CC BY
299
ПОТЕРИ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В ДЛИННЫХ ЛИНИЯХ ПРИ СОГЛАСОВАННЫХ, ПРЕДЕЛЬНЫХ И АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ
Римский В.К., Берзан В. П., Пацюк В.И., Карчева Н.Ф., Андрос И.В.
Институт энергетики Академии наук Молдовы www.ie.asm.md; e-mail: vrimschi@rambler.ru; berzan@cc.acad.md
Аннотация. Приведены точные формулы для расчета предельных значений передаваемой мощности и КПД линий переменного напряжения с активной нагрузкой на приемном конце. Определены критические сопротивления и потери мощности в зависимости от длины ВЛ класса напряжения
500...750 кВ. Исследованы аварийные режимы в нагруженной электропередаче.
Ключевые слова: телеграфные уравнения, активная мощность, коэффициент полезного действия (КПД), коэффициент мощности (КМ), критические сопротивления.
PIERDERILE DE PUTERE ACTIVA iN LINIILE LUNGI iN REGIMURILE RACORDATE, DE LIMITA §I DE AVARIE Rimschi V.X., Berzan V.P., Patiuc V.I., Carceva N.F., Andros I.V Rezumat. Sunt obtinute formule precise pentru calcularea valorilor de limita a puterii active transmise §i a randamentului liniilor de curent alternative in regim de alimentare a sarcinii cu caracter activ (rezistiv). Sunt determinate valorile critice §i pierderile de putere activa in functie de lungimea liniei electrice aeriene cu tensiunea de 500 kV §i 750 kV. S-au studiat regimurile de avarie in linia aflata sub sarcina.
Cuvinte-cheie: Ecuatiile telegrafi§tilor, puterea activa, randamentul, coeficientul de putere, rezistente critice
ACTIVE POWER LOSSES IN LONG LINES DURING COORDINATED, LIMITING AND MALFUNCTION BEHAVIOR Rimschi V.X., Berzan V.P., Patsiuk V.I., Karcheva N.F., Andros I.V Abstract. Exact formulas for calculation of limiting values of transmitted capacity and efficiency of lines of a variable voltage with active loading on the reception end are resulted. Critical resistance and losses of capacity are determined depending on length Air-lines of an electricity transmission of a class of a voltage 500 . 750 kV. Emergency operation in the loaded electricity transmission is investigated.
Key words: cable equations, active capacity, efficiency, factor capacities, critical resistance.
Введение
Главными факторами, определяющими потери мощности при ее транспортировке переменным или постоянным током, являются активное продольное сопротивление R(x,t), поперечная проводимость изоляции G(x,t), длина и режим работы линии. При заданной мощности на входе линии потери энергии могут только увеличиваться если учитывать, к примеру, взаимовлияние проводов, наличие реактивных элементов в линии и нагрузке, частые включения-отключения потребителей и источников энергии, влияние внешних электромагнитных и температурных полей, параллельную работу нескольких генераторов на общие нагрузки и т.д. [1-6].
Поиск литературы не обнаружил источников, содержащих строгое обоснование методики расчета передаваемой мощности и коэффициента полезного действия (КПД) даже для самых простых нагрузочных режимов работы линии с переменными во времени параметрами. Почему-то оказались не решенными и задачи определения параметров активно-реактивной нагрузки, представленной в виде одной RLC -цепочки, при которых генерируемая и передаваемая мощность, КПД и коэффициенты мощности (КМ) достигают предельных значений. На наш взгляд для строгого решения этих задач необходимо, как минимум проинтегрировать телеграфные уравнения (законы Г. Кирхгофа для линейных электрических цепей) при заданных граничных
условиях и самом широком варьировании исходных значении распределенных и сосредоточенных постоянных.
Эта публикация открывает цикл статеИ, в которых с позиций математической физики будут рассмотрены различные варианты расчета потерь и увеличения передаваемой активной мощности с помощью продольной (поперечной) компенсации параметров нагрузки и линий, отдельные отрезки которых могут работать в различных (экстремальных) климатических условиях.
