CC BY
97
УДК 621.316.9:681.306
Д.Е. Афанасьев
О ЧЕТЫРЕХФАЗНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ДЛЯ СЕТЕЙ С ИЗОЛИРОВАННЫМИ НЕЙТРАЛЯМИ
Сознательно или из-за недостаточной информированности, ошибочного понимания или применения некоторых базисных законов физики, пренебрежения рекомендациями авторов системы «два провода - земля (ДПЗ)» и её модификаций, положительный для своего времени опыт применения которых был в тридцатых-шестидесятых годах, и требованиями Госстандартов РФ к электроустановкам и качеству электрической энергии предлагается несостоятельное с многих позиций техническое решение по электроснабжению - четырехфазные линии электропередачи для сетей с изолированными нейтралями, несущие в себе значительный затратный, разрушающий и поражающий потенциалы, по сути, дублирующие технические решения полувековой давности.
Ключевые слова: «два провода - земля», линии электропередачи для сетей с изолированными нейтралями, электроснабжение.
Авторами технического решения поставлена цель -снизить потери электроэнергии и напряжения в линии электропередачи, ее стоимости, повысить надежность электроснабжения потребителей [1-4].
Средством достижения поставленной цели выбрано преобразование трехфазного напряжения в четырехфазное при использовании двух систем ДПЗ на основании противофазной схемы включения обмоток двух трехфазных трансформаторов. При такой схеме включения, по мнению авторов, ток в земле становится равным нулю, что позволяет исключить ее из числа токопроводов и реализовать тем самым четырехфазную воздушную линию электропередачи в чистом виде [1-4].
В патенте такой эффект достигается путем объединения одной пары одноименных фаз двух блочных схем «Источник электрической энергии - воздушная линия (ВЛ) -трансформатор потребителя» [1], в статьях - двух блочных схем «Трансформатор - ВЛ - трансформатор» при условии, что общие точки объединяемых фаз источников электрической энергии в начале линии и трансформаторов в конце заземлены, а сами трансформаторы в одной блочной схеме имеют 11 группу соединения, в другой - 5-ю.
Таким образом, отличительная черта обсуждаемого технического решения - отсутствие тока в земле - реализуется за счет трех мероприятий:
1. Противофазностью напряжений в одной блочной схеме напряжениям другой;
2. Созданием общих точек для одной пары одноименных фаз обмоток источников энергии или источников пи-
АФАНАСЬЕВ Дмитрий Егорович - д.т.н., профессор ГГИ ЯГУ
тания, т.е. трансформаторов в начале и трансформаторов в конце линии;
3. Заземлением общих точек в начале и в конце ВЛ.
Согласно [1], если под понятием «источники электрической энергии» авторы имели в виду два генератора, схема четырехфазной электрической системы выглядит, как это показано на рис. 1.
Согласно [1], если под понятием «источник электрической энергии» авторы имели в виду источник питания -трехфазный трансформатор, схема четырехфазной линии должна быть такой, как это показано на рис. 2, а не как это приведено на рис. 3 ив [2-4], в которой не показаны общие точки объединяемых фаз обмоток трансформаторов в на -чале и в конце четырехфазной линии и каждая фаза зазем -лена самостоятельно: получить от такой схемы те, хотя и виртуальные, эффекты, о которых пишут авторы, невозможно.
Если заявители и патентообладатели под понятием «источник электрической энергии» имеют в виду электрический генератор, что правильно, то отметим, что еще разработчики системы ДПЗ (П. С. Орешкинский, А.Г. Захарин, Л.Е. Эбин, Ш.М. Алукер) на основании своих исследований, проведенных в 30-х годах прошлого столетия, установили «особые» случаи, при которых применять систему ДПЗ нельзя:
1. Блок «Высоковольтный генератор - воздушная сеть без промежуточного трансформатора».
2. Воздушная сеть, от которой получают питание крупные электродвигатели высокого напряжения [5].
Эти два «особых» случая означают, что изоляция обмоток генераторов и электродвигателей высокого напряжения не рассчитана на линейное напряжение и включать их в систему ДПЗ нельзя.
Рис. 1. Электрическая система
Рис. 2. Четырехфазная электрическая система
Рис. 3. Схема четырехфазной линии электропередачи [2-4]
При противофазности напряжения одного генератора напряжениям другого генератора, как это имеет место в предложенной «Электрической системе», изоляция обмоток генераторов оказывается под напряжением, в 1,73 раза, превышающим линейное, что тем более не допустимо для нее.
