CC BY
592
Повышение пропускной способности и управляемости электропередач переменного тока
Постолатий В.М., Быкова Е.В. (Институт энергетики АНМ, г. Кишинев);Тимашова Л.В., Шакарян Ю.Г. (ВНИИЭ, г. Москва)
Аннотация. Изложены основные технические характеристики и экономические показатели электропередач нового типа - управляемых самокомпенсирующихся высоковольтных линий (УСВЛ). Преимущества данного типа электропередач по сравнению с традиционными состоят в повышенной пропускной способности и глубокой управляемости режимными параметрами и характеристиками. Эти преимущества достигаются за счет нового конструктивного исполнения, применения комплекса оборудования - фазорегулирующих и компенсирующих устройств и соответствующих систем управления. По своим принципам работы и режимным показателям данные электропередачи относятся к категории управляемых гибких систем передачи электроэнергии переменного тока (Controlled Flexible Alternating Current Transmission Sistems - CFACTS).
Ключевые слова: Управляемая линия электропередачи, гибкие электропередачи, пропускная способность, натуральная мощность, фазорегулирующие устройства.
Majorarea capacitatii §i gradului de dirijare a liniilor electrice de curent
alternativ
Postolati V., Bicova E., (Institutul de Energetica al A§M), Tima^ova L., §akarian
Iu. (VNIIEE, Moscova)
Rezumat. Sunt expuse caracteristicile tehnice principale §i indicatorii economici a liniilor de tip nou pentru transportarea energiei electrice - linii dirijate de tensiune inalta cu autocompensare (LDACTf). Prioritatile acestor linii in comparatie cu cele traditionale consta in capacitatea majora de transportare a energiei §i dirijarii profunde a parametrilor §i caracteristicilor de regim. Aceste prioritati sunt realizate din contul perfectarilor constructive noi, utilizarii unui utilaj complex - instalatii de compensare §i reglare a fazei §i sisteme respective de dirijare. Conform principiului de lucru §i indicatorilor de regim aceste linii se refera la categoriile sistemelor flexibile de dirijare a transportului energiei electrice de curent alternativ (Controlled Flexible Alternating Current Transmission Sistems - CFACTS).
Cuvinte-cheie: linie electrica de transport dirijata, linie electrica de transport flexibila, capacitatea de transport, puterea instalata, instalatiile de reglare a fazei.
Increase of capacity and controlability of alternating current power transmission
lines
Postolatii V.M, Bicova E.V, (Institute of Power Engineering of the Academy of Sciences of Moldova), Timashova L., Shakarian Iu. (VNIIEE, Moscow)
Abstract. The basic characteristics and economic parameters of electricity transmissions of new type -controlled self-compensating high-voltage lines (CSHVL) are stated. Advantages of the given type of electricity transmissions in comparison with traditional consist in the increased throughput and deep regulating in regime parameters and characteristics. These advantages are reached due to a new design, application of a complex of the equipment - phase shifting and compensating devices and the appropriate control systems. By the principles of work and regime parameters the given electricity transmissions concern to a category of controlled flexible systems of transfer of the electric power of an alternating current (Controlled Flexible Alternating Current Transmission Systems - CFACTS).
Key words: controlled transmission line, flexible electricity transmissions, capacity, natural capacity, phase shifting devices.
Основные проблемы в области передачи электроэнергии
Основными техническими проблемами развития современных электроэнергетических систем являются проблемы повышения пропускной способности электропередач, управления режимами энергосистем, обеспечения статической и динамической устойчивости, снижения потерь мощности и энергии,
86
уменьшения экологического влияния, сокращения полосы отчуждения земельных угодий под строительство линий электропередач.
К основным экономическим проблемам следует отнести проблему снижения капитальных вложений на строительство линий электропередач, сетей и подстанций и другие энергетические объекты, уменьшение потерь электроэнергии и эксплуатационных затрат. Острота и сложность указанных проблем возрастают с дальнейшим развитием энергосистем, увеличением дальности передачи электроэнергии, увеличением объемов производства и потребления электроэнергии, созданием и интеграцией параллельно работающих энергообъединений и необходимостью обеспечения требуемой энергетической безопасности.
Цель работы, постановка задачи
Настоящая работа имеет своей целью изложить результаты исследований электропередач нового типа - управляемых самокомпенсирующихся высоковольтных линий (УСВЛ), которые позволяют значительно повысить пропускную способность и создать принципиально новые возможности управляемости электропередач переменного тока.
Тематика УСВЛ особенно актуальна в настоящее время в связи с интенсивным развитием исследований и разработок так называемых гибких электропередач переменного тока FACTS [1].
Стремление исследователей и разработчиков найти решения проблем повышения пропускной способности и управляемости электропередач обусловлено практическими потребностями развивающихся электроэнергетических систем, ростом мощности генерирующих источников, дальности передачи электроэнергии и формированием сложных объединенных энергосистем.
Непременным условием при этом является поиск дальнейших путей решения проблем снижения капитальных и текущих затрат, уменьшения потерь, обеспечения заданных режимных параметров, показателей надежности и возможно низкого уровня экологического влияния.
Большинству этих требований рассматриваемые управляемые самокомпенсирующиеся линии электропередачи вполне удовлетворяют, и, в связи с этим, они могут рассматриваться как перспективные для применения в энергосистемах.
Формированию основных концептуальных положений создания УСВЛ предшествовали работы в области исследований разомкнутых линий [2, 3], а также результаты теоретических и экспериментальных исследований разомкнутых и полуразомкнутых линий электропередач [4-8], дальнейших работ в области управляемых самокомпенсирующихся линий электропередачи [9-11] и фазорегулирующих устройств [12, 13].
Большое значение для разработок вариантов УСВЛ и предложений по их практическому использованию имеют результаты исследований и разработок современных средств компенсации и регулирования [13-15], благодаря которым удается обеспечить эффективное управление режимами УСВЛ и примыкающих узлов энергосистем при любом заданном диапазоне величины передаваемой мощности и направлении передачи мощности.