1. Определяющие уравнения и безразмерные величины
Распространение волн потенциала и тока по электрической цепи с распределенными параметрами описывается хорошо известными телеграфными уравнениями [7-9]:
, оі ди ... _ .,ди ді Л
Ь — + — + і?7 = 0; С— +----------\-Ои = О,
д/ дх ді дх
(11)
которые следует дополнить граничными и начальными условиями.
Пусть электрическая цепь (см. рис.1.1) присоединяется в начальный момент времени t = 0 к внешнему источнику напряжения
и = и0(0 при х = О,
а ее конец замкнут на RLC - нагрузку:
Рис 1.1. Линия переменного напряжения с Л£С-нагрузкой на конце.
и =
Очевидно, что при = О, С8 = со получаем режим короткого замыкания:
О, а условие - со соответствует холостому ходу линии: /' =0 (нагрузка
0
отключена). Как известно, подобные вырожденные нагрузки (ХХ или КЗ) на практике встречаются сравнительно редко, однако их изучение представляет несомненный интерес как исходная ступень при переходе к реальным (невырожденным) нагрузочным режимам.
При решении начально-краевых задач целесообразно использовать безразмерные (нормированные) величины, переход к которым осуществляется по следующим формулам, причем начальные условия, как правило, полагаются нулевыми (электрический заряд в линии отсутствует):
и =
и
■ О гу О
/ Z,
I =
; t =
X =
X
Uс
Uс
А0
Л
R /1 /~10 ,0„0 r^O -^J°
(12)
fi> т
r> _ ^S . T _ ^S
s о ’ ^S гоЛо
^ Z?
Cc
v~ e
• С =■
ZX ’ 5 CX
о
о
о
t
В (1.2) приняты обозначения: и - некоторое номинальное напряжение; ^ -волновое сопротивление идеальной линии; X - длина волны на частоте источника
электропитания цепи; А - время пробега волны по длине линии, равной X: А = Х/а; а - скорость распространения электромагнитных возмущений вдоль линии; значок градуса присутствует у размерных величин.
При синусоидальном напряжении и = II0 $т(2тф) номинальное значение
мощности определяем из соотношения
р =
41
2 ZB
в размерном или Р — в
безразмерном виде. При постоянном напряжении на входе линии: u = const = UQ
U2
получаем Р = —— или Р = 1.
Для вторичных параметров длинной линии при синусоидальном напряжении (токе) и уравнений установившегося режима (УУР) в гиперболических функциях будем использовать следующие обозначения:
Zn -
V
*+j0>^; y = V(-«+./^)(G+iHC),
G + j соС
zs-Rs+J
d)Ls -
1
coC
S
Zs + Z0th(y/) Z0 +Z5th(y/) ’
^0 — ZBXI о, — Z5/i,
(13)
U\ = t/0ch(y/) - Z0/0sh(y/) ; Ix = ^sh(y/) + /0ch(y/) ;
P = [/7 = \U\ |/| cos <p-j |t/| |/| sin (p,
где: со = 2 ті/ - круговая частота; Zo - волновое сопротивление длинной линии с потерями; у - постоянная распространения; Zs - нагрузочное комплексное сопротивление; ZВХ- комплексное входное сопротивление цепи с распределенными и сосредоточенными параметрами; P - комплексная мощность.
2. Расчет потерь в режиме бегущих и стоячих волн
Для расчета нестационарных (нормальных, аварийных) и установившихся (нормальных, послеаварийных, ремонтных) режимов используется метод характеристик или универсальная разностная схема «Альбатрос», построенная на множестве узлов с целыми и полуцелыми индексами [10,11]:
п~ 1/2 и+1 и
ҐТ _ *72-1/2 и ~и г\
(Ь + та)-----------------1 -+ Кіп-И2 -0;
т п
и—1/2 п+\ п
(С + Ф)и----------+1 ~1 + 0ип_1/2 = о,
т п
где
1" =\іп-1/2 +ги+1/2 +аС(ип_1/2 -ип+ц2)\/2;
11" = \ип-1/2 +ип+1/2 +аЩп-1/2 _ги+1/2)]/2;
я сь п с яс , .
а-—і-------; р = —і-----; т = п/а.