Таким образом, если источник электрической энергии
- это генератор, патент № 2256273 Российской Федерации на «Электрическую систему» фактически выдан на техническое решение (устройство), на которое по условиям допустимого напряжения наложен запрет еще разработчиками системы ДПЗ в тридцатых годах XX века, т.е. 70 лет тому назад [5].
Если заявители и патентообладатели под понятием «источник электрической энергии» имеют в виду источник электропитания в виде трехфазного трансформатора, что не корректно, но, судя по последующим трудам авторов [2-4], как раз имеет место, то отметим, что принцип предложенной «Электрической системы» описан в статьях к.т.н. В.В. Андреева и инженера А. А. Фильштинского в журнале «Электричество», № 1 за 1952 г.
ВстатьеВ.В. Андреева (с приоритетом от 23.3.1951 г.) [6] описывается четырехфазная схема электропередачи с двумя трехфазными трансформаторами в начале и с двумя трехфазными трансформаторами в конце четырехфазной линии электропередачи с соединением линейных обмоток трансформаторов в «звезду» и с противофазным их включением (рис. 4), а в статье А.А. Фильштинского (с при-
оритетом от 16.02.1951 г.) [7] рассматривается такая же линия электропередачи при соединении линейных обмоток трансформаторов в «треугольник» (рис. 5).
Причем для осуществления требования о равенстве нулю тока в земле, какпишет А.А. Фильштинский [7. С. 18], «...можно применить ряд схем соединения двух трансформаторов в зависимости от группы соединения их обмоток», в том числе, разумеется, и те, которые предлагают авторы и обладатели патента РФ № 2256273 профессора
Н.С. Бурянина и Ю.Ф. Королюк [1-4].
Как видим из рис. 1, 2, фазы^и^ 2 состороны питания и со стороны потребителя объединены между собой и обе точки объединения заземлены. Таким образом, создан общий для обеих цепей земляной токопровод. Поскольку схема имеет общие точки на трансформаторах повышающей и понижающей подстанций [2], то схема может функционировать без заземления. Именно функционировать, а не работать нормально, обеспечивая свои запроектированные параметры по напряжению и мощности: при отсутствии эффективно действующей системы заземления линия будет работать в режиме четырехфазной воздушной линии с фазным напряжением Пфл, равным номинальному фазному напряжению трансформаторов Пфт, а не в ^3 раз большим, как это должно быть по идее авторов.
Здесь под «эффективно действующей системой заземления» фазы высоковольтной линии электропередачи, на наш взгляд, следует подразумевать наличие на подстанциях источника питания и потребителя систем заземления,
Рис. 4. Принципиальная схема четырехфазной электропередачи с трехфазными трансформаторами [6]
Рис. 5. Принципиальная схема четырехпроводной электропередачи [7]
отвечающих самым жестким требованиям к заземляющим устройствам высоковольтных электроустановок, и наличие между ними постоянной электрической связи, обеспечивающей беспрерывно одинаковое электроактивиро-ванное состояние системы: «заземляемая общая точка
соединения одной пары фаз обмоток источника электрической энергии (источника питания) на стороне линии -заземлитель источника электрической энергии или электропитания - земляной токопровод - заземлитель на приемном конце линии - заземляемая общая точка соедине-
ния одной пары фаз обмоток трансформаторов на стороне линии подстанции потребителя».
При условии создания одинакового электроактивиро-ванного состояния всей системы заземления, включая земляной токопровод, и только в этом случае, можно утверждать, что создана полноценная четырехпроводная воздушная линия электропередачи с парами трехфазных трансформаторов на её передающем и приемном концах с пятым земляным токопроводом, т.е. система «четыре провода - земля» (ЧПЗ).
Для полноты понимания поставленной проблемы ниже приведем еще несколько выдержек из упомянутых выше статей к.т.н. В.В. Андреева и инж А. А. Фильштинского, профессоров Н.С. Буряниной и Ю.Ф. Королюка с соавторами.
В статье В.В. Андреева написано: «Предложенная нами четырехфазная схема электропередачи может рассматриваться как удвоенная система ДПЗ» и далее: «Ввиду различия групп соединений трансформаторов на 180° две их фазы оказываются соединенными последовательно, их
э.д.с. складываются» [6, с. 15].
А. А. Фильштинский пишет: «Идея описываемой схемы заключается в одновременном использовании двух систем ДПЗ, при этом два трансформатора соединены таким образом, что ток в земле равен нулю» [7, с. 18]. В той же статье В.В. Алексеев отмечает: «По линии протекают токи только двух фаз каждого трансформатора. Токи же третьих фаз протекают в обмотках трансформаторов, не требуют для себя линейного провода и, следовательно, не вызывают потерь в линии. Этим и объясняются экономические преимущества схемы».