Результаты исследований и разработок УСВЛ нашли отражение в ряде работ, общее количество которых составляет более 400 наименований, среди которых 23 тематических сборника статей, более 30 авторских свидетельств на изобретения, 21
87
зарубежный патент, 28 кандидатских 7 докторских диссертационных работ, ряд ТЭО, технических и рабочих проектов.
Современный уровень технической политики в электроэнергетике и требования к электроэнергетическим системам способствуют тому, чтобы заново переосмыслить полученные в области УСВЛ результаты и на новой технической базе оценить возможности и эффективность их применения на практике.
В данной работе освещается ряд аспектов, связанных с направлением исследований и разработок в области УСВЛ:
- теоретические результаты;
- результаты экспериментов;
- опытно конструкторские разработки;
- перспективы использования УСВЛ;
- конкретные варианты применения УСВЛ.
Этапы исследований и исполнители работ. Исследования в области УСВЛ были начаты в 1966 г. Отделом Энергетической кибернетики Академии наук Молдовы, совместно с Кафедрой электрических систем Московского Энергетического Института (МЭИ). Эти работы интенсивно развивались в период до 1992 г. с участием ряда и других научно-исследовательских проектных и производственных организаций. Среди организаций, участвовавших в данных исследованиях в указанный период, также принимали участие: Санкт-Петербургский политехнический университет (ЛПИ), Новосибирский электротехнический Институт (НЭТИ), Сибирский институт энергетики (СибНИИЭ); Институт «Энергосетьпроект» и его Отделения: СевероЗападное и Сибирское, Всероссийский институт энергетики (ВНИИЭ), Молдавский институт «Энергопроект» и ГП «Молдэнерго», Всесоюзный институт трансформаторостроения (ВИТ), ОДП «Дальние электропередачи», Смоленский филиал МЭИ, Институт электродинамики АН Украины, Сибирский институт энергетики АН России (СЭИ АН РАН), Благовещенский и Фрунзенский политехнические институты, Дальневосточное ОКП «Энергосетьпроект», Красноярскэнерго и Красноярский ОКП института «Энергосетьпроект», Белорусский политехнический институт, Днепропетровский, Киевский и Львовский ОКП института «Укрэнергосетьпроект», Украинский институт «Укрэнергосетьпроект», Предприятие «Союзтехэнерго» (ОРГРЭС).
Важную роль в развитии, организации и выполнении исследований в области УСВЛ сыграли специалисты указанных организаций. Большой вклад в выполненные работы внесли: профессора д.т.н.: Веников В.А., Астахов Ю.Н., Левинштейн М.Л., Кадомская К.П., Карасев Д.Д, Чебан В.М., Азарьев Д.И., Алесенко Г.В., Рокотян С.С., Евдокунин Г.А. Поспелова Т.Г., к.т.н.: Тимашова Л.В., Крылов С.В., Козлов А.Н., Штробель В.А., Зарудский Г.К., Новгородцев Б.П., Яковлев Л.В., Лысков Ю.И., член-корреспондент АН РМ Чалый Г.В., члены-корреспонденты АН РАН: Александров Г.Н., академики Попков В.И. и Руденко Ю.Н. , Тиходеев Н.Н., специалисты энергетики: Вершков В.А., Шнелль Р.В., Яковлев Л. В., Гусев А.П., Лаврентьев, Вигура Н.М., Сторожук В.А., Константинова Е.Д., Карпов Б.П., Ночка И.Т., Чебырка Г.Н., Балан И.Ф., Новак М.И., Ласло В.Ф., Некрасов А.М., аспиранты, защитившие диссертации в области УСВЛ, сотрудники Лаборатории управляемых электропередач ИЭ АНМ, специалисты ГП «Молдэнерго» и ГПИ «Энергопроект», ГИПРОНИИ, АН РАН.
Работы в области УСВЛ велись при активной поддержке Отделения физикотехнических проблем энергетики Академии наук, а также Государственного Комитета по науке и технике СССР и лично заместителя Председателя д.т.н. Г.В. Алексенко. Определенный интерес и внимание к работам были проявлены со стороны Института «Гидропроект», которым были предложены исходные данные для рассмотрения
88
вариантов выдачи мощности ряда ГЭС с использованием УСВЛ различных классов напряжения.
Период 1992-2004 гг. характеризовался ослаблением работ в области УСВЛ, в связи с распадом Союза и ослаблением творческих связей исполнителей. Однако в этот период, как и во весь предыдущий, в Институте энергетики АН Молдовы исследования в данном направлении не приостанавливались.
Активизация работ в области УСВЛ началась с 2004 г. благодаря развитию творческих взаимосвязей Института Энергетики АН Молдовы с Институтами ВНИИЭ и «Энергосетьпроект».
Немаловажную роль сыграло также решение Федеральной Сетевой Компании Единой Энергетической Системы России, изложенное в письме от 7.12.2007 № ча3755 за подписью Первого заместителя А.Н. Чистякова, направленное в ИЭ АНМ и в ОАО «НТЦ Электроэнергетики». В этом письме проявлен интерес к предложениям Института Энергетики АН Молдовы о целесообразности рассмотрения использования УСВЛ в развитии межсистемных и внутрисистемных связей на базе УСВЛ. Также высказана необходимость обсуждения данного направления работ на НТС ОАО РАО «ЕЭС России» и Координационном научно-техническом Совете ОАО «ФСК ЕЭС», как возможного направления работ по созданию электропередач 220-750 кВ нового поколения - управляемых и повышенной пропускной способности. Особо важную роль в развитии работ в данном направлении в этот период сыграл научный руководитель НТС ОАО РАО «ЕЭС России» д.т.н. профессор Ю Г. Шакарян.
Следует отметить одну важную историческую особенность в организации работ в области создания УСВЛ и других новых типов электропередач в рассматриваемый период времени. Период до 1990 г. характеризуется интенсивным поиском способов увеличения пропускной способности электропередач переменного тока. Результатами этого явились предложения двухцепных (и многоцепных) УСВЛ и одноцепных трехфазных ВЛ компактного типа (КВЛ) различных модификаций. Этими предложениями проблема повышения пропускной способности линий электропередач переменного тока с учетом современных требований практически решается.
