CC BY
11
© Н.С. Бурянина, Ю.Ф., Королюк, А.И. Шеметов, 2008
Н.С. Бурянина, Ю.Ф., Королюк, А.И. Шеметов
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И СНИЖЕНИЕ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ЗА СЧЕТ ВНЕДРЕНИЯ ЧЕТЫРЕХФАЗНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ
инии электропередачи в Республике Саха (Якутия)
сплошь одноцепные с большим количеством понижаю-
щих трансформаторов. Средние длины линий напряжением 10 кВ составляют 30-50, напряжением 35 кВ - свыше 100 км. Линии перегружены, соответственно недопустимо низкие уровни напряжения, очень высокие потери мощности. Напряжения у потребителей в сети 0,4 кВ ниже номинальных на 20 и более процентов. Средние потери мощности в сети 6-10 кВ - 15-20 %. Надежность одноцеп-ных линий по определению не соответствует потребителям I и II категорий. А к таким относятся системы жизнеобеспечения в зимний период. Практически ежегодно происходят размораживание отопительных сетей из-за прерывания электроснабжения. Чтобы обеспечить надежность потребителей I и II категорий, устанавливаются дизельные электростанции, стоимость выработанной электроэнергии которыми на порядок выше передаваемой по сетям.
В Якутском государственном университете разработаны четы-рехфазные линии электропередачи, которые по своей надежности сопоставимы с двухцепными трехфазными, одинаковы с ними по пропускной способности, но дешевле их в 1,6-1,8 раз. Потери мощности в четырехфазных линиях меньше, чем в двухцепных трехфазных в 1,5-1,7 раз.
Прототипом четырехфазной линии является линия «два провода - земля» (ДПЗ). Такие линии широко применялись в Советском Союзе в 50-х годах. Основной недостаток, из-за которого прекратилась эксплуатация ДПЗ, было наличия тока в земле, при длительном протекании которого высушивалась почва вокруг заземли-телей, что создавало опасные шаговые напряжения.
325
Четырехфазные электропередачи состоят из двух ДПЗ, т.е., это двухцепная ДПЗ. Токи в одной ДПЗ противоположны по направлению токам в другой ДПЗ. Этим самым исключается ток в земле, т.е., исключается основной недостаток ДПЗ.
Как двухцепная линия четырехфазная линия соответствует по уровню надежности двухцепной трехфазной.
Совокупность четырехфазных линий и трансформаторов составляют новый класс сетей - четырехфазные электрические сети. Связь с традиционными трехфазными осуществляется через серийные трансформаторы. Могут применяться не только на Севере, но и в средней и южной России.
Естественно, что область применения четырехфазных электрических сетей не ограничивается только электроснабжением сельскохозяйственных потребителей, основным назначением чего были ДПЗ. Они являются альтернативой трехфазным сетям 635 кВ. Увеличение стоимости четырехфазных сетей по сравнению с одноцепными трехфазными компенсируется снижением потерь электроэнергии и повышением надежности. Если же сравнивать четырехфазные сети с двухцепными трехфазными, то последние в 1,6-1,8 раз дороже.
Четырехфазная линии электропередачи получается преобразованием из двух трехфазных.
Рассмотрим две одинаковые независимые трехфазные системы. Каждая имеет одинаковые по модулю ЭДС и одинаковые сопротивления нагрузки. Но ЭДС одной системы противоположны по направлению ЭДС второй системы. Сопротивлениями проводов между ЭДС и нагрузкой пренебрежем. Так как ЭДС в системах противоположны, соответственно, противоположны и токи: 1д1 = -1д2; 1в1 = -1В2; 1С1 = -1С2.
Заземлим в каждой системе точку между ЭДС фазы А и нагрузкой. Нетрудно заметить, что токи не изменятся, если в ветвь, соединяющую ЭДС фазы А и нагрузки фазы А, включить любое сопротивление, в том числе и равное бесконечности. Т.е., можно исключить эту ветвь. После исключения ветви схема приведена на рис. 1.
В полученной системе токи в сопротивлениях нагрузки и в ЭДС симметричны, а фазные напряжения относительно земли по величине равны линейным. Поэтому область применения четырех-фазной линии - сети с изолированной нейтралью (6-35 кВ).
326
Рис. 1.
В реальной электрической системе сопротивления двух трехфазных нагрузок практически никогда не равны между собой. В этом случае через землю будет протекать ток, величина которого тем больше, чем больше разница между нагрузками, включенными на разные ЭДС. Максимальная величина тока будет равна току нагрузки, если второй нагрузки нет. В этом случае токи и напряжения те же, что и в схеме
Дпз.
Одинаково загрузить фазы линии можно, если между линией и нагрузкой включить трансформаторы с противоположными группами соединения обмоток. Например, у правой линии (рис. 2) группа соединения обмоток одиннадцатая, у левой - пятая.
Принципиальная возможность осуществления четырехфаз-ной линии электропередачи проверены на трехфазной электродинамической модели с напряжением на линии 1,2 кВ, собранной из 4 трехфазных трансформаторов. Нагрузкой являлся трехфазный калорифер мощностью 5 кВт с вентилятором. Расчеты режимов как нормальных, так и аварийных, включая короткие замыкания, совпали с экспериментами.
Подвеска проводов разных двухфазных цепей на расстояние, не создающее их опасного сближения, исключает трехфазные и четы-рехфазные короткие замыкания (КЗ), т.е., в результате КЗ возможно отключение только одной двухфазной полуцепи четырехфазной линии. В этом случае четырехфазная линия автоматически переходит в режим ДПЗ. Однако в зимнее время на Севере почва промерзает до вечной мерзлоты, и земля практически не проводит тока. При отключении одной двухфазной полуцепи токи в фазах второй будут противоположно направлены, и трехфазная система превратится в однофазную, и вторую полуцепь тоже необходимо отключить.