В [2, с. 91] написано: «Схема четырехфазной электропередачи изображена на рис. 1. По существу, она является сдвоенной линией «два провода - земля» (ДПЗ), впервые предложенной в 30-х годах. Напряжения и токи в одной ДПЗ соответственно равны по величине и противоположны по направлению напряжениям и токам в другой ДПЗ. Существенным отличием четырехфазной линии от ДПЗ является отсутствие тока в земле».
В [2, с. 92] читаем: «На рис. 4 приведены зависимости потерь мощности от передаваемой мощности в двухцепной трехфазной и в четырехфазной линиях. Потери мощности в обеих электропередачах не включают потери в трансформаторах передающей и приемной подстанций».
В [7] приводится формула 15 + 16 = О (рис. 5), в [1, с. 3] то же самое выражено словами «... линейные токи I и I а2 будут тоже противофазны, а поскольку они равны по величине, ток в общем проводе тп будет равен нулю...».
Ввиду одинаковости темы, объектов исследования основные принципы построения технических решений (схемы, формулировки и т.д.) полностью идентичны. Учитывая, что эти научно-технические разработки сделаны разными авторами с разницей во времени более полувека, такая гармоничная согласованность взглядов специалистов, не знавших друг друга, обоснованно вызывает положительные эмоции, так как здесь чувствуется преемствен-
ность труда поколений. Но в то же время вполне естественно, что напрашиваются и другие вопросы, например, такие как:
1. Знали ли создатели «Принципиально новой электрической системы - четырехфазных электрических сетей» о разработках своих предшественников по достаточно узкоспециализированной теме, получивших в свое время широкое распространение в практике, подробно описанных в авторитетном научном издании?
2. Где новизна «Принципиально новой электрической системы», о которой в журнале «Новости электротехники» написано: «Сибирские ученые предлагают новый проект повышения надежности и качества электроснабжения...»?
3. Действительно ли новый проект повышает надежность и качество электроснабжения, снижает стоимость линии и потери электроэнергии?
Уместно также привести несколько ключевых слов из уже цитированных работ [6, 7]: «разбросанные объекты ирригации», «мощные гидроэлектростанции», «стальные провода» ит. д., из которых четко видно, от каких источников электроэнергии, какие объекты, какими средствами проводилась электрификация страны в тот далекий и трудный во всех отношениях период. Эффективно применявшиеся в тот период для решения некоторых конкретных задач ДПЗ, четырехфазные линии, стальные провода сегодня в схемах постоянного электроснабжения стационарных объектов народного хозяйства не применяются. Почему? Потому что эти системы по экономическим, техническим, экологическим показателям существенно уступают хорошо отработанным теоретически и проверенным практикой электрификации нашей и многих других развитых стран мира трехфазным системам, разрешенным государственными стандартами, которые только и обеспечивают номинальный, т.е. самый высокоэффективный, режим работы всех без исключения электроустановок. По ГОСТу линия электропередачи должна иметь одно номинальное (линейное, т.е. ме^дуфазное) напряжение. Предлагаемая четырехфазная линия между проводами имеет три напряжения и; 1,73и; 2и, т.е. как кустарное изделие она по идее не должна была быть допущена даже к обсуж -дению, а не пропагандироваться серьезными научными изданиями чуть ли не как научно-техническое чудо XXI века.
Главный недостаток рассматриваемого проекта заключается в ошибочно выбранном принципе его построения, состоящем в противофазном включении источников электрической энергии или источников питания и заземлении рабочей фазы, т.е. фактическом прекращении действия одной из трех фаз системы по своему прямому функциональному назначению - передавать с наибольшим к.п.д. одну треть мощности от источника к потребителю. Соединение двух цепей реконструируемой в четырехфазную двухцепной трехфазной линии электропередачи в одну неразделимую систему противоречит общепринятому
принципу независимости друг от друга взаиморезервируе-мых элементов систем электроснабжения, снижает маневренность и обшую надежность электроснабжения потребителей, что в условиях Крайнего Севера недопустимо. Неправильный принцип также заведомо ограничивает важнейшим элементам системы электроснабжения, в первую очередь, силовым трансформаторам, коммутационной аппаратуре, самой линии электропередачи развить полностью заложенный в них при конструировании и производстве технический потенциал, создает другие иногда трудно преодолимые проблемы по надежности и эффективности работы элементов, сроку их службы, элекгробезопасности и т. п.