Пропускная способность практически по любому заданному сколь угодно большому пределу передаваемой мощности достигается благодаря двум основным факторам: - снижению продольного индуктивного сопротивления фаз линии и увеличению поперечной емкостной проводимости.
Как одноцепные (КВЛ- компактные воздушные линии), так и двухцепные и многоцепные (УСВЛ) линии электропередачи по своей конструкции являются компактными ВЛ, однако возможности у них разные.
При применении передач повышенной пропускной способности, как и в электропередачах традиционного типа, есть вторая проблема, а именно - поддержание заданных уровней напряжения вдоль линии при изменении величины передаваемой мощности от максимальных значений до холостого хода.
Избыточную реактивную зарядную мощность линии при этом необходимо компенсировать, чтобы не допустить повышения напряжения вдоль линии, если даже поддерживать его на уровне номинального по концам линии на шинах отправной и приемной систем. Так как режим линии постоянно меняется, то компенсация зарядной мощности линии должна быть регулируемой, что предполагает установку устройств компенсации, как регулируемых.
В варианте УСВЛ эта задача в основном решается за счет устройств фазового регулирования (ФР), обеспечивающего заданные параметры режимов при изменении величины передаваемой мощности от максимальной (Рт) до некоторого значения, равного ~0,5 Рт. При дальнейшем уменьшении передаваемой мощности в пределах
89
(0,5^0) Рт требуется регулируемая компенсация избыточной зарядной мощности УСВЛ с помощью других регулируемых устройств, в том числе управляемых шунтирующих реакторов (УШР) или же путем сочетания применения средств ФР и традиционных компенсирующих реакторов, включенных по специальной схеме.
На пути практического использования УСВЛ и КВЛ до 1990 г. возникали трудности из-за отсутствия на тот период эффективных и приемлемых по техническим и экономическим показателям регулируемых средств поперечной и продольной компенсации.
Следует отметить, что в практике применения обычных ВЛ переменного тока в энергосистемах с целью решения аналогичной проблемы существовал подход, предусматривающий заведомо полную компенсацию зарядной мощности линии, для чего достаточно было применять и нерегулируемые шунтирующие реакторы. Однако полная компенсация зарядной мощности линии оправдана только в режимах холостого хода или передачи достаточно малых величин мощности. Во всех остальных случаях полная компенсация зарядной мощности линии сопровождается снижением пропускной способности электропередачи, что является отрицательным фактором, приводящим к тому, что при полной компенсации зарядной мощности линии переходят в категорию электропередач с недостаточной или низкой пропускной способностью, т.е. в разряд «слабых» высоковольтных связей.
Известно, что ряд даже крупных специалистов энергетиков считали, что зарядная мощность линии является отрицательным фактором, и ее надо полностью скомпенсировать реакторами. Возможно, что работы в области УСВЛ в определенной мере изменили это ошибочное представление о зарядной мощности линии и послужили весомым аргументом для проведения более интенсивных исследований и разработок в области создания регулируемых средств управления режимами электропередач и энергосистем.
Именно в последние 10-15 лет наблюдается проведение в ряде стран широких программ по созданию различных новых средств регулирования стационарных и переходных режимов энергосистем. Итогом этого направления является создание на основе регулируемых средств так называемых гибких электропередач переменного тока (FACTS). Однако, представители этого направления абсолютизировали возможности появившихся новых устройств и пытались решить проблему увеличения пропускной способности электропередач, не обращая внимания на сами линии и на их параметры.
В итоге оказалось, что в энергосистемах, где в основном сети выполнены на базе традиционных линий электропередач, пропускная способность которых заведомо низкая, применение достаточно мощного арсенала средств регулирования, подключенных в узлах энергосистем, желаемого результата не дает, и их использование недостаточно неэффективно.
Иллюстрация эффективности использования средств регулирования с учетом характеристик линий электропередачи
Вопрос эффективности использования средств регулирования является одним из принципиальных в современных условиях формирования энергосистем.
Эффективность использования средств регулирования (в статике или динамике) может быть оценена по удельной результативности регулирующего воздействия на те или иные показатели и характеристики электропередачи, например, ее пропускную способность.
90
Наглядно это можно показать на следующем примере. Известно, что предел передаваемой по линии мощности, являющийся показателем величины пропускной способности линии электропередачи, определяется выражением:
P_ =
J1 • J 2 I
Zc • sin a01
sin <5.
Различные средства регулирования (относящиеся к оборудованию FACTS -УШР, ИРМ, СТК, СТАТКОМ и др.)) применяют для воздействия на параметры режимов в отдельных узлах энергосистемы, в том числе и в узлах присоединения линий электропередачи. При этом они могут оказывать влияние:
- на напряжение в начале (Ul) и в конце ( U2) линии электропередачи;
- на величину угла (5) сдвига напряжений начала и конца линии электропередачи (объединенные регуляторы потока мощности - ОРПМ, тиристорноуправляемые последовательно включенные компенсаторы - ТУПК, УРК, ФРТ-УПК и др.).
Однако ни одно из указанных средств не может воздействовать на значение волнового сопротивления линии (ZC), величина которого зависит только от параметров самой линии электропередачи и, в первую очередь, от удельного индуктивного сопротивления и удельной емкостной поперечной проводимости, которые в свою очередь определяются типом линии, ее конструкцией и параметрами электромагнитного поля. Указанные параметры определяют также волновую длину линии (aol).
Обращает на себя внимание тот факт, что при прочих равных условиях эффект от регулирующих воздействий указанных выше средств находится в обратнопропорциональной зависимости от величины (ZC), т.е. чем меньше величина (ZC), тем больший эффект по увеличению Рт линии электропередачи при одном и том же регулирующем воздействии с помощью того или иного устройства регулирования (УР), и наоборот. Покажем эту зависимость в относительных величинах при изменении волнового сопротивления (ZC) в пределах от 1,0 до 0,5 от исходного значения.
