Четырехфазные линии электропередачи
больше мощность, меньше потери

В Якутии при проектировании электрических сетей обычно ориентировались на перспективу 15–20 лет. Считалось, что затем электрическая сеть будет кардинально усилена введением более высоких напряжений, прокладкой новых линий и т.д. Однако в силу экономической ситуации в стране в последние годы этого не произо-шло. Новые потребители подключаются к уже построенным, как правило, одноцепным линиям, которые работают в режиме перегрузки. Соответственно снижаются уровни напряжения у потребителей, увеличиваются потери мощности и энергии в сети, снижается надежность электроснабжения. Зачастую приходится дополнительно сооружать дизельные электростанции, при этом себестоимость электроэнергии существенно увеличивается.
Примером может служить одноцепная ВЛ-35 «Чурапча-Бологур», длина которой более 200 километров. При суммарной нагрузке около 4 МВт пришлось установить два продольных вольтодобавочных трансформатора, и тем не менее напряжение в конце линии в режиме зимнего максимума снижается до 30 кВ. Потери мощности в линии достигают 1,7 МВт. Линия часто отключается, что создает серьезные аварийные ситуации, особенно зимой. В связи с этим пришлось ввести в действие две дизельные электростанции.
Проблемам увеличения передаваемой мощности и повышения надежности линий электропередачи всегда уделялось большое внимание.
В [1, 2] предлагается увеличить эквивалентный радиус провода и уменьшить расстояние между фазами специальной конструкцией фазы. Но на линиях местного назначения эти конструкции экономически нецелесообразны.
В [3–5] рассматривается подвеска резервной фазы, которую можно использовать в трехфазном режиме, подключив параллельно одной из рабочих фаз. При однофазном повреждении резервная фаза заменяет поврежденную. Линии с резервной фазой были внедрены в опытную эксплуатацию в Казахстане и Таджикистане. Дальнейших сведений об опыте эксплуатации этих линий нет.
К плюсам линий электропередачи с резервной фазой следует отнести снижение потерь мощности на 16% за счет уменьшения сопротивления одной фазы в нормальном режиме. К недостаткам – необходимость симметрирования режима из-за разных величин фазных сопротивлений. Если же резервную фазу не использовать в нормальных режимах, то остается только одно ее назначение – исключить перерыв в электроснабжении при однофазных повреждениях.
В [6–9] для более эффективного использования четвертой фазы предложена четырехфазная электропередача, в которой фазные напряжения сдвинуты относительно друг друга на 900. Двухфазная электропередача со сдвигом фазных напряжений на 900 после перевода тяги на переменный ток повсеместно применяется в железнодорожном транспорте. Чтобы получить четырехфазную систему напряжений, используют еще два трансформатора с группой соединения обмоток, противоположной группе соединения первых двух. Это требует довольно серьезных финансовых затрат.

Новое решение для ВЛ
В Якутском государственном университете разработан проект четырехфазной воздушной линии электропередачи, отличный от описанных выше. Область применения – сети 6–35 кВ с изолированной нейтралью.
По предложенной четырехфазной линии можно передавать мощность примерно в 1,1–1,2 раза большую, чем по двум трехфазным. Четырехфазная линия обладает надежностью двухцепной линии, но при этом дешевле примерно в 1,5–1,7 раза, потери мощности в ней примерно в два раза меньше, чем в двухцепной трехфазной. Последнее объясняется тем, что четырехфазная линия выполняется четырьмя проводами, а две трехфазных – шестью.



Предлагаемая четырехфазная линия электропередачи (рис. 1) является компромиссным решением проблемы электроснабжения сельских потребителей. При этом для ее осуществления не требуется разработка нового оборудования.
По существу, она является сдвоенной линией «два провода – земля» (ДПЗ), впервые предложенной в 30-х годах прошлого века. Напряжения и токи в одной линии ДПЗ соответственно равны по величине и противоположны по направлению напряжениям и токам в другой. Существенным отличием четырехфазной линии от линии ДПЗ является отсутствие тока в земле. Принципиальная возможность осуществления четырехфазной линии электропередачи проверена на физической модели, собранной из 12 однофазных трансформаторов, нагруженных на симметричную активную нагрузку.

