Реконструкция двухцепных ВЛ

В № 1(31) 2005 нашего журнала был опубликован материал «Четырехфазные линии электропередачи. Больше мощность, меньше потери», подготовленный специалистами Якутского государственного университета им. М.К. Аммосова, Сибирского государственного университета путей сообщения и ОАО АК «Якутскэнерго». В нем рассказывалось о новом проекте воздушной линии электропередачи 6–35 кВ, позволяющем, с использованием уже существующего оборудования, повысить передаваемую мощность линии, снизив при этом потери.

Георгий Евдокунин, д.т.н., профессор

Дискуссионная статья привлекла внимание петербургских ученых Георгия Анатольевича Евдокунина и Валерия Ивановича Тюгая, которые приводят свои аргументы «за» и «против» предложенного проекта.

Валерий Тюгай, инженер

В работе сибирских авторов проведен анализ режимов работы четырехфазной воздушной линии электропередачи по схеме, предложенной в Якутском государственном университете. Такая линия получается путем преобразования из двух трехфазных (каждая из которых называется схемой «два провода – земля», или ДПЗ), в которых токи равны по величине, но направлены встречно. Простейшая схема четырехфазной электропередачи приведена на рис. 1.
Рис. 1
Простейшая схема четырехфазной линии электропередачи



Ввиду отсутствия в статье сведений о программном пакете, который использовался для получения результатов, мы в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете повторили некоторые расчеты с помощью известной программы EMTP с использованием стандартных моделей трансформатора с различными группами соединения обмоток и воздушной линии.
В качестве примера была рассмотрена воздушная линия 35 кВ длиной 100 км в двухцепном исполнении, фазы которой выполнены проводом марки АС-95. Нагрузка включена на напряжение 10 кВ через трансформаторы мощностью 10 МВА. Ограничивающим режимным фактором выбрано допустимое максимальное напряжение, которое для сетей 35 кВ равно Uраб.макс = 40,5 кВ. Критерием достижения предела по передаваемой мощности принято снижение напряжения на нагрузке до величины 0,9Uном. Сама нагрузка представляется постоянной активно-индуктивной проводимостью при коэффициенте мощности cosφ = 0,8.



Сравнение двух линий
Максимальная передаваемая активная мощность по двухцепной трехфазной линии в этих условиях оказалась равной 11,3 МВт (при наличии конденсаторной батареи на стороне нагрузки мощностью 2 Мвар). Потери активной мощности при этом составляют 3,53 МВт, или 31,4% от мощности нагрузки. Более подробные данные для нескольких режимов шестифазной линии представлены в табл. 1.
Моделирование режимов четырехфазной линии производилось с одновременным подбором междуфазных емкостей с целью симметрирования системы напряжений на нагрузке. При этом батареи конденсаторов включались на наименьшие линейные напряжения (АВ и ВС). Численные результаты моделирования отражены в табл. 2.
В результате максимальная передаваемая мощность по четырехфазной линии равна 12,39 МВт, потери в этом режиме составляют 2,73 МВт, то есть 22% от мощности нагрузки.
Табл. 3 иллюстрирует разницу потерь в четырех- и шестифазной линиях для режимов, близких по величине передаваемой активной мощности (см. выделенные строки табл. 1 и 2)
Из таблицы следует, что при передаче активной мощности, равной 11,3 МВт (что является пределом для шестифазной линии), потери активной мощности в шестифазной линии примерно в 1,7 раза превышают потери в четырехфазной линии.
Влияние величины перетока реактивной мощности на различие потерь в шести- и четырехфазной линиях электропередачи (активная нагрузка, cosφ = 1,0) иллюстрируется табл. 4. В этих расчетах мощность компенсирующих устройств нагрузочного узла специально подбиралась так, чтобы по обеим линиям протекала минимально возможная реактивная мощность, необходимая лишь для покрытия потерь в продольном индуктивном сопротивлении линии. Реактивная мощность, генерируемая емкостными компенсирующими устройствами, находящимися на стороне нагрузки, полностью расходуется на потери в трансформаторе.
Из табл. 4 следует, что, во-первых, при передаче мощности и cosj = 1,0 предел передаваемой активной мощности существенно увеличивается, а относительные потери при этом снижаются; во-вторых, несмотря на снижение относительных потерь для каждой из линий, их соотношение остается примерно на том же уровне, то есть потери в шестифазной линии в 1,5–1,7 раза превосходят потери в четырехфазной и cosφ нагрузки не оказывает существенного влияния на это соотношение. Плюсы и минусы четырехфазной линии Подводя итоги, мы можем подтвердить, что в целом сибирскими авторами получены правильные результаты, а именно:

• максимальное значение передаваемой по четырехфазной линии электропередачи активной мощности примерно на 10% превосходит предел для двухцепной трехфазной линии;
• при этом в режимах, близких по передаваемой мощности, потери в четырехфазной линии в 1,5–1,7 раза ниже потерь в шестифазной линии, что объясняется повышением напряжения электропередачи (до уровня линейного).

• для такой схемы требуется четыре трансформатора вместо двух для обычной двухцепной линии электропередачи;
• при изменении активной мощности, передаваемой по четырехфазной линии, от ноля до предельного значения наблюдается нарастание несимметрии напряжений на нагрузке. Одним из решений этой проблемы является установка в нагрузочном узле междуфазных емкостных компенсирующих устройств, однако из-за постоянного изменения режима в течение суток компенсация должна быть управляемой;
• преобразование двухцепной трехфазной линии в четырехфазную приводит к тому, что фазное напряжение возрастает до значения линейного, то есть в 1,73 раза. В принципе изоляция трансформаторов и другого оборудования напряжением 6–35 кВ способна длительно работать в таком режиме, но это, несомненно, утяжеляет ее работу и снижает срок службы. Кроме того, с увеличением фазного напряжения до линейного увеличивается вынужденная составляющая перенапряжений, а значит, увеличивается поток и кратность кратковременных перенапряжений, что также снижает срок службы трансформаторов;
• еще одним возможным недостатком четырехфазной линии электропередачи по сравнению с двухцепной трехфазной может быть значительный ущерб от недоотпуска электроэнергии. Из опыта эксплуатации линий электропередачи 6–35 кВ известно, что наиболее частая авария – однофазное короткое замыкание на землю. При возникновении данной аварии в двухцепной трехфазной линии аварийная цепь остается в работе. При возникновении аналогичной аварии в четырехфазной линии электропередачи необходимо отключать всю аварийную полуцепь, так как в данном режиме замыкание будет двухфазным на землю. При этом неповрежденная полуцепь переводится в режим ДПЗ с протеканием рабочего тока в земле.