2 С 2 Ь
Схема обладает нулевой разностной диссипацией и минимальной дисперсией. Многочисленные сопоставления с аналитическими решениями показали, что точность численных расчетов составляет не менее трех значащих цифр даже в окрестности фронтов волн (сильных разрывов). Баланс энергии на разностном уровне соблюдается абсолютно точно независимо от шага сетки.
Рассмотрим для определенности один провод (фазу) ВЛ 500 кВ Волгоград -Балашов -Липецк - Арзамас - Шагол с общей длиной / =2858 км и параметрами: Ь =
0.9 мГн/км; С = 13 нФ/км; Я =22 мОм/км, О = 62 нСм/км; ^ = 5856 км; а = 292803
км/с; А = 1//= 0.02 с; Zв =263.5 Ом; Z0 = 263.37 -у'8.23 Ом; ХЬ = 5.27 Гн; ХС = 76.13 мкФ. Если воспользоваться формулами (1.2), то в безразмерном виде имеем / = 0.488; и0=/=Ь = С=гв = Х=а=А=\;Я=5О= 0.48.
В таблице 2.1 приведены потери мощности при работе линии на чисто активную нагрузку, равную волновому сопротивлению идеальной линии: Z5 = Я5 = Zв. При такой нагрузке имеет место квазиустановившийся волновой процесс, близкий к режиму бегущих волн и значение КПД полуволновой линии является максимально возможным. Заметим, что даже при работе линии на комплексную согласованную нагрузку Z5 = Zo в режиме бегущих волн (натуральной мощности), потери оказываются немного выше.
Как видно из представленных результатов для линии переменного напряжения длиной /= 2858 км потери составляют 24.48%, что на 1.64% больше таковых, приведенных в [12]. Как известно в эксперименте 1968 г. по передаче 985 МВт мощности потери в полуволновой трехфазной линии 500 кВ составили 225 МВт (22.84%). Если пренебречь утечкой тока через изоляцию: 0 = 0, то потери снижаются до 20.85%. Полное совпадение расчетных и экспериментальных данных можно достичь, если задать G = 32 нСм/км. Однако такое сопоставление вряд ли является правомочным, поскольку здесь не учитывается взаимовлияние проводов и в эксперименте 1968 г. полуволновая ВЛ 500 кВ явно работала в режиме смешанных, а не бегущих волн. На это обстоятельство указывает и амплитуда тока в начале линии, равняя 1.07 кА при напряжении 525 кВ. В режиме смешанных волн можно добиться увеличения передаваемой мощности, но относительные потери при этом тоже возрастут.
Обратимся к другому источнику, где рассматриваются потери в полуволновой линии переменного и постоянного напряжения [13]. Чтобы получить для рассматриваемой линии 750 кВ Сургут - Чернобыль (3000 км) потери мощности порядка 13%, как это утверждается в [13], то, как минимум должно выполняться неравенство К < 12 мОм/км. При нарушении этого условия потери всегда будут больше чем 13%.
Для сравнения в последнем столбце таблицы 2.1 указаны потери мощности при ее передаче постоянным током. Как видим потери здесь всегда ниже, чем при переменном токе. Лишь для неискажающих линий, когда КС = ОЬ, в которых имеет место только диссипация волн и полностью отсутствует их дисперсия, эти результаты совпадают. Но в сильноточных электрических цепях, как правило, КС > (И. и поэтому отличия между КПД линии переменного и постоянного напряжения могут достигать нескольких процентов.
Таблица 2.1.
Потери мощности для различных значений отрезков длин линии ^ продольного активного сопротивления К и поперечной проводимости изоляции С при Zs = 2 в .