Анализ приведенных в таблице 1 данных свидетельствует о том, что для линий электропередач, у которых волновое сопротивление меньше, чем у аналогичных других, применение одних и тех же средств регулирования сопровождается соответственно большим эффектом.Например, если у линии новой конструкции (или нового типа) волновое сопротивление меньше на 30 %, чем у аналогичной, с которой она сравнивается, то при прочих равных условиях на линии новой конструкции применение средств регулирования в 1,42 раза будет более эффективным (таблица 1, рис. 1). Другими словами для достижения одного и того же эффекта для линий электропередач с разными значениями волнового сопротивления, для линий с меньшими (ZC) потребуется меньшая мощность, а , следовательно, и меньшая стоимость средств регулирования.
Таблица 1. Зависимость регулирующего эффекта (РЭ) для ВЛ различными
Наименование Значение волнового сопротивления линии (ZC), отн. ед.
1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
Регулирующий эффект, отн. ед. 1,0 1,11 1,25 1,42 1,66 2,0
91
Таким образом, уменьшив значение волнового сопротивления линии (ZC) вдвое можно двухкратно снизить мощность и, соответственно, стоимость средств регулирования. Этот вывод является качественным.
В каждом конкретном случае результаты сопоставлений будут иметь вполне конкретное количественное выражение, в зависимости от типов устройств, схем их включения, компоновки и возлагаемых на них функций.
Проведенный анализ позволяет сделать вполне определенный вывод о том, что создавать эффективные управляемые электропередачи большой пропускной способности можно применив в комплексе лучшие современные средства регулирования и новые технические решения в области совершенствования линий электропередач.
Рис. 1. Зависимость относительного регулирующего эффекта (РЭ) от изменения величины волнового сопротивления линии электропередачи (Zc)
-а
-а
2,5
1,5
0,5
0,9 0,8 0,7
Величина (Zc), отн. ед.
0,6
0,5
I Регулирующий эффект от применения устройств регулирования (УР
2
1
0
1
Принципиальная новизна и основная физическая сущность УСВЛ
Основные отличительные особенности УСВЛ.
Управляемые самокомпенсирующиеся высоковольтные линии электропередачи (УСВЛ) являются многопроводными многоцепными линиями переменного тока. Для описания происходящих в них процессов, проведения расчетов режимов и выбора основных технических решений для них применимы существующие основы теории электропередач переменного тока. Вместе с тем УСВЛ имеют свои особенности и отличия, что потребовало выполнения для них дополнительных разработок новых методик расчета и новых подходов к выбору основных схем, конструкции и аппаратного оснащения.
Известно, что основные технические характеристики многопроводных линий электропередач определяются параметрами электромагнитного поля, образуемого вокруг проводников в пространстве, занимаемом линией электропередачи.
Из теоретических основ электротехники [ 16] известно, что векторные величины -напряженность электрического поля (Е) и магнитного (Н) определяют плотность потока мощности в электромагнитном поле (П):
П = Е х Н (1)
92
Основываясь на общей теории электромагнитного поля [16] в работе [17] было получено выражение суммарного потока мощности многопроводной линии для самого общего случая, которое имеет следующий вид:
(2)
где: Einp _ продольная составляющая напряженности электрического поля внутри і-го провода; oinp _ удельная электрическая проводимость провода; r0 - радиус провода; l _ длина линии; а _ угловая частота, рад/с; ml _ скорость распространения электромагнитной волны, м/с, здесь l _ размерность м/рад; є0 электрическая постоянная; є _ относительная электрическая проницаемость среды; ц0 _ магнитная постоянная; л _ относительная магнитная проницаемость; qi _ заряд і-го провода; R1 _ радиус некоторого цилиндра, поверхность которого ограничивает объем пространства вокруг провода, в котором происходит изменение энергии поля; Ii _ ток в і-том проводе; n _ число проводов (фаз) линии; Рд? _ суммарные тепловые потери в проводах линии; QCz _ суммарная мощность электрического поля линии; Qlz _ суммарная мощность магнитного поля линии. Мощности магнитного и электрического полей имеют обратные знаки, что свидетельствует об их обменном характере.
Для режима натуральной мощности имеет место равенство:
Из выражения (2) при условии (3) было найдено выражение натуральной мощности многопроводной линии:
где v _ скорость распространения электромагнитной волны;
U=Ui _ напряжение фазного провода;
ji, аі _ аргументы напряжения (U.) и тока (І).
Приведенные выражения (2, 4) показывают, каким образом суммарный поток вектора мощности линии зависит от различных факторов конструктивного и режимного характера. Они позволяют выявить наиболее влияющие параметры и выполнять оптимизационные расчеты, осуществлять выбор конфигураций расположения фаз, конструкции и угловых сдвигов векторов напряжений, приложенных к фазам, что в комплексе может обеспечить максимум функции (РН), с учетом заданных ограничений. Приведенные выражения позволяют также определять обобщенные характеристики линий различного типа и проводить соответствующие их сопоставления.
На основании исследований и анализа влияющих факторов установлено, что для обеспечения максимальной величины натуральной мощности линии, необходимо максимально увеличить суммарный электрический заряд всех фаз линии. Это возможно при сближении фаз линии и установлении между приложенными к ним векторами напряжений максимального углового сдвига (9). Вместе с тем, при малых
JQcl\ К JQll
(3)
n
(4)
93
нагрузках линии целесообразно обеспечить режим, при котором зарядная мощность линии минимальная. Это условие можно выполнить, если осуществить регулирование величины суммарного заряда линии в сторону уменьшения его величины. Для этого необходимо уменьшить (в пределе до 0) угловой сдвиг между векторами напряжений сближенных фаз.
Таким образом, для повышения пропускной способности и улучшения управляемости линий необходимо изменить не только их конструкцию, но и схемы и способы управления. Весь комплекс новых технических решений, сформулированных на основании этих результатов, нашел свое воплощение в предложенных УСВЛ, которые отличаются от обычных линий по своему исполнению и принципу [5-7].
