CC BY
37
УДК 621.311
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРЕХФАЗНО-ЧЕТЫРЕХФАЗНЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
1 9
© В.П. Закарюкин1, А.В. Крюков2
1Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15. 1,2Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
На основе разработанных авторами методов моделирования мультифазных электроэнергетических систем выполнено моделирование четырехфазных линий электропередачи (ЧЛЭП) напряжением 750/V3 кВ. Показано, что при передаче одинаковой мощности потери электроэнергии в ЧЛЭП существенно меньше потерь в трехфазной системе. При одинаковом исполнении отправного и приемного концов ЧЛЭП возникает существенная несимметрия напряжений, обусловленная различием режимов работы трансформаторов схемы Скотта. Этот недостаток может быть устранен регулированием напряжений трансформаторов. Сравнительные расчеты электромагнитных полей (ЭМП), создаваемых ЧЛЭП и трехфазной линией 750 кВ, показали, что уровни напряженностей ЭМП для ЧЛЭП примерно в два раза ниже. Ил. 7. Табл. 3. Библиогр. 9 назв.
Ключевые слова: четырехфазные системы; моделирование; фазные координаты.
MODELING THREE- AND FOUR-PHASE ELECTRIC POWER SYSTEMS V.P. Zakaryukin, A.V. Kryukov
Irkutsk State University of Railway Engineering, 15 Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074. Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia
Simulation of four-phase power transmission lines (FPPTL) with the voltage of 750/ kV is performed on the basis of authors' methods of multi-phase power system modeling. It is shown that under the same transmission power the losses of power in a four-phase transmission line are significantly less than in a three-phase system. If sending and receiving ends of FPPTL are performed the same there is a considerable voltage asymmetry caused by different operation modes of Scott circuit transformers. This drawback can be removed by regulating the voltage of transformers. Comparative calculations of the electromagnetic fields (EMF) induced by the four-phase power transmission line and the three-phase line of 750 kV show that the levels of EMF strengths for FPPTL are approximately twice lower. 7 figures. 3 tables. 9 sources.
Key words: four-phase systems; simulation (modeling); phase coordinates.
Совершенствование электроэнергетических систем (ЭЭС) предполагает увеличение пропускной способности линий электропередачи (ЛЭП), повышение их экономической эффективности, ремонтопригодности и надёжности электроснабжения. Одним из путей такого совершенствования является внедрение четы-рёхфазных линий электропередачи [1-4], обладающих повышенной энергоэффективностью и надёжностью. В основе этих ЛЭП лежит четырёхфазная симметричная система переменного тока с фазовым сдвигом 90°.
Фазопреобразующие трансформаторы для преобразования трёхфазной системы в четырёхфазную выполняются на основе схемы Скотта [3]; на основе такой же схемы выполняется и обратное преобразование.
В статье [2] были рассмотрены варианты связи гидроэлектростанции с удалённой на 600 км подстанцией 750/500 кВ с помощью традиционной трёхфазной ЛЭП (ТЛЭП) 750 кВ и четырёхфазной ЛЭП (ЧЛЭП)
750/ л/3 кВ и сделан вывод о предпочтительности
1Закарюкин Василий Пантелеймонович, доктор технических наук, профессор кафедры электроснабжения железнодорожного транспорта, тел.: (3952) 638345, e-mail: zakaryukin@gmail.com
Zakaryukin Vasily, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Railway Transport Power Supply, tel.: (3952) 638345, e-mail: zakaryukin@gmail.com
2Крюков Андрей Васильевич, академик РАТ, член-корр. АН ВШ РФ и Российской инженерной академии, доктор технических наук, заслуженный энергетик Республики Бурятия, профессор кафедры электроснабжения железнодорожного транспорта ИрГУПС, профессор кафедры электроснабжения и электротехники НИ ИрГТУ, тел.: (3952) 638345, e-mail: and_kryukov@mail.ru
Kryukov Andrei, academician of the RAA, Corresponding Member of Russian Higher Education Academy of Sciences and Russian Engineering Academy, Doctor of technical sciences, Honored Power Engineer of the Republic of Buryatia, Professor of the Department of Railway Transport Power Supply at Irkutsk State University of Railway Engineering, Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering of Irkutsk State Technical University, tel.: (3952) 638345, e-mail: and_kryukov@mail.ru
ЧЛЭП по критериям надёжности и экономической эффективности. В работах [1, 3] рассмотрены возможные схемы четырёхфазной системы. В статье [4] на основе теории многополюсников проанализированы варианты симметрирования ЧЛЭП. Однако практически приемлемых и достаточно удобных моделей для расчётов режимов ЭЭС, имеющих в своём составе ЧЛЭП, не было предложено. Разработки авторов [5] позволяют моделировать практически любые системы переменного тока в фазных координатах. Разработанный программный комплекс Ра20погс1-Качество позволяет создавать модели и проводить расчёты режимов совмещённых трёхфазно-четырёхфазных систем [6]. Для анализа режимов и возможных проблем ЧЛЭП было выполнено моделирование трёхфазно-четырёхфазной ЭЭС, схема которой приведена на рис. 1.