/ R, мОм/км G, нСм/км AP, % АП, %
0.0516 X 22 62 2.91 2.91
302 км 22 0 2.42 2.42
0.0949 X 22 62 5.27 5.26
556 км 22 0 4.37 4.36
0.2684 X 22 62 14.18 13.91
1572 км 22 0 11.85 11.41
0.4880 X 22 62 24.48 23.38
2858 км 22 0 20.85 18.98
22 62 25.53 24.34
0.5123 X 3000 км 22 0 21.77 19.74
12 0 12.91 12.15
12 175 24.17 24.17
22 311 38.85 38.85
На рис. 2.1 показано изменение средних (безразмерных) значений генерируемой и передаваемой мощности (кривые 1;2), КПД (3), КМ (соБср) источника и приемника (4;5) в зависимости от длины линии х при =2$ (а); 2В{Ъ); ^ = 0.48, С=К/5. Как видно из графиков с увеличением длины линии передаваемая мощность и КПД монотонно убывают, а генерируемая мощность остается практически неизменной, испытывая лишь незначительные (в пределах 1...3 %) флуктуации при 2в . р. кпд. км
4; 5 ~ СОЫ>1 С ОМ)2 а
V
Р1
]
¡Г" Р2
X
4;5 СОМ?! ( •0X02 Ь
3~ 7
Р1 1
2 Р2
х
0.2 0.3 0.4 05 Об 0.7
0.1 0.2 0 3 0 4
Рис. 2.1. Зависимость генерируемой и передаваемой мощности, КПД и КМ источника и приемника от длины линии х при Ъ5 = Z0 (а); 2В(Ъ); Я = 0.48; О = Я/5.
На рис. 2.2. представлена зависимость исследуемых величин от длины линии х при = Тв+у'юД? (а); —//(соС$ ) (Ъ); =1/8 (0.66 Гн); =1/5 (15.23 мкФ); К = 0.48; О =
Я/5. Наличие реактивных элементов в нагрузочном сопротивлении приводит к резкому изменению входного сопротивления цепи и как следствие все величины, характеризующие процесс передачи мощности переменным током испытывают колебания на десятки процентов. Для полуволновой линии передаваемая мощность и КПД являются максимальными, когда нагрузка на ее приемном конце чисто активная.
Р, КПД, КМ Р. КПД, км
Рис. 2.2. Зависимость генерируемой и передаваемой мощности, КПД и КМ источника и приемника от длины линии х при Ъ5 = ХВ +]ю (а); ХВ -]/(ю С5) (Ъ); =1/8; С5 =1/5;
Я = 0.48; О = Я/5.
Рис. 2.3 отражает зависимость средней мощности генератора от длины линии при г = \ {Я8= 00); -1 {Я5 = 0); К = 0.48 (а); К = 4.8 (Ъ); О = К 5. В отличие от линии постоянного напряжения, где мощность генератора на холостом ходу всегда меньше, чем при коротком замыкании, здесь имеем по 4 точки пересечения этих кривых на каждом отрезке длины линии, равном X. Координаты этих точек по длине линии
/7 =1.5842; /8 =1.825
Для любой неискажающей линии: КС = ОЬ мощности генераторов при XX и КЗ совпадают в точках х = АУ8, ЗАУ8, 5^/8 и т.д. Если же ЯС>ОЬ, то вследствие дифракции волн эти кривые несколько смещаются вправо: х = 0.15А,, 0.386А,, 0.63А, Таким образом, отсюда вытекает, что максимальный отбор мощности от линии переменного напряжения на участке: 0.15^ < х < 0.386л возможен в режиме, близком к XX, а на участках: 0 < х < 0.15^ и 0.386А, < х < 0.63А, в режиме, близком к КЗ. Такая ситуация повторяется через каждые отрезки длины линии, равные примерно Х/4.
Рис. 2.3. Зависимость от длины линии x мощности генератора P в режиме ХХ (1) и КЗ (2)
при R = 0.48 (a); R = 4.8 (b); G = R/5.
3. Максимальная передаваемая мощность, КПД и КМ
Для постоянного напряжения на входе линии с ненулевым погонным сопротивлением ( R >0) и идеальной изоляцией (G = 0) максимальная потребляемая мощность достигается при выполнении условия Rs = R l, т.е. когда активное сопротивление нагрузки равно полному сопротивлению всей линии (теорема Ленца-Ботто, 1844г.). В этом случае КПД линии не зависит от ее длины и равен 0.5. Для переменного напряжения это не так даже для сравнительно коротких линий: /~А716.