Особенности линии
Конструкция четырехфазной линии электропередачи зависит от класса напряжения. Линия 35 кВ может быть выполнена либо на П-образных опорах, либо на двух отдельных стойках по два провода на каждой. Последние должны быть разделены расстоянием, чтобы при падении одной стойки вторая не пострадала. Это, во-первых, исключает короткое замыкание всех четырех фаз, а значит, при поврежде-нии двух фаз линия может быть переведена в режим ДПЗ и сохранится передача части мощности. Во-вторых, можно предусмотреть ремонт линии по частям (по две фазы) с сохранением электроснабжения потребителей оставшимися двумя фазами по системе ДПЗ. В этом случае по надежности четырехфазная электропередача сопоставима с двумя цепями трехфазной.
Линии 6 и 10 кВ можно выполнить на одной стойке с вертикальным расположением проводов, увеличив высоту опоры на метр, а также на двух стойках, как и линию 35 кВ.
Технические характеристики четырехфазной линии электропередачи сравнивались с аналогичными двухцепной и одноцепной трехфазными линиями. Длина линий принималась равной 100 километров, провод – АС-95. Такие линии в Якутии не считаются слишком длинными. Нагрузка включена на напряжение 10 кВ через трансформаторы мощностью 10 МВА. Ограничивающим фактором для обеих линий является допустимое напряжение, равное 1,15 U_H.
Максимальная передаваемая мощность двухцепной трехфазной линии с конденсаторной батареей мощностью 2 МВА, ограничиваемая уровнем напряжения 40,5 кВ, равна 11,4 МВт при cos j, равном 0,8, а потери мощности в линии составляют 3,44 МВт, или 30,17% от мощности нагрузки.
В одноцепной линии при мощности батарей конденсаторов 1 МВАр передаваемая мощность и потери мощности в линии составляют 5,7 МВт и 1,72 МВт соответственно.

Проблема несимметрии и способы ее устранения
Так как в четырехфазной линии загружены только две фазы, а сопротивление третьей равно нулю, то на нагрузке создаются не-одинаковые фазные падения напряжения. Чем больше передаваемая мощность, тем больше несимметрия напряжений.



Несимметрия напряжений оценивалась по относительной величине напряжения обратной последовательности на шинах нагрузки. Зависимость несимметрии напряжения от передаваемой мощности с cos j, равным 0,8, приведена на рис. 2 (график построен при увеличении мощности до 20 МВт, чтобы показать тенденцию увеличения несимметрии).
Таким образом, использование четырехфазных электропередач требует симметрирования напряжения. Критерием допустимости режима является относительная величина несимметрии напряжений, не превышающая 2%. Рассматривались несколько способов симметрирования напряжений:

• включением несимметричного треугольника емкостей на шинах нагрузки;
• продольно-поперечным регулированием напряжения заземляемых обмоток трансформаторов;
• включением индуктивностей последовательно с заземляемой обмоткой трансформатора;
• включением несимметричной активной нагрузки.

Сравнительный анализ схем симметрирования
Схема с симметрированием напряжения включением несимметричного треугольника емкостей на шинах нагрузки (емкостными батареями)



Единственным фактором, ограничивающим предел передаваемой мощности, является максимальное напряжение на фазах линии. На рис. 3 приведена зависимость максимального напряжения на линии с симметрированием напряжения емкостными батареями от активной мощности нагрузки при тех же условиях, что и в трехфазной линии.
Ограничимся тем же пределом, что и при анализе трехфазных линий, – 40,5 кВ. При этом напряжении можно передать 17,7 МВт, что в 1,55 раза больше, чем по двум трехфазным цепям. При предельной передаваемой мощности двухцепной трехфазной линии 11,4 МВт максимальное напряжение на четырехфазной линии при передаче 11,4 МВт не превышает 37,5 кВ.
Различие в потерях напряжения в трехфазной и четырехфазной линиях (в четырехфазной линии они меньше при одной и той же мощности) объясняется следующим. В обеих линиях при одинаковых передаваемых мощностях и линейных напряжениях линейные токи одинаковы и создают одинаковые падения напряжения. Но в трехфазной линии эти падения напряжения создаются в трех фазах, поэтому падение линейного напряжения равно:

U_л = •U_ф = • I_ф•Z_ф

В четырехфазной же линии падение линейного напряжения определяется только фазным током:

U_л = I_ф•Z_ф

т.е. в меньше, чем в трехфазной.



Еще больше отличаются потери мощности в четырехфазной и двухцепной трехфазной линиях (рис. 4.). При передаче максимальной мощности двухцепной трехфазной линии, равной 11,4 МВт, по четырехфазной потери в последней составляют 1,94 МВт против 3,44 МВт в двухцепной трехфазной, или в 1,77 раза меньше. При передаче максимальной мощности трехфазной линии 5,7 МВт в четырехфазной линии потери составляют 0,435 против 1,72 МВт в трехфазной, что в 3,95 раза меньше.
Объяснение достаточно простое. Потери мощности одноцепной трехфазной линии можно определить, как:



где:
Р и Q – мощность со стороны приемника;
U – линейное напряжение там же;
R – активное сопротивление линии.
В двухцепной трехфазной линии эти потери в два раза выше. Так как при передаче максимальной мощности напряжение в конце линии минимальное (в расчетах принималось равным 0,9 U_Н), то потери мощности примерно в 1,25 раза больше, чем при номинальном напряжении. А в четырехфазной линии потери мощности равны:



Кроме того, при мощности, максимальной для трехфазной двухцепной линии (11,4 МВт), напряжение в четырехфазной линии выше номинального. Однако для симметрирования режима требуется большая мощность управляемых конденсаторных батарей. При мощности нагрузки 10 МВт мощность конденсаторов должна быть 7,4 МВАр. Если использовать такую батарею конденсаторов в трехфазной двухцепной передаче, то можно передать 14 МВт. Поэтому рекомендовать этот способ симметрирования можно только после технико-экономического сравнения. Низкие потери мощности могут оказаться недостаточными, чтобы компенсировать затраты на установку симметрирующего устройства.

Схема с продольно-поперечным регулированием напряжения заземляемых обмоток трансформаторов
При применении этой схемы максимальная передаваемая мощность несколько меньше – 17 МВт из-за повышенного напряжения на одной фазе линии со стороны питания. Тем не менее это в 1,49 раза больше, чем у двух трехфазных цепей. Потери мощности в этом случае примерно те же, что и при симметрировании напряжения емкостными батареями. Недостатком, хотя и непринципиальным, этой схемы является необходимость создания новых трансформаторов. Чтобы рекомендовать эту схему, требуется дополнительное исследование: как влияет продольно-поперечное регулирование на симметрию напряжений на генерирующей подстанции.

Схема с включением индуктивностей последовательно с заземляемыми обмотками трансформаторов
Включением индуктивностей последовательно с заземляемыми обмотками трансформаторов частично выравниваются продольные сопротивления, включенные последовательно с обмотками высокого напряжения трансформаторов, в результате чего снижается несимметрия напряжений. Такая схема требует мощности симметрирующих устройств примерно в три раза меньшую, чем без включения, что делает ее привлекательной. При практически одинаковом пределе передаваемой мощности с двухцепной трехфазной линией потери в предельном режиме в четырехфазной передаче меньше в 1,7 раза.
С технической точки зрения, схема с включением индуктивностей последовательно с заземляемыми обмотками трансформаторов и емкостным симметрирующим устройством является аналогом первой схемы. Поэтому все выводы, полученные для первой схемы, справедливы и для нее. Но ввиду того, что в заземляемую фазу включается сопротивление, по потерям напряжения схема приближается к симметричной трехфазной. Поэтому предел передаваемой мощности у нее ближе к пределу передаваемой мощности трехфазной двухцепной линии.
Это не касается потерь мощности. Несмотря на то, что потери мощности здесь выше, чем в первой схеме, из-за увеличенных потерь напряжения, они в три раза меньше потерь двухцепной трехфазной линии, у которой потери выросли из-за меньшей компенсации реактивной мощности (мощность компенсирующих устройств третьей меньше в 3,2 раза, чем у первой схемы). Диапазон передаваемых мощностей от нуля до 12 МВт.