следующими параметрами:
• высота нижнего провода у опоры 26 м;
• расстояние между фазами 15 м;
• длина гирлянды 6 м;
• стрела провеса проводов и грозозащитных тросов 12 м:
• провода фаз 7АС-330;
• грозозащитные тросы АС-70;
• диаметр распорки для расщепления 680 мм.
Предполагалось, что грозозащитные тросы заземлены только с одной стороны участка.
Параметры фазосдвигающего трансформатора заданы по аналогии с параметрами автотрансформатора АОДЦТН-417/750/500: номинальная мощность 417 МВД номинальные напряжения 250+250 / (750/
Рис. 1. Схема электроснабжения подстанции (750/^3 )/500 кВ ЧЛЭП
Описание анализируемой ЭЭС. Схема содержит трёхфазный генератор, две группы трансформаторов Скотта для преобразования трёхфазной системы в четырёхфазную и обратно, четырёхфазную ЛЭП с тремя блоками управляемых шунтирующих реакторов и трёхфазную нагрузку. Для сопоставления рассмотрена также традиционная трёхфазная ЭЭС, включающая ТЛЭП 750 кВ с однофазными автотрансформаторами.
Варианты схемы сети и оборудование. Для
анализа использовались два варианта схем: ЭЭС с четырёхфазной ЛЭП и традиционная трёхфазная система. По аналогии с данными работы [2] напряжение
ЧЛЭП принято равным 750^л/3 кВ, такое же напряжение проводов относительно земли задано и для традиционной ТЛЭП. Расщеплённые фазы линий содержат по 7 проводов, расположение фаз показано на рис. 2. Традиционная ЛЭП 750 кВ характеризовалась
л/3) кВ, потери холостого хода (ХХ) 135 кВт, потери короткого замыкания (КЗ) 700 кВт, напряжения КЗ 12% и 30%, ток ХХ 0,2%. Параметры дополнительного трансформатора приняты следующими: номинальная мощность 417 МВ-А, номинальные напряжения 433 /
(750/л/3) кВ, потери ХХ 135 кВт, потери КЗ 700 кВт, напряжение КЗ 20%. Высота расположения проводов нижних фаз ЧЛЭП с учётом стрелы провеса 20 м, верхних - 34 м. Расстояние между проводами по горизонтали 7,5 м.
Для традиционной трёхфазной системы взяты автотрансформаторы А0ДЦН-417000/750/500 кВ номинальной мощностью 417 МВ-А, с номинальными напряжениями 433/289 кВ, потерями ХХ 135 кВт, потерями КЗ 700 кВт, напряжением КЗ 11,5% и током ХХ 0,2%.
