODS. The research is carried out by phase coordinates in the programs allowing to simulate switching on separate
1Бурянина Надежда Сергеевна, доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой электроснабжения, e-mail: bns2005_56@mail.ru
Nadezhda S. Buryanina, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Power Supply, e-mail: bns2005_56@mail.ru
2Королюк Юрий Федорович, кандидат технических наук, профессор, и.о. заведующего кафедрой общих дисциплин, e-mail: kuf2005_41@mail.ru
Yuriy F. Korolyuk, Candidate of technical sciences, Professor, Acting Head of the Department of General Studies, e-mail: kuf2005_41@mail.ru
3Лесных Елена Владимировна, кандидат технических наук, доцент кафедры электротехники, диагностики и сертификации, e-mail: abbiel@mail.ru
Elena V. Lesnykh, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electrical Engineering, Diagnostics and Certification, e-mail: abbiel@mail.ru
phases of a line considering unequal phase loads. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. TWE lines are shown to have lower power losses under transmission of power to consumers. However, the losses increase with the growth of the transmitted power and line length. The study is given to the modes of four-phase transmission lines including five-wire lines. It is recommended to carry out voltage balancing by capacitor banks with the capacity of 0.05-0.07 MVAr from the transferred full power. CONCLUSIONS. The use of "two wires - earth" power lines is economically feasible in modern conditions due to much lower power losses as compared with the three-wire lines. This is especially effective at the voltage of 6-35 kV as well as under the use of four-phase power lines consisting of two TWE the voltages at the same phase of which are opposite in direction.
Keywords: "two wires - earth" (TWE) power lines, ground wire temperature mode, reducing power losses, voltage balancing
For citation: Buryanina N.S., Korolyuk Yu.F., Lesnykh E.V. Using "two wires - earth" power transmission lines. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 3, pp. 91-99. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-20173-91-99
Введение
Линии электропередачи «два провода - земля» (ДПЗ), на наш взгляд, незаслуженно забыты. Широко используемые в 30-50-х годах прошлого столетия они решали проблему дефицита провода при строительстве электрических сетей с изолированной нейтралью [1, 2]. Линии ДПЗ рекомендовались в основном для электрификации объектов сельского хозяйства от местных электростанций на напряжении 6 кВ, и длина их не превышала нескольких километров. Рассматривая линии ДПЗ, проектировщики и эксплуатационники проводили расчеты режимов при сопротивлениях контуров заземления приемных и передающих подстанций на уровне 4-5 Ом. Поэтому преимущество линий ДПЗ ограни-
чивалось экономией только проводов. По этой причине сопротивления заземлителей в сумме превышали сопротивления фаз линий, и осталось незамеченным такое преимущество линий ДПЗ, как существенно меньшие потери электроэнергии. Следует отметить, что высшим напряжением большинства подстанций в 1930-х годах было 35 кВ, и, следовательно, сопротивление контуров заземления подстанций не регламентировалось сопротивлением 0,5 Ом, которое в настоящее время определено в п. 1.7.90 «Правил устройства электроустановок»1. Значительная доля линий 35 кВ сегодня получает питание именно от таких подстанций.
Исходные данные и методы исследования
Рассматривая режимы ДПЗ, следует ограничить сопротивление заземления исходя из его температурного состояния. Верхняя температура не должна превышать температуры кипения воды. Связь тока, протекающего через заземлитель, с его сопротивлением и установившейся температурой выражается уравнением Оллендорфа [3]:
1-Я= , (1)
где I - ток в заземлителе; R - сопротивление заземлителя; у - коэффициент теплопроводности грунта; р- удельная проводимость грунта; т}, т2- установившиеся температуры грунта без тока в заземлители и с током в нем.
В табл. 1 и 2 приведены средние значения удельного сопротивления и коэффициент теплопроводности грунтов, характерных для большей части территории России. Если исключить сухие грунты, то
1
Правила устройства электроустановок: 7-е изд.; утв. приказом Минэнерго России от 08.07.2002 г. № 204 / Rules of Electrical Installations; 7th edition; approved by the Order of the Ministry of Energy of Russia from 8 July 2002, no. 204.
среднее значение удельного сопротивления можно принять на уровне 60-600 Омм, а коэффициент теплопроводности -0,9-1,5 Вт/мК.