Считаем, что реанимирование и внедрение без достаточных теоретических обоснований и лабораторно-производственных опытов некоторых технических решений по системе ДПЗ и её трансформированным вариантам, сыгравших положительную роль в трудные предвоенный и непосредственно послевоенный периоды, когда в стране катастрофически не хватало алюминия для сооружения сотен и тысяч километров воздушных линий для электрификации сельского хозяйства и подъема экономики отсталых в то время районов Средней Азии, Сибири, Севера и Дальнего Востока, в том числе и Якутии, в сегодняшнюю практику электрификации сельского хозяйства в условиях многолетней мерзлоты могут не только нанести существенный экономический, технический и экологический ущерб, но и иметь серьезные последствия морально-нравственного характера при подготовке высококвалифицированных специалистов. В связи с этим ниже предпринята попытка более подробно рассмотреть параметры и технические характеристики четырехфазных линий электропередачи, «разработанных» авторами и обладателями патента № 2256273 Российской Федерации д.т.н., профессором
Н.С. Буряниной и к.т.н., профессором Ю.Ф. Королюком.
Из рассмотрения векторной диаграммы напряжений такой линии (рис. 6) видно, что в результате реализации идеи противофазности устанавливаются следующие уровни напряжений:
1. Между нейтралями генераторов или трансформаторов на передающем конце линии:
и
= 2и„
(1)
иы1в2 = иы1а2 = иыА = ищС1 = 1,5зи.
(2)
АВ
АС
Между разноименными фазными проводами разных цепей:
= 1,73и; (4)
иВС2 иС1В 2
где Пф - фазное напряжение реконструируемой трехфазной линии;
2. Между нейтралью каждого из генераторов или трансформаторов и фазными проводами соседних цепей линии:
где и - линейное напряжение реконструируемой трехфазной линии;
3. Между разноименными фазными проводами каждой из цепей и между каждым из них и общими точками 0 (заземлителями):
Между одноименными фазными проводами разных цепей:
ив1в2 = ис1с2 = 2и • (5)
б
Рис. 6. Векторные диаграммы напряжений: положительная полуволна синусоиды;
- отрицательная полуволна
12
Эти уровни напряжений точно совпадают с данными, приводимыми к.т.н. В.В. Андреевым [6, с. 15]. Иначеибыть не могло, так как объекты анализа одни и те же.
Напряжения по (4), а тем более по (5) недопустимы для коммутационных, защитных аппаратов и для линейной изоляции [9-11].
Из (3), (4), (5) и векторной диаграммы видно также, что в четырехфазной линии между проводами имеются три напряжения (и; 1,73и; 2Щ, что не соответствует ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии у ее приемников, присоединенных к электрическим сетям общего назначения» [13] и ГОСТ 1516-76.1 «Номинальные и наибольшие напряжения электрических сетей» [10, 13].
Из-за режима галопирования нейтрали линии между точками N1 и N (рис. 6) с частотой 50 Гц будут иметь место колебания напряжения, относительные амплитуды которых будут многократно превышать допустимые по ПУЭ 1,5% [13].
Проблема надежности электроснабжения при применении четырехфазных линий приобретает особенно острый и многоплановый характер. Дело в том, что, вопреки желанию авторов, потери электрической мощности в четырехфазных линиях не снижаются в 1,5 раза по сравнению с двухцепными трехфазными, а наоборот, во столько же раз повышаются, так как потери мощности в каждой ветви электрической цепи АР4, АР6 прямо пропорциональны квадрату коэффициента загрузки, который в четырехфазной линии электропередачи К3 4 как раз не менее 1,5 раз выше, чем в каждой из 6-ти ветвей двухцепной трехфазной
линии „
3.6
Поэтому имеем:
ЛP 4 • K
4 ____ 3.4
6 • К16
4 • 1,52 6 • 12
= 1,5.
(6)
Из каких составляющих складываются в 1,5 раза большие потери мощности в четырехфазных линиях по сравне -нию с двухцепными трехфазными.
При наличии заземления в начале и в конце четырехфазная линия имеет 5 токопроводов: 4 воздушных и 1 земляной (шунтирующий), двухцепная трехфазная - 6 воздушных.
Уравнение баланса потерь мощности в сравниваемых линиях:
1,5 • (6-АРв) = 4-АРв + АРдоп, (7)
где АР АРдоп - потери в воздушном токопроводе и дополнительные потери;
&Рдоп =АРШ + АРтр .