а)
б)
Рис. 2. Промежуточная опора четырёхфазной ЛЭП двухъярусной конструкции (а) и железобетонная опора ВЛ 750 кВ (б)
Рис. 3. Расчётная схема программного комплекса ЕаюпоМ-Качество
Расчётная схема моделирования. Расчётная схема, сформированная средствами программного комплекса FazonorC-Качество, приведена на рис. 3. Схема состоит из двух частей: верхняя представляет собой модель системы с четырёхфазной линией и фазовращающими трансформаторами, нижняя часть моделирует классическую линию 750 кВ с расщеплёнными проводами 7хАС-330. В модели четырёхфазной ЛЭП выполнена оптимальная транспозиция в соответствии с рекомендациями работы [4] при расположении проводов по рис. 2. Для возможности задания узловых нагрузок вместо их подключения между узлами в расчётную схему включены модели разделительных трансформаторов с очень малыми потерями. Модель трёхфазной линии 750 кВ выполнена с полным циклом
транспозиции. В обеих схемах левые, средние и правые узлы линий объявлены Ри-узлами в предположении включения управляемых шунтирующих реакторов, регулируемых по критерию поддержания заданного уровня напряжения. При расчёте этот уровень предполагался равным 433 кВ (фазное напряжение) в обеих схемах.Схема с ЧЛЭП по сравнению с трёхфазной ЛЭП имеет на 934 МВА большую трансформаторную мощность, но и рассчитана на такую мощность.
Результаты моделирования. Четырёхфазная линия обладает существенно более высокой генерацией реактивной мощности по сравнению с ТЛЭП того же напряжения. При номинальном фазном напряжении 433 кВ ЧЛЭП генерирует 412 Мвар реактивной мощности на 100 км длины против 247 Мвар для тра-
диционной ТЛЭП. Кроме того, четырёхфазная система создаёт достаточно заметную несимметрию напряжений за счёт неодинаковости режимов трансформаторов Скотта. Вместе с тем потери в четырёхфазной ЛЭП существенно меньше, чем в ТЛЭП: 10 МВт ЧЛЭП против 12 МВт ТЛЭП при передаче 900+/600 МВА мощности в трёхфазную нагрузку. Потери в трансформаторах в этом режиме составили 3,75 МВт как в схеме с ЧЛЭП, так и в схеме с ТЛЭП.
Результаты расчётов режимов трёхфазно-четырёхфазной системы при разных вариантах нагрузок приведены в табл. 1. При расчётах режимов предполагались одинаковые параметры трансформаторов схемы Скотта как у генератора, так и у нагрузки.
стить некоторое повышение напряжения в середине ЧЛЭП.
Недостатком четырёхфазной системы является заметная несимметрия трёхфазного напряжения на нагрузке. Как показали расчёты, эта несимметрия создаётся за счёт несимметричной схемы преобразования трёхфазной системы в четырёхфазную и обратно. Несимметрия снижается при уменьшении напряжения КЗ трансформаторов, однако, величина этого снижения явно недостаточна. Кроме того, уменьшенное значение напряжения КЗ сложно реализовать для трансформаторов с высокими номинальными напряжениями 433/500 кВ. Имеется другая возможность снижения несимметрии, связанная с повышением напряжения
Параметры режима схемы с ЧЛЭП при одинаковых трансформаторах на отправном и приемном концах
Таблица 1
Режим РгенА, МВт РгенВ, МВт РгенС МВт QгенА, Мвар ОгенВ, Мвар ОгенС Мвар ОушрЬ Мвар QУШР2, Мвар QyШР3, Мвар к2и, %
Холостой ход 0,6 1,1 0,8 2,8 2,8 3,2 157x4 311x4 154x4 0,02
Нагрузка (400+/0) МВ А на фазу 372,5 453,7 395,9 13,4 33,2 93,6 88x2+ 181x2 280x2+ 284x2 51x2+ 66x2 5,2
Нагрузка (300+/200) МВ А на фазу 279,7 341,6 292,8 0,5 21,1 64,4 115x2+ 184x2 294x2+ 296x2 (-86^2 + (-76) x2 4,6
Примечание. Ргенх+/ Огенх- мощности на отправном конце ЛЭП, Х=А,В,С; Оушр1, Оушрз , Оушр2 - мощности шунтирующих реакторов, подключенных соответственно на отправном и приёмном концах ЧЛЭП, а также в середине линии; к.2и - коэффициент несимметрии по обратной последовательности.