Задаваясь разностью температур, меньшей температуры кипения воды, при заданном токе в заземлителе можно определить его допустимое сопротивление. При температурах грунта вокруг заземлителя, равных 10 и 95оС, без протекания и с протеканием токов сопротивление заземлите-
ля равно:
2 • У- • 85
R =
(2)
На рис. 1 представлена зависимость допустимой длины линии электропередачи от передаваемой мощности при условии 10% потери напряжения, что хорошо согласуются с данными, приведенными в работе [4].
I
Таблица 1
Среднее значение удельного сопротивления грунтов
Table 1
Mean value of soil specific resistance
Грунт / Soil Среднее значение удельного сопротивления, Омм / Mean value of specific resistance, Ohmm
Песок, сильно увлажненный грунтовыми водами / sand strongly moistened by groundwater 10-60
Песок, умеренно увлажненный / Moderately moistened sand 60-130
Песок влажный / Wet sand 130-400
Песок слегка влажный / Slightly moistened sand 400-1500
Супесь (супесок) / Sandy loam (speak) 150
Глина влажная / Wet clay 20
Суглинок, сильно увлажненный грунтовыми водами / Clay loam strongly moistened by groundwater 10-60
Суглинок полутвердый, лесовидный / Semi-solid loess loam 100
Таблица 2
Среднее значение теплопроводности грунтов
Table 2
The average value of soil thermal conductivity_
Грунт / Soil Коэффициент теплопроводности, Вт/мК / Coefficient of thermal conductivity, W/mK
Грунт 10% воды / Soil containing 10% of water 1,75
Грунт 20% воды / Soil containing 10% of water 2,1
Грунт сухой / Dry soil 0,4
Грунт утрамбованный / Compacted soil 1,05
Песок / Sand:
0% влажности / 0% humidity 0,33
10% влажности / 10% humidity 0,97
20% влажности / 20% humidity 1,33
а b
Рис. 1. Зависимость допустимой длины линии электропередачи от передаваемой мощности при условии 10% потери напряжения: a - линия номинальным напряжением 10 кВ;
b - линия номинальным напряжением 35 кВ Fig. 1. Dependence of power line permissible length on transmitted power provided 10% voltage drop: a - 10 kV rated voltage line; b - 35 kV rated voltage line
Оценим температурные режимы за-землителей при передаваемых мощностях в диапазоне от 0,5 до 3 МВА в сетях напряжением 10 кВ и при передаваемых мощностях в диапазоне от 5 до 30 МВА в сетях напряжением 35 кВ. На рис. 2 приведены зависимости необходимых величин сопротивлений заземлителей от передаваемых по линиям ДПЗ 35 и 6 кВ мощностей.
Сырой грунт и влажный песок обеспечивают температуру вокруг заземлите-
лей во всем диапазоне передаваемых мощностей при сопротивлении заземлите-ля больше 0,5 Ом. Эти режимы тем более осуществимы, если длина вертикального заземлителя обеспечивает глубину до грунтовых вод, находящихся на большей территории страны на глубине 10-15 м. То есть обеспечить температурный режим за-землителей на территории, не охваченной вечной мерзлотой, не вызовет затруднений.
а b
Рис. 2. Зависимость необходимых величин сопротивлений заземлителей от мощностей, передаваемых по линиям ДПЗ 35 кВ (а) и 6 кВ (b), при условии непревышения температуры грунта
вблизи заземлителя выше 95°С. 1 - сырой грунт; 2 - песок; 3 - супесь Fig. 2. Dependence of required ground wire resistance values on the power transmitted by 35kV "two wires - earth" line (a) and 6 kV line (b) provided soil temperature not exceeding 95°C near the ground wire.
1 - wet soil; 2 - sand; 3 - sandy loam
Потери мощности зависят не только от сопротивлений заземлителей, но и от длины линии электропередачи: чем меньше разница в сопротивлениях проводов линии и земли, тем меньше снижение потерь мощности в линии ДПЗ по сравнению с трехфазной трехпроводной линией. При существенном сопротивлении заземлителей сопротивление заземленной фазы может быть больше сопротивлений фаз, образованных проводами линии. Эти ситуации имели место в 1930-50-х годах, когда линии ДПЗ не рассматривались с позиций снижения потерь мощностей. Эту особенность линий ДПЗ иллюстрируют графики, представленные на рис. 3: сравниваются потери мощности в линиях 35 кВ различной длины - от 5 до 30 км, при передаваемой мощности 12 МВА.