(8)
где АРш - потери в земляном (шунтирующем) токопроводе;
ЛРгр - дополнительные потери мощности в трансформаторах, запрограммированные (заблокированные) идеей противофазности напряжений.
Потери по (8) будут перераспределяться между шунтирующим (земляным) и основными ветвями (рис. 2). Основная часть рабочего тока общей фазы будет протекать по основному замкнутому контуру А - 5- ВЛВ1 - 5- А1 (двух трансформаторов 11-й группы) - А, - В2 - ВЛВ2 - В2 - А2 (двух трансформаторов 5-й группы), имеющему малое сопротивление, а малая часть - по шунтирующему основной контур земляному токопроводу. Величина тока (и потерь мощности) в шунтирующем токопроводе будет следовать динамике сезонного изменения сопротивления грунта. Согласно этому будет меняться доля потерь по (8), приходящаяся на элементы основного контура. В результате этого перераспределения потерь мощности между элементами четырехфазной линии в наихудшем положении (в роли слабых звеньев) оказываются заземляемые фазы обмоток генераторов (или трансформаторов в начале) и трансформаторов в конце линии, потери мощности в которых существенно возрастут. Такой режим более близок к аварийному, чем к нормальному. Недопустимые по ГОСТ перегрузки по напряжению и мощности элементов четырехфазных линий составляют только одну сторону, характеризующую проблему надежности у четырехфазных линий электропередачи.
Вторая сторона проблемы надежности четырехфазных линий касается непосредственно аварийных режимов и, в первую очередь, относительной частоты возникновения коротких замыканий разной фазности.
Ввиду того, что одна фаза заземлена, число фазности коротких замыканий у четырехфазных линий на 1 превышает число проводов, замкнувшихся на землю, а вероятность однофазного замыкания на землю на 25% выше, чем у одноцепной трехфазной. Относительная частота возникновения наиболее опасных двух- и трехфазных к. з. у них по сравнению с одноцепными трехфазными возрастает в несколько раз: двухфазных в 8 ч 9 раз, а трехфазных - в 2 ч 2,5 раза [12].
В-третьих, проблема надежности касается работы зазем-лителей. Ввиду воздействия химически агрессивной инфраструктуры почв и грунтов толщина металла защитных за-землителей электроустановок ежегодно снижается на 0,5 мм. Поэтому из-за снижения долговечности заземлителей при солевой обработке грунтов многие специалисты даже сомневаются в целесообразности применения этого эффективного способа снижения их удельного электрического сопротивления, которое у многолетнемерзлых грунтов высокое и меняется в очень широких пределах (от 500 до 10 000 Ом«м) [16].
При наличии постоянного протекания рабочего тока заземленных фаз в начале и конце четырехфазной линии эти процессы химической и электрокоррозии ускоряются в десятки раз, что и послужило одной из причин окончательного отказа от применения системы ДПЗ.
Применительно к региональным условиям к этому следует добавить, что из-за сезонных оттаиваний и промерзаний на элементы заземлителей со стороны грунта действу-
ют значительные силы вертикальной деформации, выпирая электроды на поверхность.
Совместное действие интенсивной химической и электрокоррозии, перемещение влаги грунтов на периферию постоянно протекающими через заземлители фазными токами нагрузки и значительных сил деформации грунтов существенно снижает эффективность и надежность работы заземляющих устройств и всей четырехфазной линии.
Недопустимые для элементов четырехфазных линий электропередачи перегрузки по напряжению и мощности, многократное увеличение относительной частоты возникновения наиболее разрушительных по своему действию двух - и трехфазных к. з., резкое снижение срока службы и постепенное увеличение сопротивления заземляющих устройств в период эксплуатации несут в себе значительный разрушающий потенциал прямого действия, снижающий живучесть, надежность и долговечность непосредственно самой четырехфазной линии электропередачи.
К проблеме надежности линии непосредственно примыкает проблема ее электромагнитной совместимости с такими внешними техническими системами, как системы электросвязи, радио-, телевещания, информационных технологий, средства автоматизации и управления сложными технологическими процессами и установками в смежных отраслях народного хозяйства. Токи, протекающие в земле на глубине около одного км и более, как показали исследования авторов ДПЗ, препятствуют и опасно воздействуют на эти системы таких недопустимых уровней, что стоимость фильтров и симметрирующих устройств, применяемых для их устранения, не покрываются экономией двух проводов. Это обстоятельство также явилось причиной отказа от ДПЗ [5].
