CC BY
77
УДК 621.311
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ, СОЗДАВАЕМЫХ МНОГОФАЗНЫМИ ЛИНИЯМИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
•I Л 4
© В.П. Закарюкин1, А.В. Крюков2, Лэ Ван Тхао3
1,2Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15. 2,3Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Электромагнитные поля высоковольтных линий электропередачи представляют собой опасную форму загрязнения окружающей среды. Ввиду трудностей экспериментальных измерений данные, отвечающие максимальным уровням напряженностей полей, получают расчетным путем на основе математического моделирования. Разработанные в ИрГУПС методы и средства моделирования синусоидальных режимов в фазных координатах позволяют провести при определении режимов электроэнергетических систем одновременные расчеты напряженностей электрического и магнитного полей, создаваемых многопроводными линиями электропередачи. На этой основе реализован новый, системный подход к анализу электромагнитной обстановки. На уровень электромагнитных полей существенное влияние оказывает пространственное расположение проводов, которое меняется в циклах транспозиции. Приведены результаты компьютерного моделирования полей шести - и двенадцатифазных линий электропередачи, показавшие важность учета транспозиции проводов.
Ключевые слова: электроэнергетические системы; многофазные линии электропередачи; электромагнитные поля; моделирование.
MODELING ELECTROMAGNETIC FIELDS CREATED BY MULTIPHASE POWER LINES V.P. Zakaryukin, A.V. Kryukov, Le Van Thao
Irkutsk State University of Railway Engineering, 15 Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074, Russia. Irkutsk National Research Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Electromagnetic fields of high-voltage power lines represent a dangerous form of environmental contamination. Since it is difficult to conduct experimental measurements the data of maximum field strength levels are calculated on the basis of mathematical modeling. The methods and means of modeling sinusoidal modes in phase coordinates developed in Irkutsk State University of Railway Engineering allow to carry out simultaneous calculations of the intensity of electric and magnetic fields created by multi-wire power lines when determining electric system modes. On this basis a new system approach to the analysis of electromagnetic situation has been implemented. The spatial arrangement of wires which is changed in transposition cycles has a significant impact on the level of electromagnetic fields. Provided simulation results of the fields of six- and twelve-phase power lines have shown the importance of wire transposition consideration. Keywords: electrical power systems; multiphase power (transmission) lines; electromagnetic fields; modeling.
Введение. Многофазные системы с шести-, девяти-, двенадцати- и двадцати-четырехфазными трансформаторными преобразователями сравнительно давно
используются при создании эффективных схем получения постоянного напряжения на основе многопульсных выпрямителей [5]. Несколько позже появились разработки
1
Закарюкин Василий Пантелеймонович, доктор технических наук, профессор кафедры электроэнергетики транспорта, e-mail: [email protected]
Zakaryukin Vasily, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Transport Electric Power Industry, e-mail: [email protected]
2Крюков Андрей Васильевич, доктор технических наук, член-корр. АН ВШ РФ и Российской инженерной академии, академик Российской академии транспорта, Заслуженный энергетик Республики Бурятия, профессор кафедры электроснабжения и электротехники ИРНИТУ; профессор кафедры электроэнергетики транспорта ИрГУПС, e-mail: [email protected]
Kryukov Andrey, Doctor of technical sciences, Corresponding Member of the Academy of Sciences of the Higher School
of the Russian Federation and Russian Engineering Academy, Academician of Russian Academy of Transport,
Honoured Power Engineer of the Buryat Republic, Professor of the Department of Power Supply and Electrical
Engineering of INRTU, Professor of the Department of Transport Power Industry of ISURE,
e-mail: [email protected]
3Лэ Ван Тхао, магистрант, e-mail: [email protected]
Le Van Thao, Master's Degree Student, e-mail: [email protected]
многофазных линий электропередачи (рис. 1). Одной из первых работ такого рода была статья [22] с рассмотрением возможностей многофазных систем передачи электроэнергии. В отечественной литературе исследованию многофазных систем электроснабжения посвящены работы [6, 7, 9, 10, 13-15, 23], в которых рассматриваются разные стороны таких систем.
В работе [7] указано, что многофазные линии по сравнению с трехфазными обладают рядом преимуществ:
• пониженное напряжение и, соответственно, меньшие габариты при одинаковой пропускной способности линий (рис. 2);
• большая пропускная способность при одинаковых габаритах, напряжении, числе и сечении проводов;
• минимальная несимметрия токов проводов;
• пониженные магнитные поля;
• минимизация эффектов короны (радиоизлучение и акустический шум);
• уменьшенные потери энергии;
• пониженная стоимость.
