Натуральная мощность линии

Натуральная мощность линии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт - ЭНИН

Направление - Электроэнергетика

Кафедра - ЭСиЭ

Натуральная мощность линии

Реферат по курсу «Учебно-исследовательская работа студентов»

Выполнил студент гр.5А0Г Кенжебеков С.К

Томск - 2013

Содержание

1. Натуральная мощность линии

. Электрические параметры воздушных линий

. Компенсация реактивной мощности

.1 Назначение СТК и выполняемые функции

.2 СТК для сетей СВН

. Линии электропередачи схемы выдачи мощности

Заключение

Список литературы

Введение

Передача электрической энергии по линиям (воздушным и кабельным) осуществляется во всех странах мира. Дальность отдельных электропередач превысила 1000 км. Наибольшее напряжение дальних электропередач превысило 1000 кВ. Накоплен богатый опыт передачи электрической энергии по воздушным и кабельным линиям. И тем не менее, до настоящего времени не существует единой позиции в мире в отношении способа обеспечения наиболее целесообразного в техническом отношении и наиболее экономичного ведения режимов передачи электроэнергии.

Линии электропередачи (воздушные и кабельные) обладают замечательной способностью передачи электроэнергии на уровне их натуральной мощности без помощи каких-либо дополнительных устройств. Все проблемы ведения режимов электропередачи связаны с тем, что невозможно обеспечить передачу натуральной мощности все время. Предаваемая по линиям мощность колеблется в широких пределах:

для линий высокого напряжения от нуля (холостой ход линий) до двух- трехкратной от натуральной мощности (и даже больше);

для линий сверхвысокого напряжения от нуля до натуральной мощности.

Отклонение передаваемой мощности от натуральной связано с генерацией или потреблением линией реактивной мощности, которую необходимо компенсировать.

реактивный напряжение компенсатор электропередача

1. Натуральная мощность

Рассмотрим ЛЭП без потерь, для которой r₀ = 0 и g₀ = 0.

Выделим в ней отрезок единичной длины Dl с индуктивным сопротивлением x₀Dl и емкостной проводимостью b₀Dl. На этом участке имеют место потери и генерация реактивной мощности

        (1)

Здесь Q_C не зависит от передаваемой мощности. Если принять Q = 0, то при некоторой активной мощности P будет иметь место равенство Q_L = Q_C. Мощность, передаваемую в этом режиме называют натуральной мощностью P_нат, а сам режим работы ЛЭП называют режимом передачи натуральной мощности. При U = U_ном будем иметь

        (2)

,       (3)

Откуда

           (4)

или

 (5)

где  - волновое сопротивление линии.

В реальной линии, в которой r₀ ¹ 0 g₀ ¹ 0, потери активной мощности при Q = 0 будут наименьшими

        (6)

а при P = P_нат линия будет работать с наибольшим КПД вследствие того, что линия находится на самобалансе реактивной мощности Q_L = Q_C - потери в линии компенсируются зарядной мощностью и в любой точке линии Q = 0.  В случае, когда Q_L ¹ Q_C имеет место либо избыток зарядной мощности  Q_C > Q_L, либо потери превышают зарядную мощность Q_L > Q_C, и тогда потери DP увеличиваются и вследствие этого КПД линии ухудшается, как при  P > P_нат, так и при P < P_нат.

Режим натуральной мощности является не только самым экономичным. Для линии без потерь можно обнаружить и другие его замечательные свойства, так, например, напряжение в начале линии по модулю оказывается равным напряжению в конце линии:

        (7)

где ; Z_C - волновое сопротивление линии; b₀ - коэффициент фазы линии, а U₂ - совмещено с действительной осью координат.

Из соотношения  следует, что равны по модулю не только напряжения по концам линии, но и то, что модуль напряжения в любой точке вдоль линии является неизменной величиной:

,

где x - расстояние от начала линии (x = 0) до точки с координатой x. Можно показать, что для линии без потерь в режиме натуральной мощности и ток вдоль линии по модулю остается постоянной величиной.