В [10, 11] были получены замкнутые формулы для точного определения средних установившихся значений передаваемой мощности и КПД при работе линии переменного напряжения на чисто активную нагрузку с сопротивлением Rs > 0 :
^1 =
Uq (a2 +[32) 1-z2 zH к
л
2(а2 +[32)(l-z2)
r ,0
где
Iz= (1 + z Ÿ(yRya + œ2X (ch2aA + cos2pÀ) +
+ (^ z)2^^ + co2)(ch2aA - cos^A) +
+ 2(1 - z2 ) lfR a + coP )sh2aA + (yR P - coa ) sin 2PA) _,
1Г о = Ц + г)2 (у0а + ш(3^ + (1 - г)2 (ула + соР) БЬ2аД + + (^ + г)2(усР-соа) + (1- г)2(уйР-соа) 8т2рД +
+ (1-г2)(удус, +ш2) |[ + ^у)сЬ2аА-(1-^у)со82рД)_,
У«
= Я/Ь, уа = аС, Д = //а, а = 1/ л[ьС , со = 2тс
1 I ? 1
СС — ^ у 0 (7у + 1) + СО (7у — 1) _
1/2
р --^= |лУ0(^у -1) + С02(^у +1)^
1/2
1 +
9 9
® (Ул — Уо)
(УлУо+ю )
2\2 ’
г =
Поставим задачу определить значения сопротивления > О на приемном конце линии синусоидального напряжения, при которых передаваемая мощность и КПД максимальны. Если исследовать на экстремум указанные функции, то для сопротивления Я получим следующие выражения:
шахР0 при гок =
я„
<1
2 , если
1, если 2~ >1 .
-1, если < -1
г =
-(«13+ «23 ) - 2Аз«23 + «1_2
«13 -а1Ъ-2а
12
а12 = «1*2 - «2*1 ^ а13 = «1*3 _ «3*1 ^ «23 = «2*3 _ «3*2 >
щ= (у0а + соР)8Ь2аД+ (уаР -соа)8т2рД,
«2 = (Уда + (оР)зЬ2аД + (удР - охх)зш2рД,
з = (УдУо + ю2 ) |1 + Ц)сЬ2аД - (1- ц)соб2РД ,
¿1 = (а +Р )^Ь2аД + соБ2рД ¿2 - + со2)^Ь2аД-сов2рД
шах/j при zlk = |- (1 + fy2 )ch2aA- (7y2 -l)cos2(3A-
R?
■ 2ty -Jch2 2aA - cos2 2(3A
• (Гу2 - l)ch2aA + (1 + ty2 )cos 2(3 A _1.
~2 a2+(32
У .2 , 2 ’
шахт) при гцк =
R
yR +ra
- (¿/j + a2 ) + 2л/а1а2
¿/j - a2
На рис. 3.1 представлено изменение генерируемой и передаваемой мощности, КПД и КМ источника и приемника (кривые 1-5) в зависимости от параметра г при / =
0.0516 (подстанция Балашов); Я = 0.48(а); 4.8(й); С = Ш5; 15=К5. Эти графики наглядно иллюстрируют тот факт, что максимумы всех исследуемых здесь функций достигаются при различных значениях сопротивления нагрузки . С увеличением потерь в линии наблюдается «разбегание» критических сопротивлений для генерируемой и передаваемой мощности, тогда как точки максимума для КПД и КМ остаются практически неподвижными. Таким образом, при вариации параметра Я5 для
любого отрезка длины линии можно получить полное представление о перетоках мощности, что позволяет выбрать оптимальный режим исходя из тех или иных критериев.
5
Р. КПД. КМ ^ ^ - з
Ч \
j / X
Л
/ 1 1 Î
-0 8 -0 6 -0 л -0.2 0.2 04 0.6 0.8 2
Р. КП1 h КМ 5 ь
Чч4
'/
/
\
/
' -
ч.