Схема с включением несимметричной активной нагрузки в сочетании с включением индуктивностей последовательно с заземляемыми обмотками трансформаторов
Такая схема вообще не требует затрат на конденсаторные батареи. Имеет практически одинаковый предел передаваемой мощности с предыдущей схемой. Но по сравнению с двухцепной трехфазной без конденсаторных батарей предел передаваемой мощности больше только в 1,17 раза. Потери мощности такие же, как и в предыдущем случае. Однако ее применение в каждом конкретном случае требует исследования всех режимов – от минимального летнего до максимального зимнего, так как бытовая нагрузка и промышленная изменяются по-разному как в течение года, так и в течение суток.
Технические характеристики четырехфазных электропередач с различными способами симметрирования приведены в табл. 1. Здесь же приведены данные о потерях мощности в двухцепной трехфазной линии электропередачи.

Выводы

• Четырехфазные линии электропередачи по надежности сопоставимы с двухцепной трехфазной линией, а по затратам на сооружение – с одноцепной трехфазной.
• Четырехфазные электропередачи по сравнению с двухцепными трехфазными имеют в 1,5 – 1,7 раза меньшие потери мощности.
• Отсутствие одной фазы в линии является причиной появления несимметрии напряжений, которая с увеличением передаваемой мощности увеличивается.
• По нашему мнению, наиболее перспективной для решения проблемы несимметрии напряжений при использовании четырехфазной линии является комбинация двух способов: с включением индуктивностей последовательно с заземляемыми обмотками трансформатора и включением несимметричной активной нагрузки.

Литература

1. Новые средства передачи электроэнергии в энергосистемах // Под ред. Александрова. – Л.: Изд-во Ленингр. ун-та,1987.- 231 с.
2. Королюк Ю.Ф., Чунчин В.А. Воздушная линия электропередачи. А.С. № 588584/ опубликовано в БИ. – 1978. – № 2.
3. Жанаев Д.Т., Заславская Т.Б. Особенности режима работы электропередач с резервной фазой: Научн. труды, Т.126 / Новосибирский СХИ. – Новосибирск, 1979. – C. 9–11.
4. Жанаев Д.Т. Системный подход к вопросу повышения надежности электроснабжения сельскохозяйственного производства Сибири и Дальнего Востока // Сибирский Вестн. с.х. науки СО ВАСХНИЛ. - 1982. – № 4. – С. 92–95.
5. Жанаев Д.Т., Заславская Т.Б. Линии электропередач с резервной фазой. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1990.– 121 с.
6. Самородов Г.И. Электропередача переменного тока. А.С. № 1700682А1 (СССР) / Заявл. 08.06.88. Опубл. в БИ. – 1991. – № 47.
7. Самородов Г.И. Четырехфазные электропередачи // Изв. Академии наук / «Энергетика«. – 1995. – № 6.– С. 101–108.
8. Ворфоломеев Г.Н. Преобразование числа фаз на основе двух однофазных трансформаторов (к столетию создания схемы Скотта) // Промышленная энергетика. – 1995. – № 2.– С. 29–33.
9. Ворфоломеев Г.Н. и др. Преобразование трехфазного напряжения в четырехфазное с помощью двух однофазных трансформаторов // Межвуз. сб. научн. трудов «Автоматизированные электромеханические системы» – Новосибирск: изд-во НГТУ. –1995.– с. 69–74.