Такое свойство постоянства напряжения и тока вдоль линии в режиме натуральной мощности во многом снижает требования к оборудованию линии электропередачи и облегчает регулирование режимов ЭЭС.

Наличие активных параметров линии r₀ и g₀ несколько меняет идеальную картину, но при P₂ = P_нат или P₂ , близкой к натуральной, в линии приблизительно сохраняются свойства режима натуральной мощности.

В табл. 2.1 приведены численные значения натуральной мощности ВЛ некоторых напряжений. Натуральные мощности кабельных линий на порядок выше, чем у ВЛ.

Таблица 2.1 Величины натуральной и наибольшей передаваемой мощности ВЛ

* Наибольшая мощность зависит от длины линии.

На практике невозможно обеспечить работу всех линий в режиме, близком к натуральному, но этого добиваются для отдельных линий, когда существует возможность регулировать передаваемую мощность за счет перераспределения мощностей в электрической сети и генерирования реактивной мощности в местах ее потребления.

Характер распределения напряжения при различной нагрузке линии, при закрепленных напряжениях на еѐ концах иллюстрирует рис. 1.3.

2. Электрические параметры воздушных линий

При соединении линии бесконечной длины с источником напряжения по ней потечет ток, определяемый распространением вдоль линии электромагнитной волны [3, 34]

где v - скорость распространения электромагнитной волны вдоль линии. Протекающий в этих условиях (при отсутствии отраженных от конца линии волн) по линии ток называется натуральным током (индекс "н"). А отношение напряжения на линии к натуральному току называется волновым сопротивлением линии

Аналогичные условия могут быть созданы и на линии конечной длины, если к ее концу подключено активное сопротивление, равное волновому сопротивлению линии, поскольку в этом случае отраженная от конца линии волна также отсутствует. Связь между волновым сопротивлением линии и ее погонной рабочей емкостью можно получить из уравнений(1.9)(1.11)

Следовательно, волновое сопротивление линии обратно пропорционально ее погонной рабочей емкости с коэффициентом пропорциональности 1/v. Волновое сопротивление линии и ее рабочая емкость определяют индуктивность линии. Действительно

где Zq - погонная индуктивность фазы линии. И следовательно,

Таким образом, погонная индуктивность фазы линии пропорциональна ее волновому сопротивлению с коэффициентом пропорциональности 1/v. На линиях с расщепленными проводами погонные заряды на каждом составляющем всех фаз могут быть определены в результате решения системы потенциальных уравнений

где [] - матрица потенциальных коэффициентов размера mn х mn (m- число фаз линии, n - число составляющих проводов в фазе);] и [U] - столбцы зарядов и потенциалов составляющих:

Рис. 1.5. Иллюстрация вычисления потенциальных коэффициентов расщепленных проводов

собственные ( аij) и взаимные (aij) потенциальные коэффициенты; Dij - расстояния между проводами (рис. L5); Hэi-эквивалентные высоты подвески проводов, с высокой степенью точности определяемые соотношением

Hiмин - минимальная высота провода над землей в пролете; f-стрела провеса провода.

В некоторых случаях решение системы (1.16) может быть существенно упрощено. Так, например, при расположении составляющих фазу проводов по окружности при малом отношении радиуса расщепления r_р (рис. 1.4) к расстоянию между фазами D₀ (не более 0,1) и до земли  (рис. 1.6) можно пренебречь влиянием соседних фаз и земли на распределение зарядов по

составляющим каждой фазы и принять, что заряды на всех составляющих каждой фазы одинаковы. При таком допущении расщепленный провод эквивалентен (по электрическим параметрам линии) одиночному с радиусом