Расчёты показывают, что схема с ЧЛЭП при симметричной нагрузке со стороны потребителя создаёт несимметричную нагрузку для генераторов с различием нагрузок по фазам до 20%. Значительно различаются и требуемые пофазные мощности управляемых шунтирующих реакторов; в режиме холостого хода потребляемые реакторами мощности одинаковы и составляют примерно по 155 Мвар для концевых УШР и по 310 Мвар - для средних. В нагрузочном режиме реактивные мощности УШР для поддержания заданного уровня напряжения могут на разных фазах четы-рёхфазной системы отличаться более чем двукратно. Наибольшие различия требуются для УШР, включённых вблизи генераторов. Отмеченные в табл. 1 требуемые генерации реактивной мощности УШР (в таблице представлены отрицательными величинами) не обязательно должны реализовываться, если допу-
на нагрузке посредством изменения коэффициентов трансформации трансформаторов Т3-1 и Т4-1. Режим системы при повышенных коэффициентах трансформации 415/500 кВ представлен в табл. 2. При повышенных напряжениях наблюдается приемлемая несимметрия трёхфазных напряжений на нагрузке как при холостом ходе, так и при передаче значительной мощности.
Для сравнения в табл. 3 приведены параметры режима для схемы с традиционной ТЛЭП при передаче таких же мощностей, как и для схемы с ЧЛЭП. Данные, представленные в табл. 3 показывают, что схема с ТЛЭП характеризуется более низкой несимметрией и меньшей требуемой мощностью УШР. Вместе с тем необходимость стабилизации напряжений по фазам и в этом случае требует существенно различных мощностей УШР по фазам.
Таблица 2
Параметры режима схемы с ЧЛЭП при трансформаторах Т3-1 и Т4-1 с повышенными коэффициентами трансформации
Режим РгенА, МВт РгенВ, МВт РгенС МВт QгенА, Мвар ОгенВ, Мвар ОгенС Мвар ОушрЬ Мвар QУШР2, Мвар QyШР3, Мвар к2и, %
Холостой ход 1,6 0,03 0,8 12,7 12,7 11,3 164x4 311x4 154x4 2,1
Нагрузка (400+/0) МВА на фазу 360,7 472,2 389,1 -11,5 20,0 100,8 91x2+ 189x2 280x2+ 282x2 65x2+ 58x2 1,2
Нагрузка (300+/200) МВА на фазу 268,3 351,5 294,3 -9,0 9,0 72,0 116x2+ 190x2 293x2+ 295x2 72x2 + 83 x2 1,5
Таблица 3
Параметры режима схемы с ТЛЭП_
Режим РгенА< МВт РгенВ, МВт РгенС МВт QгенА, Мвар QгенВ, Мвар ОгенС Мвар QyWP1, Мвар Qympi, Мвар QyWP3, Мвар k2U, %
Холостой ход -0,4 0,4 1,3 12,2 12,2 12,2 135x3 250x3 123x4 0,9
Нагрузка (400+У0) МВА на фазу 410,1 405,9 410,1 29,1 28,6 29,1 104+ 84+ 86 197+ 147+ 201 14+ 18+ 40 1,0
Нагрузка (300+У200) МВА на фазу 312,2 299,3 304,4 20,8 19,9 20,3 122+ 105+ 113 224+ 186+ 226 -156 -160 -140 1,6
Разработанные авторами методы и средства моделирования синусоидальных режимов в фазных координатах [5] позволяют при определении ЭЭС выполнять одновременные расчёты напряженностей ЭМП многопроводных линий электропередачи [7]. На рис. 4-7 приведены результаты сравнительного рас-
чёта напряженностей ЭМП, создаваемых ЧЛЭП и ТЛЭП. Расчёты выполнены при нагрузках 300+7200 МВА на фазу. В соответствии с рекомендациями нормативных документов [8, 9] расчёты напряженностей ЭМП выполнялись на высоте 1,8 метра.
Рис. 4. Напряженности электрического поля ЧЛЭП на высоте 1,8 метра: Ех, Еу - горизонтальная и вертикальная составляющие напряженности (эффективные значения); Емах - максимальное значение напряженности электрического поля
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
Хм
Рис. 5. Напряженности электрического поля ТЛЭП на высоте 1,8 метра
Рис. 6. Напряженности магнитного поля ЧЛЭП на высоте 1,8 метра: Нх, Ну - горизонтальная и вертикальная составляющие напряженности (эффективные значения); Нмлх - максимальное значение напряженности
магнитного поля
Рис. 7. Напряженности магнитного поля ТЛЭП на высоте 1,8 метра
Полученные результаты свидетельствуют о том, что электромагнитное воздействие ЧЛЭП на окружающую среду значительно меньше воздействия традиционной линии электропередачи, имеющей аналогичную пропускную способность. Напряжённость электрического поля ТЛЭП в точке максимума напряжённости превышает напряжённость ЧЛЭП в 2,3 раза, а напряжённость магнитного поля ТЛЭП превышает напряжённость поля ЧЛЭП в 3,1 раза.