В случае применения четырехфазных линий проблема электромагнитной совместимости по сравнению с системой ДПЗ усугубляется значительными токами нулевой последовательности, создающими местные очаги «пожара» стали, с одной стороны, резким возрастанием токов высших гармоник из-за роста тока холостого хода трансформаторов при напряжениях, превышающих номинальное, что приводит к искажению формы и к увеличению амплитудного значения кривых напряжения, - с другой [10].
Если от воздействия этих явлений на внешние технические системы можно защититься только что упомянутыми дорогостоящими методами и средствами, то от их негативного воздействия на сами генераторы и трансформаторы эффективной защиты на сегодняшний день нет, т.е. эти воздействия относятся к так называемым неустранимым.
Даже из сказанного выше видно, что в идеях противо-фазности напряжений, создания общих точек одноименных фаз генераторов или трансформаторов, заземления общих точек четырехфазных линий априори заложен существенный разрушающий потенциал; поэтому их надежность значительно ниже надежности одноцепной трехфазной линии, и утверждение авторов о том, что четырехфаз-
ные линии обладают такой же надежностью, что и двухцепные трехфазные, несостоятельно.
Сети 6-35 кВ с малыми токами однофазного короткого замыкания на землю (до 500 А) работают с изолированными нейтралями. Такая система особенно эффективна в условиях многолетнемерзлых грунтов, имеющих высокое сезонное удельное электрическое сопротивление, где устройство заземления сопряжено с рядом технических и экономических трудностей: затраты на заземления подстанций в среднем составляют 30 ч 35% их сметной стоимости, а в некоторых случаях соизмеримы или даже превышают ее, на его устройство расходуются десятки и сотни тонн металла, для размещения сотен (иногда тысяч) электродов отчуждаются значительные площади земли, которые также соответствующим образом обустраиваются [14-16].
Например, «На одной из подстанций 110 кВ в Усть-Нере для получения расчетного сопротивления заземления
0,5 Ом потребовалось 30600 газовых труб длиной по 3 ми 11 км полосовой стали сечением 40-4 мм. Общая масса стали для одного контура составила 490 т, а для размещения всех электродов потребовалась площадь около 1 км2» [16]. В сетях 35 кВ и ниже с изолированными нейтралями расход металла и общие затраты на устройство заземления в десятки раз меньше, чем в приведенном примере, но все равно очень велики и намного превышают экономию от сокращения числа проводов двухцепной трехфазной линии на 2.
Такие сложные и дорогие по стоимости меры предусматриваются для устройства защитного заземления, предназначенного для предохранения людей и животных от поражения электрическим током во время аварийных режимов, которые обычно происходят достаточно редко и при возникновении релейной защитой быстро (за доли секунды) отключаются. Именно по причине сложности и дороговизны системы заземления наиболее распространенные в электроэнергетике распределительные электрические сети напряжением 6-35 кВ с малыми токами однофазного короткого замыкания на землю и работают с изолированной нейтралью.
В случаях же запатентованной «Электрической системы» и предлагаемой «Четырехфазной линии электропередачи» имеем принципиально иную ситуацию: короткое замыкание на землю по одной фазе каждого из двух источ -ников энергии (высоковольтных генераторов) в запатентованной «Электрической системе» и трансформаторов на каждой трансформаторной подстанции в начале и в конце линии и ответвлений от нее, постоянное протекание тока высокого напряжения по земляной фазе - это нормальный режим, определяющий основной принцип действия рассматриваемых электроустановок (электрической системы и линии) [ 1-4].
Для того, чтобы пропустить ток через землю, который протекает на глубине порядка 1000 м от ее поверхности [5], или обеспечить электроактивированное состояние всей системы заземления, включая земляной токопровод, о чем
выше подчеркнуто специально, в условиях Севера в зимнее время как минимум необходимо пробурить скважину, пройти через многолетнемерзлый ее слой, а затем устроить систему заземления в электропроводящем слое земли, для чего одной скважиной, возможно, не обойтись; все это необходимо проделать и на приемном конце линии.
Вопрос технической реализации системы заземления, ее экономических показателей, электромагнитной совместимости и электрозащитных характеристик при практической реализации запатентованной «Электрической системы» и предлагаемой «Четырехфазной линии электропередачи» - ключевой.
Авторы, безусловно, понимают, что затраты на устройство системы заземления и на покрытие многих других издержек своего научно-технического решения намного превысят экономию двух воздушных проводов, так как сметная стоимость только одной буровой скважины глубиной 400 ч 500 м составляет не менее 1 млн рублей [16], а для устройства надежно действующей системы заземления, кроме скважины, требуется еще много дополнительных материалов, земляных, сварочных и других работ. Поэтому в статьях они обходят эту ключевую проблему [2, 3]. А может, и не понимают, ибо пишут: «Так как в четырехфазной линии загружены только две фазы, а сопротивление третьей равно нулю, то на нагрузке создаются неодинаковые фазные падения напряжения.