При длине линии 5 км и сопротивлении заземлений, равном 0,5 Ом, отношение потерь в трехфазной линии к потерям в линии ДПЗ при передаваемой мощности 12 МВА составляет 1,05, а при длине 30 км - 1,53. Более глубокого снижения потерь мощности можно добиться, заземлив в трехфазной трехпроводной линии одну фазу, не отключая ее от сети. Этот режим можно назвать вариантом ДПЗ трехпро-
водной линии с заземлением фазы. Одна фаза такой линии будет включена через сопротивление, образованное проводом линии и землей. Не останавливаясь на выводе уравнений, приведем сравнение потерь мощности при передаче мощности 12 МВА по линиям длиной 30 км: трехпроводной, ДПЗ и трехпроводной с заземление фазы по концам. Потери в трехпроводной линии составляют 2,92 МВт, в линии ДПЗ -1,72 МВт (или в 1,47 раза меньше, чем в трехпроводной линии), в линии с заземленной фазой - 1,47 МВт (или меньше в 1,72 раза, чем в трехпроводной линии) (рис. 4).
Снижение потерь мощности особенно важно при использовании данной технологии на территориях с вечной мерзлотой. Несмотря на то что в зимний период заземлена одна фаза линии, потери мощности определены потерями трехпроводной линией в традиционном включении. С оттаиванием почвы вода сосредотачивается над вечной мерзлотой, и сопротивление заземлителя определяется сопротивлением слоя воды, что значительно меньше 0,5 Ом. Следовательно, потери мощности существенно снижаются, то есть в летний период такие линии по существу работают в режиме ДПЗ.
ЛР. МВт. (MW)
3.3
L5
0J
3
1-
, км / km
10
13
20
23
30
Рис. 3. Потери мощности в линиях в зависимости от их длины: 1 - трехфазная трехпроводная линия; 2 - ДПЗ Fig. 3. Transmission line length dependent power losses: 1 - three-phase line; 2 - two wires - earth line
AP(MBi) MW
у
1__■
О 2 4 6 I 10 12
Рис. 4. Зависимость потерь мощности от передаваемой мощности в линии 35 кВ длиной 30 км: 1 - трехфазная линия; 2 - ДПЗ; 3 - ДПЗ с заземлением фазы Fig. 4. Power loss dependence on the power transmitted by the 35 kV line of 30 km length: 1 - three-phase line; 2 - two wires - earth; 3 - two wires - earth with the phase grounding
Линии ДПЗ с заземленной фазой могут применяться для снабжения электроэнергией технологических потребителей сопровождения железнодорожных составов. Это маломощные, большей частью однофазные потребители вдоль дороги (сигнализация, автоматика, блокировки и пр.). Этих потребителей много, и линии, снабжающие их, достаточно длинные. Рас-
четы показывают, что снижение потерь мощности в питающих линиях достигает 15-20%.
Существенно снизить токи в земле, по крайней мере со стороны одной из подстанций, можно, применив схему четырех-фазной линии электропередачи [5-8]. Че-тырехфазная линия состоит из двух цепей ДПЗ (рис. 5).
Группа соединения
обмоток - 11 / Phase displacement group - 11
Фаза Ci Phase C1
Фаза Bi Phase Bi
Фаза А1 Phase А1
Фаза А2 Phase А2
H
Фаза А1 Phase А1
Нагрузка Load
Фаза В2 Phase B2
Фаза А2 Phase А2
Группа соединения
обмоток - 5 / Phase displacement group - 5
Lo
Жн
Нагрузка Load
Фаза С2 Phase C2
Рис. 5. Схема четырехфазной линии электропередачи Fig. 5. Four-phase power line circuit
Напряжения одноименных фаз разных ДПЗ имеют противоположные знаки. При одинаковых нагрузках обеих цепей токи в земле отсутствуют. Соответственно, в заземляемых фазах потерь мощности нет. Такая схема может быть применена на территориях, не охваченных вечной мерзлотой. Данное обстоятельство актуально, в связи с чем в последнее время намечается активное освоение и развитие северных территорий, находящихся в зоне вечной мерзлоты. Так же остро встает вопрос применения новых технологий при проектировании и эксплуатации систем электроснабжения в подобных климатических условиях [9, 10].