Недостатками многофазных линий
электропередачи (ЛЭП) являются повышенная стоимость оконечного оборудования и более серьезные последствия при нарушениях изоляции.
Экспериментальные многофазные ЛЭП смонтированы в Окриджской национальной лаборатории. Исследование их режимов показало, что системы с повышенным числом фаз позволяют передавать большую мощность, чем обычные трехфазные системы в пределах того же самого пространства.
При практической реализации многофазных ЛЭП особую актуальность приобретают вопросы электромагнитной экологии. Электромагнитные поля (ЭМП), которые создаются высоковольтными ЛЭП, являются одной из опасных форм техногенного воздействия на окружающую природную среду [1-4]. На реальных объектах электроэнергетики сложно получить экспериментальные данные, отвечающие максимальным напряженностям ЭМП [1, 9], поэтому анализ ЭМП в электроэнергетических системах (ЭЭС) рекомендуется выполнять на основе математического моделирования.
Рис. 1. Мультифазная электроэнергетическая система
Трехфазная 130 кВ Шестифазная 80 кВ Трехфазная 550 кВ 12-фазная 80 кВ
Рис. 2. Габариты ЛЭП соизмеримой пропускной способности
Уровень ЭМП, создаваемых ЛЭП, существенно зависит от взаимного расположения проводов различных фаз [21]. Высоковольтные ЛЭП, как правило, имеют значительную длину, и для выравнивания пофазных параметров применяют транспозицию проводов. Поэтому оценки напря-женностей ЭМП многофазных ЛЭП, приведенные в работе [9] для конкретных ситуаций расположения проводов, не являются исчерпывающими. Ниже приведены результаты компьютерного моделирования ЭМП шести- и двенадцатифазных линий электропередачи, показавшие важность учета транспозиции проводов при моделировании ЭМП.
Методика моделирования. Разработанные в ИрГУПС методы и средства
моделирования синусоидальных режимов в фазных координатах [8, 11] позволяют при определении режима ЭЭС провести одновременные расчеты напряженностей ЭМП, создаваемых многопроводными линиями электропередачи [12, 16-20]. При этом анализируемая ЛЭП рассматривается в неразрывной связи со сложной электроэнергетической системой. На этой основе реализован системный подход к анализу электромагнитной обстановки на объектах электроэнергетики.
Результаты моделирования. Моделирование схем шести- и двенадцатифазных линий электропередачи [9], приведенных на рис. 3 и 4, осуществлялось с помощью программного комплекса Рагопо^ [8, 11].
Рис. 3. Транспозиция шестифазной ЛЭП
Рис. 4. Транспозиция двенадцатифазной ЛЭП
Координаты расположения проводов ЛЭП показаны на рис. 5. Средние напряжения провод - земля и средние токи проводов линий длиной 100 км при симметричных нагрузках 60 + j30 МВ А приведены в табл. 1. Результаты моделирования представлены на рис. 6-8 и в табл. 2, 3.
Полученные результаты показывают, что уровни напряженностей ЭМП на различных участках транспонированных ЛЭП существенно отличаются. Максимум напряженности электрического поля ше-стифазной ЛЭП изменяется по участкам от 1,16 до 2,76 кВ/м, максимальные значения
Г м
о о
о о
о о 1м
■ 10 -5 0 5 10
а
Рис. 5. Координаты pi а - шестифазная ЛЭП; б
напряженности магнитного поля варьируются в пределах от 0,73 до 1,1 А/м. Аналогичные показатели для двенадцатифазной линии лежат в диапазонах 1,32-1,9 кВ/м и 0,36-0,43 А/м. Следует отметить значительно меньшие уровни напряженностей магнитного поля 12-фазной ЛЭП по сравнению с шестифазной. Кроме того, вариации напряженностей магнитного поля двенадцатифазной ЛЭП при изменении пространственного расположения отдельных фазных проводов имеют значительно меньший размах, чем в шестифазной ЛЭП.