Чем больше передаваемая мощность, тем больше не-симметрия напряжений» [3].
Под третьей фазой здесь имеется в виду земляной то-копровод. При этом утверждение авторов, что электрическое сопротивление данной фазы равно нулю, конечно, очередная ошибка.
В трехфазных линиях и сетях с изолированными нейтралями уже на стадии проектирования предусматриваются меры, обеспечивающие требуемый уровень безопасности обслуживания и надежности их работы. В четырехфазной линии электропередачи запрограммировано не только опережающее развитие аварийных режимов, но и огромный поражающий людей и животных потенциал из-за возможности переноса высокого напряжения на заземленный нулевой провод низкой стороны системы электроснабжения.
Это означает, что при стечении определенных обстоятельств высокое напряжение может оказаться на нулевом проводе, а через него - в электроустановках потребителей вплоть до квартирных розеток.
Кроме того, в периоды весеннего половодья и оттаивания деятельного слоя грунтов на поверхности земли по всей трассе прохождения четырехфазной линии и в непосредственной близости от нее могут возникнуть опасные для людей, домашних и диких животных шаговые напряжения.
Эти обстоятельства свидетельствуют о том, что в сам принцип четырехфазных линий электропередачи заложен существенный поражающий людей и животных потенциал, что противоречит требованиям техники электробезо-
пасности к электроустановкам и условиям их эксплуатации [9, 10, 14, 15].
Четырехфазным линиям электропередачи характерен и ряд других недостатков: усложнение схемы коммутационных переключений при нормальных и аварийных режимах, необходимость двухтрансформаторных подстанций, низкая эксплуатационная гибкость, сложность параллельной работы двух источников электроэнергии с противофазным включением и т.п.
В целом, о невозможности применения систем ДПЗ и её модификаций в условиях Крайнего Севера, в частности, было констатировано еще в период подготовки к проведению 1-го Всесоюзного научно-технического совещания «Проблемы энергетики Крайнего Севера», состоявшегося 6-8 августа 1974 г. в г. Якутске, в связи с чем в докладах его как пленарных, так и секционных заседаний данный вопрос даже не поднимался.
На основе вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
1. Линии электропередачи трехфазного переменного тока напряжением 6, 10 и 35 кВс использованием земли в качестве рабочей фазы (системы ДПЗ) применялись как вынужденная мера по экономии цветных металлов на провода в первый период широкой электрификации сельского хозяйства, начиная со второй половины 30-х вплоть до 60-х годов XX века.
2. Четырехфазные линии электропередачи на эти же классы напряжений с использованием земли, в том числе по принципу «Электрической системы», защищенной Патентом № 2256273 РФ [патентообладатели: КоролюкЮрий Федорович (ЯИ), Бурянина Надежда Сергеевна (ЯИ)], с целью экономии металла и снижения потерь электроэнергии в проводах, применялись в 50-х годах XX века.
3. Линии электропередачи напряжением 35 кВ и ниже с заземлением фазы как по первому, так и по второму вариантам в схемах основных систем постоянного электроснабжения народно-хозяйственных объектов в настоящее время не применяются по причине их неконкурентоспособ-ности с обычными одно- и двухцепными трехфазными линиями электропередачи для сетей с изолированными нейтралями.
4. В условиях Севера, где по объективным причинам устройство систем заземлений гораздо дороже, требования к надежности и электробезопасности электроустановок более жесткие по сравнению с центральными и южными регионами страны; степень неконкурентоспособно-сти предлагаемых четырехфазных линий электропередачи против существующих трехфазных линий с изолированными нейтралями существенно возрастает:
4.1. Затраты на устройство системы заземления в условиях многолетней мерзлоты, стоимость фильтров и симметрирующих устройств значительно превышают экономический эффект, получаемый от снижения числа проводов на одну треть; потери мощности в них в 1,5 раза выше, чем в двухцепных трехфазных.
4.2. Коэффициент перегрузки по мощности или по напряжению элементов четырехфазной линии составляет
1,5...2,25; относительная частота возникновения двухфазных коротких замыканий в 8...9 раз, трехфазных - в 2...2,5 раза выше, чем у одноцепных трехфазных линий; в несколько раз ускоряется процесс электрокоррозии заземляющих устройств постоянно протекающими фазными токами нагрузки.