Поскольку при любом числе составляющих проводов в фазе отношение nr₀/r_p < 1, эквивалентный радиус r_э всегда меньше радиуса расщепления (рис. 1.4). Так, например, при n =2 для обычно принимаемых соотношений размеров проводов r_э « 0,35r_p и r_э<8гр при n=8. При использовании эквивалентного радиуса расщепленных фаз число уравнений системы (1.16) сокращается в n раз и становится равным числу фаз линии m (матрица потенциальных коэффициентов [а] имеет размер mхm), что позволяет получить решение в аналитической форме для зарядов всех фаз. При этом собственный потенциальный коэффициент каждой фазы может быть вычислен по формуле (1.17) при замене радиуса r_0i на эквивалентный радиус расщепленной фазы г_э ,.а высота провода над землей Нэi отсчитывается от оси симметрии фазы (оси расщепленного провода). Взаимные потенциальные коэффициенты могут быть вычислены по формуле (1.18) при подстановке в качестве Нэi и Hэj расстояний от осей симметрии i-й и j-й фаз соответственно, а в качестве Dij - расстояния между осями симметрии соответствующих фаз. Рабочие емкости фаз линии определяются вещественной частью отношений cсоответствующих комплексов зарядов и напряжений относительно земли, Для трехфазной линии с произвольным расположением фаз относительно земли и соседних фаз (см., например, рис. 1.7) средняя рабочая емкость может быть вычислена по формуле [34]

В частном случае равенства высот всех проводов Нэ= Нэ2= Нэ3 и расстояний между соседними фазами D₁₂ = D₂₃ =0,5D₁ = D₀, а также равенства г_э1 = г_э2 = г_э3 = г_э формула (1.21) для средней рабочей емкости упрощается

При этом рабочая емкость средней фазы, расположенной между двумя крайними фазами линии [6J,

и рабочая емкость крайней фазы [6]

Вычисления показали, что при отношении D₀ / Нэ < 1,3 с достаточной точностью рабочая емкость средней фазы линии может быть вычислена по упрощенной формуле [3]

В случае треугольного расположения фаз (см. рис. 1.7), когда D₁₂ = D₁₃ = D₀ и ' где - превышение средней фазы над крайними и г_э1 = г_э3, формула (1.21) может быть переписана в виде [10]

При расположении фаз в вершинах равностороннего треугольника (D₁₂= D₂₃ = D₁₃ = D₀) и одинаковых размерах всех фаз (r_э1 = r_э2 = r_э.з)

поскольку в этом случае влияние земли незначительно. В отличие от электрического поля линии, подверженного влиянию земли (электрическое поле ограничено поверхностью земли), магнитное поле линии при промышленной частоте свободно проникает в землю. По этой причине на индуктивность линии земля влияния не оказывает. Средняя погонная индуктивность фазы линии определяется формулой [34]

где  Гн/м - магнитная постоянная; - магнитная про-

ницаемость материала провода; n - число проводов в фазе.

Следовательно, при горизонтальном расположении фаз

при треугольном расположении фаз (см. рис. 1.7)

а при равенстве всех междуфазовых расстояний

Влияние магнитного поля, проникающего в провода, для расщепленных фаз мало и уменьшается с увеличением числа проводов в фазе. Обычно можно им пренебречь. Поэтому волновое сопротивление линии с треугольным расположением проводов определяется соотношением

а при равенстве всех междуфазовых расстояний D₁₂= D₂₃ = D₁₃ = D₀

При этом скорость распространения электромагнитной волны вдоль линии равна скорости света

Для линий с горизонтальным расположением проводов волновое сопротивление

Учет влияния земли в формуле (1.32) дает поправку, не превышающую 2-3%, в зависимости от отношения D₀/Hэ. Поэтому для приближенной оценки волнового сопротивления трехфазной линии с одинаковым расстоянием проводов до земли можно пользоваться формулой