Группа соединения обмоток - 5
Группа Фазы (о) соединения А-2 А „^обмоток - 11
Группа
Группа оединения обмоток-
я «Фазы^соГ&я
5,МЛ'-ГАМобмоток тйгрузш ФазаГФаза! 1 С
Фаза В
Нагрузка
Группа
ЧЛ2 А1 (
соединения фазы соединения
обмоток - 5 ^т обмоток - 11
Нагрузка
А Л,
Группа
соединенияЛ—Л фазы соединения обмоток- 5 ^ '
Рельс
Группа
-о-
обмоток- 11
Рис. 2.
Нагрузка^ ^Нагрузка
Рис. 3. Система «Четыре провода — рельс».
Но при однофазных коротких замыканиях, которые составляют 70-80 % от всех повреждений линий, возможно обеспечить передачу половины максимальной мощности четырехфазной линии и на Севере, если отключить поврежденную фазу и заземлить неповрежденную. В результате создается трехфазная линия, у которой одна фаза заземлена. Т.е., обеспечивается передача половины предельной мощности двухцепной трехфазной линии.
Уникальная возможность в использовании четырехфазных линий возникает при строительстве железных дорог в ненаселенной местности, в частности, железной дороги «Томмот - Якутск». В этом случае электроснабжение нетяговых потребителей и промыш-ленно-коммунальной структуры, развивающейся вдоль железной дороги, целесообразно выполнять по системе «Четыре провода -рельс» (ЧПР), которая является модификацией четырехфазной линии (рис. 3). Отличие ЧПР от четырехфазной линии в использовании рельса в качестве обратного провода, к которому подключаются заземляемые обмотки трансформаторов. Это позволяет подключать нагрузку как через два трансформатора, так и через один. Т.е., исключается необходимость подключать нагрузку только через два трансформатора, как это выполняется в четырехфазной линии. Аналогом ЧПР является система «Два провода рельс», повсеместно применяемая на электрифицированных железных дорогах. Но ЧПР по надежности равноценна с двухцепными линиями.
328
Технические характеристики четырехфазной линии электропередачи рассматривались в сравнении с двухцепной и одноцепной трехфазными линиями напряжениями 35 и 10 кВ. Ниже приведено это сравнение с двухцепной линией 10 кВ длиной 10 км.
С учетом ограничений по напряжению на линии максимальная передаваемая мощность по двум цепям трехфазной линии равна 4,5 МВт при cosa нагрузки, равным 0,8. Потери мощности в обеих электропередачах не включают потери в трансформаторах передающей и приемной подстанций. На рис. 4 приведены зависимости потерь мощности от передаваемой в двухцепной трехфазной и в четырехфазной линиях.
Недостатком четырехфазных электропередач является появление несимметрии напряжений, которая устраняется продольным включением реакторов между заземляемой обмоткой трансформатора и землей или включением реакторов в две фазы со стороны низкого напряжения приемника.
Минимальная несимметрия напряжений на нагрузке соответствует сопротивлению реакторов, включаемых со стороны 10 кВ между заземляемой обмоткой трансформаторов и землей, равному 2,9 Ом, и сопротивлению реакторов, включаемых продольно в две фазы со стороны 0,4 кВ, равному 0,0051 Ом. Наилучшим является
вариант с включением реакторов на линии. С точки зрения уровней несимметрии напряжения схема с включением реакторов на линии предпочтительна, однако на настоящий момент промышленность не производит продольные реакторы с регулируемыми сопротивлениями, измеряемыми единицами и десятками Ом. А со стороны 0,4 кВ можно использовать токоогра-ничивающие реакторы
ЛР (МВт)
а у б
/ /: /í' /. //в
С*''
Р (МВт)
0 1 2 3 4 5
Рис. 4. Зависимости потерь мощности от
передаваемой: а - в двухцепной трехфазной линии; б - в четырехфазной без симметрирования; в - в четырехфазной с симметрированием.
329
6-10 кВ, выполнив отпайку от нескольких витков. Поэтому схему с продольным включением реакторов на напряжении 0,4 кВ можно осуществить, используя исключительно оборудование, выпускаемое отечественной промышленностью.
Конструкция четырехфазной линии электропередачи зави-сит от класса напряжения. Линия 35 кВ может быть выполнена либо на П-образных опорах, либо на двух отдельных стойках по два провода на каждой. Последние должны быть разделены расстоянием, чтобы при падении одной стойки вторая не по-страдала. Это, во-первых, исключает короткое замыкание всех четырех фаз, а значит, при повреждении двух фаз линия мо-жет быть переведена в режим ДПЗ, и сохранится передача части мощности. Во-вторых, можно предусмотреть ремонт ли-нии по частям (по две фазы) с сохранением электроснабжения потребителей оставшимися двумя фазами по системе ДПЗ. В этом случае по надежности четырехфазная электропередача сопоставима с двумя цепями трехфазной.
Линии 6 и 10 кВ предлагается выполнить на одной стойке с горизонтальным расположением проводов на двух траверсах аналогично двухцепным трехфазным линиям, ггш
— Коротко об авторах -
Бурянина Н.С. - доктор технических наук, профессор, Якутский государственный университет,
Королюк Ю. Ф. - кандидат технических наук, профессор, Якутский государственный университет,
Шеметов А.И. - Энергосбыт ОАО АК «Якутскэнерго».
Д_
--© М.А. Викулов, А.И. Божедонов,
Г.П. Довиденко, И.С. Капитонов,
2008
330