4.3. В первые периоды весенней оттайки многолетнемерзлых грунтов появляется вероятность:
- передачи высокого напряжения на сети низкого напряжения через их заземленный нулевой провод;
- возникновения опасных шаговых напряжений в непосредственной близости от трассы четырехфазной линии по всей её длине.
5. В целом, четырехфазная линия электропередачи для сетей с изолированными нейтралями, предлагаемая авторами и патентообладателями д.т.н. Н.С. Буряниной, к.т.н. Ю.Ф. Королюком, не отвечает требованиям ГОСТов РФ на электроустановки и противоречит проводимой политике создания энергетической безопасности России.
Литература
1. Патент № 2256273, Российская Федерация, МПК 7Н 0213 00 3/04 Электрическая система. Бурянина Н.С., Королюк Ю.Ф., Бурянина Е.В., Олесова В.Л., Олесов Л.А.; заявители и патентообладатели Бурянина Н.С., Королюк Ю.Ф. № 2003132023/09. Заявл. 31.10.2003; опубл. 10.07.2005. - Бюл. № 19.
2. Бурянина Н.С., Королюк Ю.Ф., Лесных Е.В., Шеме-тов А.И. Четырехфазные линии электропередачи для сетей с изолированными нейтралями // Вестник ЯГУ. 2005. Том 2. № 4. С. 90-93.
3. Бурянина Н.С., Королюк Ю.Ф. Лесных Е.В., Шеметов А.И. Четырехфазные линии электропередачи // Новости электротехники. СПб., 2005. № 1. С. 65-68.
4. Бурянина Н.С., Королюк Ю.Ф., Лесных Е.В., Шеметов А.И. Решение проблемы надежности электроснабжения пу-
тем использования четырехфазных электропередач / Материалы Межд. научно-практической конф. «Южная Якутия - новый этап индустриального развития». Нерюнгри, Россия, 24-26 октября 2007. С. 162-165.
5. Будзко И.А., Степанов В.Н. Электрические линии и сети сельскохозяйственного назначения. М.: Изд-во сельхозлит., 1958.
С. 146-156, 300-321.
6. Андреев В.В. Четырехфазная схема электропередачи с трехфазными трансформаторами // Электричество. 1952. № 1. С. 15-17.
7. Фильштинский А.А. Четырехпроводная электропередача как средство повышения экономичности и надежности высоковольтных сетей // Электричество. 1952. № 1. С. 17-22.
8. Электрическая часть электростанций: Учебник для вузов / Под ред. С.В. Усова. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиз-дат. Ленингр. отд-ние, 1987. С. 52.
9. Правила устройства электроустановок. 6-е изд. М.: Энер-гоатомиздат, 2006. 648 с.
10. Пособие для изучения «Правил технической эксплуатации электрических станций и сетей». Разделы 6, 7 / К.М. Антипов. М.: Энергия, 1979. С. 33-40, 75-76, 82, 83, 94, 98.
11. ФедоровА.А., КаменеваВ.В. Основы электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1987. С. 161164, 381-393.
12. Неклепаев Б.Н. Электрическая часть станций и подстанций. М.: Энергоатомиздат, 1986. С. 149-151.
13. Иванов B.C., Соколов В.И. Режимы потребления и качество электроэнергии систем электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1987. С. 44-51.
14. Рекомендации по проектированию и сооружению заземляющих устройств электроустановок напряжением 0,4-35 кВ для районов Якутской АССР. Якутск: Изд-во ЯФ СО АН СССР, 1988. С. 3, 21, 50-54.
15. Максименко Н.Н. Электробезопасность и грозозащита в районах Крайнего Севера / Н.Н. Максименко. Краснодар: Сов. Кубань, 2002. С. 170.
16. КобылинВ.П. Повышение эксплуатационной надежности электросетевого хозяйства на Севере / В.П. Кобылин. Новосибирск: Наука, 2006. С. 120-121.
D.E. Afanasiev
On four-phased power lines for the nets with isolated neutrals
Having enough knowledge or due to lack of information, wrong understanding or applying some basic laws of physics, neglecting recommendations of authors of the system «two lines-the earth» and its modifications that was successfully introduced and positively applied in 30s-60s, and regardless the electric device and electric power quality requirements of the State Standards of the Russian Federation, the authors suggest groundless technical solution on electric supply:
the four-phased electricity transmission line for nets with isolated neutrals that carry significant expensive, destructive and defeating potentials and, in fact, duplicate technical models of the past century.
Key-words: «two lines-the earth», electricity transmission line for nets with isolated neutrals, energy supply.
■ФФФ-