SN
/ Î ' т Î
Рис. 3.1. Зависимость генерируемой и передаваемой мощности, КПД и КМ источника и приемника от сопротивления нагрузки Я$ при / = 0.0516; Я = 0.48(а); 4.8(6); С = Я/5;
Zs = , где \-Рь 2- Р2; 3 - г]; 4 - соиср¡; 5 - со$ср2
Рис. 3.2 иллюстрирует зависимость генерируемой и передаваемой мощности, КПД и КМ источника и приемника от параметра z при Zs = Rs - j/(a>Cs ) ; Cs =1 (17.57мкФ).
Здесь и в дальнейшем R = 0.48, G = R/5. Продольная компенсация параметров нагрузки для этой длины линии увеличивает максимальную передаваемую мощность, но уменьшает КПД и cos ср.
На рис. 3.3 показана зависимость генерируемой и максимальной передаваемой мощности, КПД и критического сопротивления Zjk от длины линии (кривые 1-4).
Увеличению (уменьшению) передаваемой мощности по мере изменения длины линии всегда сопутствует уменьшение (увеличение) КПД. Для четвертьволновой линии максимум мощности имеет место в режиме, близком к ХХ (= 13.93 Хв ), а для
полуволновой линии в режиме, близком к КЗ (= 0.14 X в ).
Р, кпд, км
'Л
/ /т% ч\
и
.8 -1 И/ /V я / — ХГ ч <■ V >- \ \ \ \
\
1
Рис . 3.2. Зависимость от сопротивления нагрузки Я$ генерируемой (1) и передаваемой мощности (2), КПД (3 ) и КМ источника (4) и приемника (5)
при / = 0.0516; Я = 0.48; С = Я/5;
=К8 -j/(<oCs);Cs= 1.
Рис. 3.3. Зависимость от длины линии х генерируемой (1), максимальной передаваемой (2)
мощности, КПД (3) и критического
сопротивления
г1к (4) при Я = 0.48; О = Я/5.
Зависимость генерируемой, передаваемой мощности, максимального КПД и критического сопротивления 2^ от длины линии х отражает рис. 3.4. Здесь особенно
заметно, что максимальному КПД, который ненамного выше, чем при работе линии на согласованную нагрузку, вовсе не соответствует максимум передаваемой мощности.
Рис. 3.4. Зависимость генерируемой (1), передаваемой (2) мощности, максимального КПД (3) и критического сопротивления гц (4) от длины линии х при Я = 0.48; С = Я 5.
4. Аварийные режимы в нагруженной электропередаче
Проведенная в [12] серия аварийных режимов в нагруженной полуволновой электропередаче показала относительно высокую устойчивость последней при динамических переходах. Внутренние перенапряжения на различных подстанциях не превосходили расчетного уровня изоляции ВЛ 500 кВ. Наибольшая зарегистрированная кратность перенапряжений в переходном процессе при КЗ длительностью 130...190 мс составила
1.75...1.95. Проверим, как эти экспериментальные данные согласуются с теоретическими расчетами на основе точных решений соответствующих краевых задач для телеграфных уравнений в динамической постановке.
Для большей наглядности и сравнительного анализа смоделируем две внезапные аварийные ситуации: XX (обрыв) и КЗ длительностью = 6.5 (130 мс) на приемном конце линии в процессе ее работы на чисто активную нагрузку: Z5 = = Zв . Результаты расчетов
показаны на рис. 4.1 в виде временных зависимостей напряжения (а) и потребляемой активной мощности (Ь) при XX и КЗ в точке подключения нагрузки на подстанции Шагол.
Рис. 4.1. Мгновенные напряжения (а) и мощность (Ь) при ХХ и КЗ в точке подключения нагрузки на подстанции Шагол (2858 км).
Как легко можно заметить из графиков, кратность перенапряжений на нагрузке равна 3, а броски амплитуд мгновенной мощности после выхода из режима КЗ на порядок превышают таковые в установившемся нагрузочном режиме. Еще большие перенапряжения имеют место на подстанции Арзамас. Как видно из данных, представленных на рис. 4.2 за время КЗ напряжение здесь становится почти в 6 раз выше номинального. Ситуация с перенапряжениями и бросками мощности радикально не меняется, если отбор мощности на подстанции Шагол уменьшить или увеличить, изменяя сопротивление нагрузки .