На территориях с вечной мерзлотой в зимний период сопротивление заземленной фазы может иметь активную составляющую в десятки Ом. И токи в проводах
каждой линии ДПЗ будут практически противоположны по направлению, то есть коэффициент несимметрии токов будет равен единице. Чтобы исключить это, предлагается добавить в четырехфазную линию пятый провод, заземлив его, по крайней мере, по концам и подключив к нему заземляемые обмотки всех трансформаторов нагрузок [11] (рис. 6).
На рис. 7 приведены зависимости несимметрии напряжений на нагрузке, включенной через трансформаторы от че-тырехфазной линии длиной 30 км без симметрирования и с симметрированием. Симметрирование осуществлялось включением между фазами В и С емкости мощностью 1 МВАр. Симметрирование одним МВАр обеспечивает допустимую несимметрию напряжений в 2%.
Рис. 6. Схема четырехфазной пятипроводной линии электропередачи
Fig. 6. Four-phase five-wire power line circuit
U2/U1 (%)
0.03
0.025
0.02
0.015
0.01
0.005
^om
8
12
16
20
2 A
S (MBA)
Рис. 7. Зависимость несимметрии напряжений на нагрузке от передаваемой по четырехфазной линии мощности: 1 - без симметрирования; 2 - с симметрированием Fig. 7. Dependence of voltage unbalance on the load of the power transmitted by a four-phase line:
1 - without balancing; 2 - with balancing
Аналогичные зависимости получаются и при передаче мощности по пятипро-водной четырехфазной линии. Потери
мощности и несимметрия последнем случае меньше.
напряжений в
Выводы
1. Использование линий напряжением 6-35 кВ по схеме «два провода - земля» в современных условиях экономически целесообразно виду существенно меньших потерь мощности в них по сравнению с трехпроводными линиями.
2. Целесообразно заглублять вертикальные заземлители до водоносных слоев почвы с грунтовыми водами. Этим обеспечиваются низкие потери мощности в контурах заземления подстанций.
3. Линии ДПЗ тем эффективнее, чем длиннее.
4. Дополнительное снижение потерь мощности достигается заземлением провода трехпроводной линии, включенной по схеме ДПЗ.
5. Несимметрия напряжений на нагрузках устраняется включением между фазами емкости примерно 0,05-0,07 от мощности нагрузок.
6. Ток в земле можно существенно снизить, используя четырехфазные линии электропередачи, состоящие из двух ДПЗ, у которых напряжения на одноименных фазах противоположны по направлению.
Библиографический список
1. Бенар П.П. Электропередача «два провода -земля» // Электричество. 1933. № 20. С. 13-20.
2. Орешкинский П.С. Передача энергии трехфазным током по системе «два провода - земля». М.: Изд-во Академии наук СССР, 1935. 303 с.
3. Эбин Л.Э. Сети с использованием земли в качестве одного из проводов // Электрические станции. 1939. № 8. С. 17-23.
4. Смоловик С. В., Халилов Ф. Х. Выбор оптимальных длин и сечений, рабочего напряжения и пере-
даваемой мощности в сетях 0,38-110 кВ // Труды Кольского научного центра РАН. 2011. № 5. С. 155-163.
5. Андреев В.В. Четырехфазная схема электропередачи с трехфазными трансформаторами // Электричество 1952. № 1. С. 15-17.
6. Фильштинский А.А. Четырехпроводная электропередача как средство повышения экономичности и надежности высоковольтных сетей // Электричество. 1952. № 1. С. 17-22.
7. Пат. 2256273, Российская Федерация, МПК7 Н 02 J 3/00, 3/04. Электрическая система / Н.С. Бурянина, Е.В. Бурянина, Ю.Ф. Королюк, В.Л. Олесова, Л.А. Олесов; заявитель и патентообладатель Н.С. Бурянина, Е.В. Бурянина, Ю.Ф. Королюк. № 2003132023/09; заявл. 31.10.2003; опубл. 10.07.2005. Бюл. № 19.