- Г=м -
О 1 о 1 о о
0 о о 0
о < > о Х.м
■10 О : 10
б
положения проводов: двенадцатифазная ЛЭП
Таблица 1
Средние значения напряжений и токов, а также потоки активной мощности _на отправных концах ЛЭП_
Параметр Тип ЛЭП Значение
Напряжение, кВ Шестифазная 124,5
Двенадцатифазная 124,5
Токи проводов, А Шестифазная 82,7
Двенадцатифазная 42,6
Поток активной мощности на головном участке ЛЭП, МВт Шестифазная 60,9
Двенадцатифазная 60,9
Примечание. Удвоенный средний ток проводов двенадцатифазной ЛЭП отличается от среднего тока проводов шестифазной ЛЭП на 3%.
б
Рис. 6. Векторные диаграммы токов и напряжений: а - шестифазная ЛЭП; б - двенадцатифазная ЛЭП
Рис. 7. Максимальные уровни напряженности электрического поля по участкам ЛЭП
1,2 1,1 1,0 0,3
0,7 0,6 0,5
0,4
0,3
--тт - - - m2ü = И -12 -6
0
20
40
60
80 L._ км 100
Рис. 8. Максимальные уровни напряженности магнитного поля по участкам ЛЭП
Таблица 2
Распределение напряженностей ЭМП по горизонтальной оси шестифазной ЛЭП
Участки
E = E (X)
H = H (X)
1-3
4-6
L2 1.1 1
0.S о.а С." 0.6 O.i 0.4
- Н, М
К ' Ч.
Участок б
у часток 4 | |
-1Ü
-i -4
№
Таблица 3
Распределение напряженностей ЭМП по горизонтальной оси двенадцатифазной ЛЭП
Участки
E = E (X)
H = H (X)
1-4
5-8
9-12
Заключение. На основе предлагаемой методики путем ограниченного перебора вариантов фазировки проводов ЛЭП может быть решена задача выбора оптимального расположения проводов многофазных ЛЭП с учетом транспозиции и различия в экологических ограничениях на от-
Библиогра
1. Аполлонский С.М., Богаринова А.Н. Напряженности воздушной среды на электрифицированной железной дороге // Сборник докладов IX Российской науч.-техн. конф. по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности. СПб.: Изд-во РАН, 2006. С. 579-583.
2. Аполлонский С.М., Каляда Т.В., Синдаловский Б.В. Безопасность жизнедеятельности человека в электромагнитных полях. СПб.: Политехника, 2006. 263 с.
дельных участках. Технология компьютерного моделирования электромагнитных полей может быть распространена на многопроводные линии любых применяемых на практике конструкций.
Статья поступила 21.01.2016 г.
кий список
3. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты: тематический блок «Безопасность железнодорожного транспорта. Безопасность железнодорожного транспорта в условиях Сибири и Севера». М.: Знание, 2014. 856 с.
4. Блейк Левитт Б. Защита от электромагнитных полей. М.: АСТ, 2007. 447 с.
5. Булгаков А.А. Новая теория управляемых выпрямителей. М.: Наука, 1970. 319 с.
6. Ворфоломеев Г.Н. Методы и средства преобразования числа фаз для улучшения электромагнитной совместимости в электрических системах: авто-реф. дис. ... д-ра техн. наук. Новосибирск, 1996. 42 с.
7. Гершенгорн А.И. Многофазные линии электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения // Электрические станции. 1994. № 8. С. 67-70.
8. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Методы совместного моделирования систем тягового и внешнего электроснабжения железных дорог переменного тока. Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2011. 170 с.
9. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Моделирование многофазных линий электропередачи. Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2014. 168 с.
10. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Моделирование энергосистем с четырехфазной линией электропередачи // Электрические станции. 2013. № 11. С. 32-37.
11. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Сложнонесиммет-ричные режимы электрических систем. Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 2005. 273 с.
12. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Буякова Н.В. Особенности потока электромагнитной энергии электротяговых сетей // Транспортная инфраструктура Сибирского региона. Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2011. Т. 1. С. 508-513.
13. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Чупов В.В. Моделирование шестифазных линий электропередачи // Транспортная инфраструктура Сибирского региона. Т. 2. Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2013. С. 47-51.
14. Королев А.Н., Куликов К.В. Экология многофазных ЛЭП // Повышение эффективности энергетического оборудования. Иваново: Изд-во ИГЭУ, 2011. С. 455-460.
15. Королев А.Н., Куликов К.В., Коротков В.В. Особенности построения многофазных ЛЭП // Повыше-
ние эффективности работы энергосистем. Иваново: Изд-во ИГЭУ, 2001. С. 108-111.
16. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Буякова Н.В. Моделирование электромагнитной обстановки на железных дорогах переменного тока // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2010. № 2 (26). С. 169-175.
17. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Буякова Н.В. Моделирование электромагнитной обстановки на объектах железнодорожного транспорта и разработка способов ее улучшения // Информационные и математические технологии в науке и управлении. Иркутск: Изд-во ИСЭМ СО РАН, 2011. Т. 1. С. 163-171.
18. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Буякова Н.В. Системный подход к моделированию электромагнитной обстановки на железных дорогах переменного тока // Информатика и системы управления. 2011. № 1 (27). С. 38-49.
19. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Буякова Н.В. Управление электромагнитной обстановкой в тяговых сетях железных дорог: монография. Ангарск: Изд-во АГТА, 2014. 158 с.
20. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Буякова Н.В. Электромагнитная обстановка на объектах железнодорожного транспорта. Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2011. 130 с.
21. Линии электропередачи 345 кВ и выше: сб. трудов научно-исследовательского института энергетики США. М.: Энергия, 1980. 480 с.
22. Barthold L.O., Barnes H.S. High phase order power transmission. Electra. V. 24. 1972. Р. 139-153.
23. Zakaryukin V.P., Kryukov A.V. Simulation of power systems with four-phase power transmission lines // Power Technology and Engineering. V. 48. No. 1. 2014. P. 57-61.
References
1. Apollonskii S.M., Bogarinova A.N. Napriazhennosti vozdushnoi sredy na elektrifitsirovannoi zheleznoi doroge [Air environment intensity in the electrified railway]. Sbornik dokladov deviatoi rossiiskoi nauch.-tekhn. konf. po elektromagnitnoi sovmestimosti tekhnicheskikh sredstv i elektromagnitnoi bezopasnosti [Proceedings of the Ninth Russian Scientific and Technical Conference on Electromagnetic Compatibility of Engineering Equipment and Electromagnetic Safety]. Sankt-Peterburg, RAN Publ., 2006, pp. 579-583.
2. Apollonskii S.M., Kaliada T.V., Sindalovskii B.V. Be-zopasnost' zhiznedeiatel'nosti cheloveka v elektromag-nitnykh poliakh [Human life safety in electromagnetic fields]. Sankt-Peterburg, Politekhnika Publ., 2006, 263 p.
3. Bezopasnost' Rossii. Pravovye, sotsial'no-ekonomicheskie i nauchno-tekhnicheskie aspekty: te-maticheskii blok "Bezopasnost' zheleznodorozhnogo transporta. Bezopas-nost' zheleznodorozhnogo transporta v usloviiakh Sibiri i Severn" [Security of Russia. Legal, socio-economic and scientific-technological aspects: topical section "Safety of railway transport. Safe-
ty of railway transportation in Siberia and the North."]. Moscow, Znanie Publ., 2014, 856 p.
4. Bleik Levitt B. Zashchita ot elektromagnitnykh polei [Protection against electromagnetic fields]. Moscow, AST Publ., 2007, 447 p.
5. Bulgakov A.A. Novaia teoriia upravliaemykh vypri-amitelei [A new theory of controlled rectifiers]. Moscow, Nauka Publ., 1970, 319 p.
6. Vorfolomeev G.N. Metody i sredstva preobrazovaniia chisla faz dlia uluchsheniia elek-tromagnitnoi sovmes-timosti v elektricheskikh sistemakh. Avtoref. diss. dokt. tekhn. nauk [Methods and means of phase number conversion to improve electromagnetic compatibility of electrical systems: Abstract of the Dissertation ... Doctor of technical sciences]. Novosibirsk, 1996, 42 p.
7. Gershengorn A.I. Mnogofaznye linii elektroperedachi vysokogo i sverkhvysokogo napriazheniia [Multiphase power lines of high and extrahigh voltage]. Elektriches-kie stantsii - Electric Power Plants, 1994, no. 8, pp. 67-70.
8. Zakariukin V.P., Kriukov A.V. Metody sovmestnogo modelirovaniia sistem tiagovogo i vneshnego elektros-
nabzheniia zheleznykh dorog peremennogo toka [Co-simulation methods for traction and external power supply systems of AC rail roads.]. Irkutsk, IrGUPS Publ., 2011, 170 p.
9. Zakariukin V.P., Kriukov A.V. Modelirovanie mnog-ofaznykh linii elektroperedachi [Multiphase power line modeling]. Irkutsk, IrGUPS Publ., 2014, 168 p.