Анализ характеристик трехфазных линий электропередач обычной конструкции показывает, что только относительно небольшая часть (не более 5 -10 %) поперечного сечения коридора, ограниченного высотой и шириной опоры, участвует в процессе передачи электрической энергии. Остальная часть (90-95 %) поперечного сечения практически не используется, однако необходима с учетом требований соблюдения соответствующих габаритов по безопасности и ограничений, связанных с диэлектрической прочностью изоляционных промежутков при максимальном отклонении проводов от их исходного положения при воздействии неблагоприятных атмосферных факторов - в основном ветра и гололеда, а также при возникновении грозовых и внутренних перенапряжений. Вынужденный в связи с этим выбор больших междуфазных расстояний при традиционных конструкциях ЛЭП сопровождается увеличением материальных затрат, стоимости линии, ширины земельных полос отчуждения под строительство, а главное - ухудшением электрических параметров линии - увеличением продольного индуктивного сопротивления (XL), снижением величины рабочей электрической емкости (Ср), увеличением волнового сопротивления (Zc), а в результате - снижением величины натуральной мощности (РН) и соответственно пропускной способности линий электропередачи (Fm).
Выполненные исследования и проведенный анализ показали, что реально имеются возможности значительного улучшения технических и экономических показателей линий электропередач переменного тока, что предлагается реализовывать путем создания управляемых многоцепных (а в частности - двухцепных) самокомпенсирующихся высоковольтных линиях электропередачи переменного тока (УСВЛ).
Исследования УСВЛ показали, что, благодаря новым техническим решениям, они позволяют значительно (в 2-4 раза) повысить плотность потока мощности в пространстве, ограниченном высотой и шириной опоры, а также повысить эффективность использования земельных полос отчуждения под строительство линий, что благоприятно сказывается на улучшении их экономических показателей.
Главные принципиальные отличия УСВЛ от обычных многоцепных (и в частности двухцепных) трехфазных ЛЭП состоит в том, что в УСВЛ существенно изменены параметры электрического (Е) и магнитного (Н) полей внутри пространства между фазами, причем это изменение осуществлено таким образом, чтобы добиться наибольшего эффекта по увеличению пропускной способности линии электропередачи в целом (Рт) и создания условий по ее регулированию в процессе изменения величины передаваемой мощности (Р), для обеспечения минимальных потерь (ДР^Д отслеживания ограничений по уровням напряжения вдоль линии (ил ) и оптимизации параметров режимов электропередачи и примыкающих энергосистем.
Указанный эффект достигается за счет выбора новой конструкции линии, рис. 2, 3, позволяющей осуществить сближение соответствующих фаз разных цепей на минимально допустимое расстояние между ними (d^, что создает возможность
94
увеличения взаимного электромагнитного (электрического - АС и магнитного - ДМ) влияния фаз и цепей линии друг на друга.
A double-circuit 110 kU CSCHUL Hith the double-post touers.
Рис.2. Опытно-промышленная двухцепная СВЛ-110 кВ
Установление с помощью концевых фазорегулирующих устройств соответствующего углового сдвига (9) между трехфазными системами векторов
напряжений (U.) цепей и, соответственно, протекаемыми по ним токами (ii), (рис.4, 5) обеспечивает изменение знака взаимного электромагнитного влияния цепей и соответствующих значений эквивалентных электрических параметров фаз и цепей. Это обеспечивает требуемую пропускную способность линии и заданные параметры режимов электропередачи в целом.
Регулирование параметров режимов электропередачи новой конструкции - с улучшенными техническими предельными характеристиками при таком подходе имеет новый физический смысл в отличие от известных способов компенсации или регулирования параметров в отдельных узлах линий и систем, так как является регулированием собственно эквивалентных параметров самой линии на всем ее протяжении.
При установлении между системами векторов напряжений цепей углового сдвига, равного 9=180°, линия обладает минимальным продольным индуктивным сопротивлением, максимальной рабочей емкостью, наибольшей величиной натуральной мощности и, соответственно, пропускной способностью. Такой режим линии необходим при передаче предельных величин мощности. Разработанные и описанные ниже варианты двухцепных УСВЛ в режиме при 9=180° обладают на 20-50 % величиной натуральной мощности большей, чем обычные двухцепные ВЛ того же класса напряжения. Перевод УСВЛ в режим при 9=0° сопровождается снижением величины пропускной способности на 10-20 % для данной конструкции линии, благодаря увеличению продольного индуктивного сопротивления (XL), уменьшению величины рабочей емкости (Ср), а, соответственно, зарядной (Q^ и натуральной (РН) мощности линии. Этот режим может быть использован для обеспечения наиболее
95
эффективной работы электропередачи при малых нагрузках или в режиме холостого хода.
Рис.3. Промежуточная портальная опора УСВЛ для классов напряжений
220,330 и 500 кВ
Диапазон изменения угла 9=0^180° характеризуется промежуточными значениями параметров линии - ее зарядной и натуральной мощности и пропускной способности.
Для увеличения глубины и диапазона регулирования технических характеристик УСВЛ, или придания им дополнительных качеств для них могут быть использованы практически все средства регулирования и компенсации, которые применяются в современной практике для обычных линий электропередач переменного тока.
Эффективным и оригинальным является способ установки средств поперечной компенсации между фазами разных цепей, рис.4, соответственно реакторов или батарей конденсаторов на регулируемую разность между векторов напряжений этих фаз, которая имеет место при изменении между ними угла сдвига (9). В области УСВЛ выполнены многочисленные исследования, а также разработки, проведены
96
эксперименты и натуральные испытания, благодаря чему подтверждены теоретические посылки и достоверность результатов.
УСВЛ относятся к категории гибких электропередач, получивших в последние годы развитие как в теоретическом так и практическом плане. Направление создания гибких электропередач переменного тока - Flexible Alternating Curent Transmission Systems (сокращенно FACTS) подразумевает создание регулируемых электропередач на базе применения различных сосредоточенных средств компенсации и управления, однако при сохранении линии как нерегулируемого объекта.