В этих результатах нет ничего неожиданного, если вспомнить, что в короткозамкнутой полуволновой линии максимальные напряжения в установившемся режиме наблюдаются в середине линии и кратность перенапряжений равна 7. При этом время выхода на установившийся режим не превышает 400 мс при рассматриваемых здесь потерях в линии [11].
Рис. 4.2. Мгновенные напряжения на подстанции Арзамас (1572км) при КЗ на
подстанции Шагол (2858 км).
Исследуем аналогичные аварийные ситуации для линии, несколько превышающей по длине четвертьволновую разместив для этого такую же нагрузку на подстанции Арзамас. Уменьшение длины линии при прочих равных условиях приводит к тому, что перенапряжения и броски мощности наблюдаются уже не при КЗ, а при обрыве. Причем амплитуды скачков напряжения и мощности повысились до 8 и 16 «номиналов» соответственно (см. рис. 4.3). Таким образом, для четвертьволновых линий переход на режим ХХ практически невозможен, поскольку возникающие при этом перенапряжения даже превосходят таковые в короткозамкнутой полуволновой линии. Поэтому для четвертьволновых линий всегда применяются различные варианты компенсирующих устройств типа шунтирующих или управляемых реакторов трансформаторного типа в сочетании с продольной емкостной компенсацией индуктивного сопротивления линии [14].
Напрашивается теперь перемещение нагрузки в точку х = 3/8 с тем, чтобы определить какой из рассмотренных выше аварийных режимов является там наиболее опасным. Из временных диаграмм, изображенных на рис. 4.4 видно, что здесь только на стадии ХХ имеют место относительно небольшие перенапряжения кратностью 2.2, а броски мощности в отличие от предыдущих вариантов отсутствуют и вовсе в
послеаварийных режимах, вызванных разрывом линии или КЗ. Схожая картина наблюдается при укорачивании этой линии на четверть и более длины, т.е. для точек подключения нагрузки х < 1/8.
Столь большие расхождения опытных и расчетных данных требуют тщательного анализа и дополнительных экспериментальных исследований. Возможно, моделирование ХХ или КЗ посредством мгновенного задания нулевых значений для тока или напряжения в точке аварии не вполне соответствует действительности и спад этих значений до нуля происходит не внезапно, а более «плавно».
Рис. 4.3. Мгновенные напряжения (а) и мощность (Ь) при ХХ и КЗ в точке подключения нагрузки на подстанции Арзамас (1572км).
Рис. 4.4. Мгновенные напряжения (а) и мощность (Ь) при ХХ и КЗ в точке х = 3/8 (2196 км).
В заключение приведем несколько примеров, существенно ограничивающих, на наш взгляд, область применения символического метода. В таблице 4.1 представлены ударные и установившиеся значения для амплитуд тока в начале линии при КЗ и ХХ. Используя УУР в гиперболических функциях (1.3) невозможно рассчитать переходной процесс, который всегда носит явно выраженный несинусоидальный характер. Однако, как видно из приведенных табличных данных, УУР дают неверные результаты и для установившихся вырожденных режимов в идеальных цепях. Такая же ситуация наблюдается и для чисто реактивных нагрузок, не содержащих активные (диссипативные) элементы.
И последнее замечание. Длительность нестационарных процессов
пропорциональна длине линии и существенно увеличивается с уменьшением потерь в ней. Например, для рассмотренных здесь случаев время выхода на установившийся
режим достигает долей секунды, и это обстоятельство уже нельзя игнорировать как второстепенный фактор влияния. Также не следует забывать, что всякий установившийся процесс является следствием нестационарных явлений.
Таблица 4.1.
Ударные и установившиеся значения амплитуд тока в начале линии синусоидального
напряжения при КЗ и ХХ.
1 Я О 1 ^о| уд О О 11 іуур
1/16 0 0 0 4.93 4.93 241
0.48 0.48 4.43 2.41 2.41
0.48 0.096 4.44 2.41 2.41
3/16 со 0 0 4.18 4.18
0.48 0.48 3.38 2.36 2.36
0.48 0.096 3.92 2.40 2.40
1/8 0 0 0 2.23 2.23 1
0.48 0.48 2.03 1 1
0.48 0.096 2.03 1 1
со 0 0 2.23 2.23 1
0.48 0.48 1.77 1 1
0.48 0.096 1.85 1 1
Заключение
1. На основе точных решений телеграфных уравнений получены замкнутые формулы для определения предельных значений передаваемой мощности, КПД и КМ источника переменного напряжения и приемника с чисто активной нагрузкой. Рассмотрены установившиеся режимы бегущих, стоячих и смешанных волн.