10. Zakariukin V.P., Kriukov A.V. Modelirovanie ener-gosistem s chetyrekhfaznoi liniei elektroperedachi [Modeling power systems with a four-phase power line]. Elektricheskie stantsii - Electric Power Plants, 2013, no. 11, pp. 32-37.
11. Zakariukin V.P., Kriukov A.V. Slozhnonesimmet-richnye rezhimy elektricheskikh system [Complex asymmetrical modes of electrical systems]. Irkutsk, Irkutsk university Publ., 2005, 273 p.
12. Zakariukin V.P., Kriukov A.V., Buiakova N.V. Oso-bennosti potoka elektromagnitnoi energii elektrotia-govykh setei [Features of electromagnetic energy flow in electrotraction networks]. Transportnaya infrastruktu-ra Sibirskogo regiona - Transport infrastructure of the Siberian region, 2011, vol. 1, pp. 508-513.
13. Zakariukin V.P., Kriukov A.V., Chupov V.V. Mod-elirovanie shestifaznykh linii elektroperedachi [Modeling six-phase power lines]. Transportnaya infrastruktura Sibirskogo regiona - Transport infrastructure of the Siberian region, 2013, vol. 2, pp. 47-51.
14. Korolev A.N., Kulikov K.V. Ekologiya mnogofaznykh LEP [Multiphase transmission line ecology] In: Pov-yshenie effektivnosti energeticheskogo oborudovaniia [Power equipment efficiency improvement]. Ivanovo, IGEU Publ., 2011, pp. 455-460.
15. Korolev A.N., Kulikov K.V., Korotkov V.V. Osoben-nosti postroeniya mnogofaznykh LEP [Multiphase power lines construction features] In: Povyshenie effektivnosti raboty energosistem [Improvement of energy system operation efficiency]. Ivanovo, IGEU Publ., 2001, pp. 108-111.
16. Kriukov A.V., Zakariukin V.P., Buiakova N.V. Modelirovanie elektromagnitnoi obstanovki na zheleznykh
dorogakh peremennogo toka [Electromagnetic environment modeling on AC rail roads]. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyi analiz. Modelirovanie - Modern technologies. System analysis. Modeling, 2010, no. 2 (26), pp. 169-175.
17. Kriukov A.V., Zakariukin V.P., Buiakova N.V. Modelirovanie elektromagnitnoi obstanovki na ob"ektakh zheleznodorozhnogo transporta i razrabotka sposobov ee uluchsheniya [Modeling of electromagnetic environment on railway transport facilities and development of methods to improve it] In: Informatsionnye i matematicheskie tekhnologii v nauke i upravlenii [Information and mathematical technologies in science and management]. Irkutsk, ISEM SO RAN Publ., 2011, v. 1, pp. 163-171.
18. Kriukov A.V., Zakariukin V.P., Buiakova N.V. Sistemnyi podkhod k modelirovaniiu elektromagnitnoi obstanovki na zheleznykh dorogakh peremennogo toka [Systematic approach to electromagnetic environment modeling on AC rail roads]. Informatika i sistemy uprav-leniia - Information science and control systems, 2011, no. 1 (27), pp. 38-49.
19. Kriukov A.V., Zakariukin V.P., Buiakova N.V. Uprav-lenie elektromagnitnoi obstanovkoi v tiagovykh setiakh zheleznykh dorog [Electromagnetic environment control in traction networks of rail roads]. Angarsk, AGTA Publ., 2014, 158 p.
20. Kriukov A.V., Zakariukin V.P., Buiakova N.V. El-ektromagnitnaia obstanovka na ob"ektakh zheleznodorozhnogo transporta [Electromagnetic environment on railway transport facilities]. Irkutsk, IrGUPS Publ., 2011, 130 p.
24. 21. Linii elektroperedachi 345 kV i vyshe [Power lines of 345 kV and higher]. Trudy nauchno-issledovatel'skogo instituta energetiki SShA [Collection of works of the USA Research Institute of Power Engineering]. Moscow, Energiya Publ., 1980, 480 p.
22. Barthold L.O., Barnes H.S. High phase order power transmission, Electra, v. 24, 1972, pp. 139-153.
23. Zakaryukin V.P., Kryukov A.V. Power Technology and Engineering, v. 48, no. 1, 2014, pp. 57-61.