Рис.4. Принципиальная электрическая схема двухцепной УСВЛ с возможностью регулирования в широких пределах углового сдвига между системами векторов напряжений цепей и содержащая компенсирующие устройства между фазами
Рис.5. Принципиальная схема УСВЛ с дискретным регулированием углового сдвига между системами векторов напряжений цепей 0.. .120 эл. Град.
97
УСВЛ воплощая в себе идеи регулируемой электропередачи являются дальнейшим развитием направления гибких электропередач, так как в дополнение включает идеи и способы регулирования параметров и собственно линий на всем их протяжении, благодаря чему достигается принципиально новый уровень управления режимами и техническими показателями электропередач переменного тока. УСВЛ могут быть названы и управляемыми самокомпенсирующимися гибкими системами передачи электроэнергии на переменном токе - Controlled Flexible Self - Compensation Alternating Current Transmission Power Systems (сокращенно CFACTS).
Следует отметить, что исследованиям и предложениям УСВЛ предшествовали многочисленные исследования, выполненные рядом авторов в области дальних электропередач, в том числе [2, 7] - в области разомкнутых линий, [18,19] -компенсированных электропередач, [20, 21, 22] - настроенных линий электропередач, [14,15] - дальних ЛЭП сверхвысокого напряжения.
Не без оснований можно полагать, что к настоящему времени в области электропередач переменного тока получены такие результаты, которые позволяют решать любые проблемы транспорта электроэнергии на большие расстояния и осуществлять формирование больших протяженных объединенных энергосистем на переменном токе.
УСВЛ могут быть выполнены и в кабельном варианте. Основные преимущества УСВЛ в кабельном исполнении состоят в том, что они при регулировании углового сдвига между напряжениями жил кабеля, представляющими собой фазы разных цепей, позволяют изменять критическую длину кабельной линии, что создает возможности увеличения в 3-4 раза предельной дальности передачи электроэнергии по кабельным ВЛ на переменном токе.
Технические характеристики вариантов УСВЛ различных классов напряжения.
На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований к настоящему времени выполнены расчеты и разработки конкретных вариантов двухцепных УСВЛ различных классов напряжений, от 10 кВ до 1150 кВ.
В процессе проведения исследований и разработок был решен целый комплекс технических вопросов, связанных с новизной конструкций опор, междуфазовой изоляции, нетрадиционных конфигураций расположения фаз, схем присоединения к подстанциям, применения фазорегулирующих устройств, средств компенсации, релейной защиты и управления, отличием режимов и многими другими.
К настоящему времени удалось реально построить и проверить на практике работоспособность двухцепных УСВЛ напряжением 10, 35, 110 кВ с попарно сближенными фазами разных цепей при фиксированном угле сдвига векторов напряжений цепей 9=120°, осуществленном путем особой схемы присоединения к концевым и промежуточном подстанциям,рис.5, провести механические испытания двухстоечных специально разработанных опор для УСВЛ-110 кВ, провести моделирование и механические испытания сближенных фаз УСВЛ 110 и 220 кВ; выполнить ТЭО УСВЛ - 220 кВ Курейская ГЭС - Норильск протяженностью 380 км, ТЭО УСВЛ - 500 кВ Богучанская ГЭС - Канск длиной 450 км, провести предпроектные проработки варианта двухцепной УСВЛ 1150 кВ Туруханская ГЭС - Центр, протяженностью более 3675 км, соорудить на высоковольтном испытательном полигоне Института Энергетики АН РМ опытный пролет УСВЛ - 500 кВ с подвеской двух сближенных расщепленных фаз с проводами 5хАС-300/39 и провести электрические испытания воздушных промежутков и элементов междуфазовой изоляции.
98
В разработках и исследованиях принимали участие многие научно -исследовательские, проектные организации и подразделения ряда энергосистем. Новизна выполненных работ подтверждается тем, что в области исследований УСВЛ защищено около 30 кандидатских и докторских диссертаций, опубликовано более 400 научных работ, получены десятки авторских свидетельств и зарубежных патентов.
На базе УСВЛ различных классов напряжений (330, 500, 750 и 1150 кВ) были разработаны возможные варианты системообразующих сетей Единой энергосистемы на период до 2010 - 2020 г. нынешних стран СНГ.
Работы в области УСВЛ требуют своего продолжения. Их целесообразность подтверждена на основании выполненных технических и экономических обоснований.
Удалось только изготовить опытные образцы ФРТ - 35 кВ в условиях Молдавской энергосистемы и ФРТ - 110 кВ на Запорожском трансформаторном заводе.
В таблицах 1 -3 приведены основные показатели разработанных вариантов УСВЛ различных классов напряжений.
Таблица 1
Технические характеристики построенных опытно-промышленных двухцепных СВЛ-10, 35, 110 кВ
Показатели Единица измерения Н апряжение СВЛ, кВ
10 10 35 110
Протяженность линии км 1,2 9,5 8,7 34
Проектная нагрузка МВт 3,5 3 12 70
Провода Марка А-90 АС-70 АС-90 АС-150
Фазовый сдвиг напряжений цепей Град 120 120 120 120
Расстояние между сближенными фазами разных цепей м 0,3 0,3 0,6 1,1
Удельное индуктивное сопротивление при 9=120° Ом/км 0,32 0,308 0,34 0,37
По сравнению с обычными двухцепными ЛЭП обеспечивается
Снижение индуктивного сопротивления % 22 25,3 24,5 18
Снижение результирующего сопротивления % 12,3 10,1 15,5 14
Экономия приведенных затрат % 21,7 17 9,4 10
Экономия капитальных затрат % 33 24,3 12 9,2
В качестве опор для двухцепных СВЛ-10, 35 кВ приняты одностоечные опоры. Для двухцепной СВЛ-110 кВ разработаны варианты одностоечных и двухстоечных опор (рис. 2) на железобетонных типовых стойках. На одностоечных опорах расположение попарно сближенных (стянутых) фаз выполнено по вершинам треугольника, а на двухстоечных - в горизонтальной плоскости. Расстояния между сближенными фазами приняты равными dG=0,3-0,4 м для СВЛ-10 кВ, dG=0,6-0,8 м - для СВЛ-35 кВ и dc= 1,1-1,3 м - для СВЛ-110 кВ. Сближенные фазы зафиксированы друг относительно друга в пролетах с помощью изоляционных распорок - в СВЛ-10, 35 кВ и с помощью стягивающих гирлянд изоляторов в СВЛ-110 кВ.