2. Исследовано влияние различных факторов, какими являются параметры линии и нагрузки, диссипация и дисперсия волн на потери мощности. В рамках развитого и строго обоснованного подхода впервые удалось выявить ряд нелинейных зависимостей и получить полную картину о процессах передачи мощности по цепям переменного и постоянного тока.
3. Следует различать режимы работы линии при максимальной передаваемой мощности, КПД, КМ и максимальной отдаче энергии генератором синусоидального напряжения.
4. Рассмотрены аварийные ситуации в нагруженной электропередаче. Показано, что в полуволновой и четвертьволновой линии кратность перенапряжений при ХХ и КЗ длительностью 130 мс доходит до 6.. .8.
Литература
1. Ковалев Г.Ф., Лебедева П.М. Планетарная электроэнергетическая система. -Энергия, 2006, №9, с. 27-34.
2. Черненко П.А., Волхонский А.С. Оперативное определение потерь активной мощности (нагрузочных и на корону) в высоковольтных линиях. http://www.rql.kiev.ua/ted/sb2051.s11.html
3. Ольшванг М.В. Сферические векторные диаграммы развитых электрических сетей и их применение. Сборник научных трудов "ВЭИ 80 лет" под общей редакцией В.Д. Ковалева, т.1, М.: ВЭИ, 2001, С.90-106.
4. Ольшванг М.В. Особенности кросс-трансформаторной технологии транспортирования энергии по сетям 110-765 кВ. Электро, 2004, №2
5. Добрусин Л.А.,Ольшванг М.В. О совершенствовании техники управления маршрутами потоков активной мощности в сетях 110 - 765 кВ на основе специальных фазосдвигающих трансформаторов. Доклад на Всероссийском электротехническом конгрессе РАН и РАЭН "ВЭЛК 2005". Тезисы - в "Материалах конгресса" -М: РАЭН, 2005.
6. Курбацкий В.Г., Томин Н.В. Анализ потерь энергии в электрических сетях на базе современных алгоритмов искусственного интеллекта. - Электричество, 2007, №4, с. 12 - 21.
7. Круг К.А. Переходные процессы в линейных электрических цепях. - М. -Л.: ГЭИ, 1948. -344с
8. Хаяси С. Волны в линиях электропередачи. - М. -Л.: ГЭИ, 1960. -343с.
9. Dragan G., Golovanov N., Mazzeti C. §i al. Tehnica tensiunilor lnalte. Vol. II. -Bucure§ti: Editura AGIR, 2001. -732p.
10. Римский В.К., Берзан В.П., Пацюк В.И. и др. Волновые явления в неоднородных линиях. Т.3. Передача мощности по цепям постоянного и переменного напряжения. Под ред. Постолатия В.М. -Кишинев: Типография АНМ, 2007. - 328с.
11. Римский В.К., Берзан В.П., Пацюк В.И. и др. Как увеличить передаваемую мощность в десятки раз. - Кишинев: Типография АНМ, 2007. - 178с.
12. Вершков В.А., Нахапетян К.Т., Ольшевский О.В. и др. Комплексные испытания полуволновой электропередачи в сети 500 кВ Европейской части СССР. - Электричество, 1968, № 8, с. 10-16.
13. Зильберман С.М., Самородов Г.И. Возможные перспективы импорта электроэнергии в Республику Молдова из Тюменского региона. - В кн.: Энергетика Молдовы - 2005. Сборник докладов. - Кишинев: Типография АНМ, 2005, с. 104-110.
14. Александров Г.Н., Ле Тхань Бак. Уменьшение потерь мощности в дальних линиях электропередачи с управляемыми реакторами. - Электричество, 2007, №3, с. 8-15.