Несмотря на ряд недостатков трёхфазно-четырёхфазных ЭЭС окончательный выбор вариантов должен осуществляться на основе технико-экономических расчётов с учётом обеспечения необходимого уровня надёжности электроснабжения. В данной статье представлены только технические аспекты применения трёхфазно-четырёхфазных систем.
На основании выше изложенного можно сформулировать следующие выводы:
1. Четырёхфазная линия электропередачи напря-
жением 750^л/3 кВ обладает более высокой генерацией реактивной мощности, примерно в 1,7 раза, по сравнению с трёхфазной линией того же напряжения.
2. При передаче одинаковой мощности потери электроэнергии в трёхфазно-четырёхфазной ЭЭС существенно меньше потерь в трёхфазной системе; в приведённом примере различие составило 20%.
3. При одинаковом исполнении отправного и приёмного концов четырёхфазной ЛЭП возникает существенная несимметрия напряжений, обусловленная различием режимов работы трансформаторов Скотта. Этот недостаток может быть устранён регулированием напряжений трансформаторов.
4. Поддержание напряжений с помощью пофазно-го регулирования требует существенно различных мощностей шунтирующих реакторов по фазам как для четырёхфазной, так и для трёхфазной систем.
5. Четырёхфазная ЛЭП создаёт значительно меньшее воздействие на окружающую природную
среду: максимумы напряжённости электрического поля у ЧЛЭП меньше чем у традиционной линии в 2 раза; максимумы напряженности магнитного поля - в 3 раза при той же передаваемой мощности.
Работа выполнена в рамках плана научных исследований по направлению «Интеллектуальные сети (Smart Grid) для эффективной энергетической
системы будущего», проводимых под руководством ведущих ученых в российских образовательных учреждениях высшего профессионального образования в соответствии с Постановлением Правительства РФ № 220 от 09.04.2010 г. Договор № 11.G34.31.0044 от 27.10.2011.
1. Самородов Г.И. Четырехфазные электропередачи // Известия РАН «Энергетика». 1995. № 6.
2. Бушуев В.В., Красильникова Т.Г., Самородов Г.И. Дальние электропередачи переменного и постоянного тока и их сравнительный анализ. // Электро. Электротехника. Электроэнергетика. Электротехническая промышленность. 2012. №
2. С. 2-7.
3. Красильникова Т.Г., Манусов В.З. Фазопреобразующий трансформатор для четырехфазных электропередач // Научный вестник НГТУ. 2010. № 3 (40). С. 143-151.
4. Красильникова Т.Г., Манусов В.З. Обоснование схемы транспозиции четырехфазной линии электропередачи // Сборник научных трудов НГТУ. 2005. № 4.
5. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Методы совместного моделирования систем тягового и внешнего электроснабжения железных дорог переменного тока. Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2011. 160 с.
6. Свидет. об офиц. регистр. программы для ЭВМ
ский список
№2007612771 (РФ) «Fazonord-Качество - Расчеты показателей качества электроэнергии в системах электроснабжения в фазных координатах с учетом движения поездов» / Закарюкин В.П., Крюков А.В. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. Зарегистр. 28.06.2007.
7. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Буякова Н.В. Электромагнитная обстановка на объектах железнодорожного транспорта. Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2011. 130 с.
8. Межотраслевые правила по охране труда (Правила безопасности) при эксплуатации электроустановок Рд 153-34.003.150-00; утв. Министерством труда и социального развития Российской Федерации 05.01.2001 № 3, Министерством энергетики Российской Федерации 27.12.2000 № 163.
9. Электромагнитные поля в производственных условиях. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы Сан-ПиН 2.2.4.1191 -03. М.: Минздрав РФ, 2003. 38 с.