Значения расстояний между сближенными фазами и длина пути утечки изоляционных элементов удовлетворяют требованиям ПУЭ по условиям длительного воздействия рабочих междуфазовых напряжений, внутренних и грозовых перенапряжений.
99
Для двухцепных УСВЛ-220, 330, 500, 750 кВ рассмотрены варианты двухстоечных опор с горизонтальным расположением фаз (рис. 3).
Таблица 2.
Технические характеристики вариантов двухцепных УСВЛ напряжением 220, 500 кВ (по данным проектных проработок _и технико-экономических обоснований).
Показатели Единиц ы измере- ния Напряжение СВЛ, кВ
220 220 500 500 500
Протяженность линии км 380 15 450 450 340
Передаваемая МВт 400 400 3500 3500 2500
проектная мощность
Провода Марка 2хАС- 2хАС- 5хАС- 5хАС- 5хАС-
240 240 240 240 240
Расположение фаз Горизонтальное
Расстояние между м 2,2 2,2 4,0 4,0 4,0
сближенными фазами в
пролете
Волновое
сопротивление при:
9=120° Ом 235 236 205 205 205
9=180° Ом 216 216 185 185 185
Натуральная мощность
при:
9=120° МВт 400 400 2400 2400 2400
9=180° МВт 450 450 2700 2700 2700
Экономия в сравнении
с обычными
двухцепными ЛЭП по:
Приведенным затратам % 37 10 20 20 20
Капитальным затратам % 29 5,8 33 33 33
В пролетах линий между сближенными фазами на некотором расстоянии от опор предусматривается установка стягивающих гирлянд изоляторов облегченного типа, которые обеспечивают фиксацию расстояния между фазами и обеспечивают практически полное гашение пляски и вибрации проводов фаз при воздействии неблагоприятных ветровых и гололедных нагрузок.
Длительный опыт эксплуатации (более 15 лет) опытно-промышленной двухцепной СВЛ-110 кВ показал, что на ней пляски проводов не наблюдалось, хотя в том же районе на ВЛ110-330 кВ обычного типа неоднократно наблюдались пляска проводов, из-за чего происходили отключения , обрывы и падения опор.
Для двухцепной УСВЛ-1150 кВ разработан новый вариант четырехстоечной опоры с вантовыми траверсами.
Главные электрические схемы УСВЛ могут иметь различный вид. Для самого общего случая может быть рекомендована схема, показанная на рис. 4.
В схеме УСВЛ предусматривается установка фазорегулирующих устройств по концам линии и компенсирующих устройств в промежуточных точках.
100
Таблица 3. Технические характеристики вариантов двухцепных УСВЛ _напряжением 220-1150 кВ.
Показатели Едини- Напряжение СВЛ, кВ
цы 220 330 500 750 1150
измере-
ния
Протяженность линии км 100-300 200-400 300-600 400-800 500-
3000
Провода Марка 2хАС- 3хАС- 5хАС- 6хАС- 13хАС-
300 300 300 300 300
Расположение фаз Горизонтальное
Расстояние между м 2,2 2,2 4,0 6,0 10,0
сближенными фазами в
пролете
Волновое
сопротивление при: 9=0° Ом 375 367 338 342 338
9=120° Ом 222 214 183 191 209
9=180° Ом 206 199 170 177 195
Натуральная мощность
при: 9=0° МВт 258 592 1478 3282 7820
9=120° МВт 416 965 2567 5742 12146
9=180° МВт 458 1090 2929 6334 13580
В практике могут найти применение схемы УСВЛ с дискретным регулированием угла (9) между системами напряжений цепей - 120° и 0° (рис.5), путем соответствующей коммутации фаз одной из цепей в местах присоединения линии к подстанциям. На УСВЛ возможно также применение пофазного управления.
Приведенные в таблицах данные основных показателей УСВЛ и сопоставление их с аналогичными характеристиками обычных трехфазных ЛЭП показывает, что УСВЛ превосходят обычные ЛЭП по величине натуральной мощности на 20-50 %, и обеспечивают экономию на 15-30 % удельных капитальных вложений и приведенных затрат в расчете на единицу передаваемой мощности.
Что касается дальности передачи электроэнергии по УСВЛ, то, как и для любых других типов электропередач переменного тока, эту задачу необходимо рассматривать самостоятельно с учетом конкретных условий и требований.
Проблема увеличения дальности передачи энергии переменным током по УСВЛ может быть решена в частности путем настройки их, например, в режим полуволны. При этом подходы остаются аналогичные тем, которые разработаны для обычных ЛЭП переменного тока.
Несмотря на изменение эквивалентных параметров УСВЛ и регулирование их в широких пределах при изменении угла сдвига между системами напряжений цепей в диапазоне 180-0°, волновая длина линии остается неизменной и может быть увеличена или уменьшена рекомендованными для настроенных электропередач средствами поперечной или продольной компенсации [9,12].
Отличие состоит только в том, что по УСВЛ, как обладающим большей величиной натуральной мощности, можно соответственно передавать большую по сравнению с обычными ЛЭП электрическую мощность. При этом сохраняются
101
указанные выше технико-экономические преимущества УСВЛ по сравнению с обычными ЛЭП.