8. Бурянина Н.С. Королюк Ю.Ф., Лесных Е.В., Шеме-тов А.И. Четырехфазные линии электропередачи. Больше мощность, меньше потери // Новости электротехники. Информационно-справочное издание. 2005. № 1 (31) С. 65-68.
9. Lombardi P., Sokolnikova T., Suslov K., Voropai N.,
Styczynsky Z.A. Isolated power system in Russia: a chance for renewable energies? // Renewable Energy. 2016. Vol. 90. P. 532-541.
10. Suslov K. Development of isolated systems in Russia // IEEE Conference PowerTech. Grenoble, 2013. Р. 21-28.
11. Патент № 2558697, Российская федерация, МПК H2J 3/00 (2006.01). Устройство отбора мощности от линии электропередачи / Н.С. Бурянина, Ю.Ф. Королюк, Е.В. Лесных; заявитель и патентообладатель Н.С. Бурянина, Ю.Ф. Королюк, Е.В. Лесных. № 2014105406/07; заявл. 13.02.2014; опубл. 10.08.2015. Бюл. № 22.
References
1. Benar P.P. Elektroperedacha "dva provoda - zemlya" [Power Transmission "two wires - land"]. Elektrichestvo [Electricity]. 1933, no. 20, pp. 13-20. (In Russian)
2. Oreshkinskii P.S. Peredacha energii trekhfaznym tokom po sisteme "dva provoda - zemlya" [Three-phase current power transmission in the system "two wires -land"]. Moscow, Akademiya nauk SSSR Publ., 1935, 303 p. (In Russian)
3. Ebin L.E. Seti s ispol'zovaniem zemli v kachestve odnogo iz provodov [Networks using the land as one of the wires]. Elektricheskie stantsii [Electrical stations]. 1939, no. 8, pp. 17-23. (In Russian)
4. Smolovik S. V., Khalilov F. Kh. Vybor optimal'nykh dlin i sechenii, rabochego napryazheniya i pereda-vaemoi moshchnosti v setyakh 0,38-110 kV [The choice of optimal lengths, cross sections, operating voltage and transmission capacity in the networks of 0.38-110KV]. Trudy Ko'skogo nauchnogo tsentra RAN [Proceedings of the Kola Science Center RAS]. 2011, no. 5, pp. 155-163. (In Russian)
5. Andreev V.V. Chetyrekhfaznaya skhema el-ektroperedachi s trekhfaznymi transformatorami [Four-phase power transmission circuit with three-phase transformers]. Elektrichestvo [Electricity]. 1952, no. 1, pp. 15-17. (In Russian)
6. Fil'shtinskii A.A. Chetyrekhprovodnaya el-ektroperedacha kak sredstvo povysheniya ekonomich-
nosti i nadezhnosti vysokovol'tnykh setei [Four-wire power transmission as a means to improve high-voltage network efficiency and reliability]. Elektrichestvo [Electricity]. 1952, no. 1, pp. 17-22. (In Russian)
7. Buryanina N.S., Buryanina E.V., Korolyuk Yu.F., Ole-sova V.L., Olesov L.A. Elektricheskaya sistema [Electrical system]. Patent RF, no. 2256273, 2005.
8. Buryanina N.S. Korolyuk Yu.F., Lesnykh E.V., Shemetov A.I. Chetyrekhfaznye linii elektroperedachi. Bol'she moshchnost', men'she poteri [Four-phase power transmission lines. The more power - the less losses]. Novosti elektrotekhniki. Informatsionno-spravochnoe izdanie [Electrical Engineering News. Information and reference edition]. 2005, no. 1 (31), pp. 65-68. (In Russian)
9. Lombardi P., Sokolnikova T., Suslov K., Voropai N., Styczynsky Z.A. Isolated power system in Russia: a chance for renewable energies? Renewable Energy, 2016, vol. 90, pp. 532-541.
10. Suslov K. Development of isolated systems in Russia. IEEE Conference PowerTech. Grenoble, 2013, pp. 21 -28.
11. Buryanina N.S., Korolyuk Yu.F., Lesnykh E.V. Ustroistvo otbora moshchnosti ot linii elektroperedachi [Power line power take-off device]. Patent RF, no. 2558697, 2015.
Критерии авторства
Авторы заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.
Authorship criteria
The authors declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Conflict of interest
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
Статья поступила 09.01.2017 г.
The article was received on 9 January 2017