Выводы
1. Управляемые самокомпенсирующиеся высоковольтные линии электропередачи (УСВЛ)
обладают рядом достоинств и могут быть успешно использованы для транспорта электроэнергии как на дальние и сверхдальние расстояния, так и применены в распределительных электросетях
2. По сравнению с обычными ЛЭП переменного тока УСВЛ обеспечивают при прочих равных условиях:
- увеличение значения натуральной мощности на 20-50 %;
- повышение плотности суммарного потока мощности в поперечном сечении линии в 2-4 раза;
- снижение величины напряженности электрического и магнитного полей в пространстве, окружающем линию и вблизи поверхности земли;
- экономию капитальных и приведенных затрат на 10-30 % в расчете на единицу передаваемой мощности;
- создают благоприятные возможности для системообразования, регулирования перетоков мощности и снижения суммарных потерь в энергосистеме.
3. Выполненные исследования и проектные разработки, опыт строительства вариантов УСВЛ и проведенные экспериментальные работы подтверждают реальные возможности широкого применения УСВЛ в энергосистемах для решения проблем транспорта электроэнергии, улучшения параметров режимов энергосистем и получения значительного экономического эффекта.
ЛИТЕРАТУРА
1. Управляемые (гибкие) системы передачи переменного тока (flexible AC Transmission system, FACTS). Составитель д.т.н. профессор Ю.Г. Шакарян, ОАО «ВНИИЭ», 41 с.
2. Solovieff I.I. An Investigation of a special circuit for long transmission of electric power. Канд. дисс., США, 1933, -156 с.
3. Ракушев Н.Ф. Сверхдальняя передача энергии переменным током по разомкнутым линиям. - М.: ГЭИ, 1957, -160 с.
4. Постолатий В.М. Исследование управляемых полуразомкнутых электропередач переменного тока. Автореф. канд. дисс. -М., 1968, -28 с.
5. А.с. 218294 (СССР). Способ передачи электроэнергии /В.А. Веников, Г.В. Чалый, В.М. Постолатий. - Заявл. 6.12.66. № 1116879. Опубл. в Б.И., 1968, № 17.
6. А.с. 266924 (СССР). Способ передачи электроэнергии /В.А. Веников, Ю.Н. Астахов, В.М. Постолатий. - Заявл. 4.11.68. № 1280553. Опубл. в Б.И., 1970, № 12.
7. А.с. 566288 (СССР). Электропередача переменного тока / В.М. Постолатий, В.А. Веников, Ю.Н. Астахов, Г.В. Чалый, Л.П. Калинин. Заявл. 21.03.74. № 2006496. Опубл. в Б.И., 1977, № 27.
8. Электропередача переменного тока /Постолатий В.М., Веников В.А., Астахов Ю.Н., Чалый Г.В., Калинин Л.П. Патенты: США №4001672, 1977; ГДР № 116990, 1976; Франции № 7508749, 1977; Англии № 1488442, 1978; Швеции № 75032268, 1978; Канады № 1038029, 1978; ФРГ № 2511928, 1979; Японии № 1096176, 1982.
102
9. Астахов Ю.Н., Веников В.А., Постолатий В.М. и др. основные принципы создания и технические характеристики управляемых самокомпенсирующихся линий электропередачи, - Электричество, 1977, № 12, с. 37-44.
10. Ю.Н. Астахов, В.М. Постолатий, И.Т. Комендант, Г.В. Чалый. Управляемые линии электропередачи. Под ред. В.А. Веникова, Изд-во Штиинца, 1984, 296 с.
11. Управляемые электропередачи. Выпуск № 8 (23), труды Института энергетики АН Молдовы за 2001-2007 гг. Составители: Постолатий В.М., Быкова Е.В. Кишинев, 2007. 234 с.
12. Устройство изменения фазового сдвига/Бошняга В.А., Калинин Л.П., Постолатий В.М. Патенты: США № 3975673, 1976; ГДР № 119494, 1976; ГДР № 123846, 19774 США № 4013942, 19774 Англии № 1484522, 1977; Франции № 7522737, 1977; Англии № 1493652, 1978; Швеции № 7508349, 1978; Швеции № 7508350, 1978; ФРГ № 2531578, 1978; ФРГ № 2531644, 1978; Франции № 7522615, 1978; Канады № 1045202, 1978; Канады № 1041172, 1978.
13. В.М. Постолатий, Л.П. Калинин, Д.А. Зайцев, Е.В. Быкова. Современные средства регулирования перетоков мощности и эффективность применения их в энергосистемах. Сборник докладов международной конференции «Энергетика Молдовы - 2005». с. 2006-219.
14. Ю.П. Рыжов. Дальние электропередачи сверхвысокого напряжения: учебник для ВУЗов/Ю.П. Рыжов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - 488 с.: илл.
15. Г.Н. Александров. Передача электрической энергии. СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2007. 412 с. (Энергетика в политехническом университете).
16. Поливанов К.М. Теоретические основы электротехники. Ч.3. Теория электромагнитного поля. - М.: Энергия. 1969. - 352 с.
17. В.М. Теоретические основы и принципы создания управляемых самокомпенсирующихся линий электропередач. Дис. на соиск. уч. ст. д.т.н., Кишинев, 1987. 529 с.
18. Вульф А.А. Проблема передачи электрической энергии на сверхдальние расстояния по компенсированным линиям. - М.: ГЭИ, 1941. - 100 с.
19. Веников В.А. Дальние электропередачи. - М.Л.: ГЭИ, 1960. - 312 с.
20. Щербаков В.К., Лукашов Э.С., Ольшевский О.В., Путилова А.Т. Настроенные электропередачи. Новосибирск, 1963.
21. Вершков В.А., Нахапетян К.Т., Ольшевский О.В., Совалов С.А., Фотин В.П., Щербаков В.К. Комплексные испытания полуволновой электропередачи в сети 500 кВ ЕЭС Европейской части СССР. Электричество, 1968, № 8.
22. Г.В. Воробьев, Т.Б. Заславская, А.Х. Калюжный, Э.С. Лукашов, О.В. Ольшевский, А.Т. Путилова, Ф.З. Хакимов, В.К. Халевин, В.К. Щербаков. Технические и экономические характеристики настроенных электропередач. Под ред. В.К. Щербакова. Новосибирск. - Наука, 1965. 68 с.
103