Из формул (1.31), (1.33), (1.34) следует, что волновое сопротивление трехфазных линий увеличивается при увеличении междуфазовых расстояний и уменьшается при увеличении эквивалентного радиуса расщепленной фазы: г_э. Волновое сопротивление линий с горизонтальным расположением проводов больше, чем для линий с треугольным расположением фаз. Скорость распространения электромагнитной волны вдоль линия с горизонтальным расположением проводов

меньше скорости света vc ~ 3 • 108 м/с. Различие не превосходит 2- 3%. Тем не менее это обстоятельство следует учитывать при использовании соотношений для тока, плотности тока и натуральной мощности. Например, для линии класса 750 кВ с проводом 5х АС-300/39 при D0 =17,5 м и Нэ = 14 м скорость v = 0,97vc. Полученные формулы для волнового сопротивлений трехфазных линий позволяют вывести, соотношения, связывающие натуральную мощность линии с ее геометрическими параметрами. Для линий с треугольным расположением фаз (см. рис. 1.7) при одинаковых размерах фаз натуральная мощность равна

и для линий с горизонтальным расположением фаз

Таким образом, натуральная мощность линии может быть увеличена при уменьшении междуфазовых расстояний и увеличении эквивалентного радиуса расщепленных проводов г_э при увеличении радиуса расщепления г_р и числа проводов в фазе n.

3. Компенсация реактивной мощности

Один из ключевых способов повышения уровня передаваемой мощности без строительства новых линий и подстанций - компенсация реактивной мощности на всех уровнях ее генерации, передачи и потребления:

от генераторов станций до линий СВН и обратно до сетей 380 В. Устройства компенсации реактивной мощности (КУ) могут быть разных типов и выполнять разные функции: от простейших - нерегулируемых конденсаторных батарей, до наиболее совершенных, называемых FACTS - устройств гибких (регулируемых) линий передач переменного тока. Одним из наиболее распространенных в мире видом устройств FACTS являются статические тиристорные компенсаторы (СТК).

.1 Назначение стк и выполняемые функции

Статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности широко используются для решения различных проблем передачи и распределения электрической энергии, связанных с большими и быстрыми колебаниями реактивной мощности. Установка СТК на электрической подстанции промышленного предприятия, содержащего мощные резкопеременные нагрузки типа дуговых сталеплавильных печей (ДСП), приводов прокатных станов и т.п., обеспечивает снижение колебаний напряжения, фильтрацию высших гармоник и стабилизацию напряжения на шинах нагрузки, что повышает производительность оборудования и снижает вредное влияние подобных нагрузок на работу бытовых потребителей электроэнергии: освещения, радио- и телеаппаратуры, электронно-вычислительной техники и других. Компенсация среднего значения реактивной мощности нагрузки уменьшает потери на передачу электроэнергии от центров ее генерирования к потребителям. Применение СТК в энергосистемах позволяет повысить устойчивость и пропускную способность линий электропередач, стабилизировать напряжение на шинах подстанции, снизить уровень внутренних перенапряжений, а также уменьшить потери электроэнергии в ЛЭП и оборудовании подстанций.Выполняемые функции СТК для линий электропередач:

стабилизация напряжения на шинах подстанции;

снижение отклонений напряжения при больших возмущениях в системе;

регулирование реактивной мощности;

симметрирование нагрузки;

демпфирование колебаний активной мощности в линии;

снижение внутренних перенапряжений (при подключении СТК непосредственно к линии электропередачи).В результате:

повышается статическая и динамическая устойчивость передачи;

увеличивается передаточная способность электропередачи из-за улучшения устойчивости при большой передаваемой мощности и разгрузки линий от реактивной мощности. Таким образом, по аналогии с охраной окружающей среды, СТК являются своего рода «очистными системами» для энергетической среды, восстанавливая качество электроэнергии, испорченное потребителями, и снижая активные потери на передачу электроэнергии. Бурный рост применения СТК в мире объясняется, в первую очередь, его высокой эффективностью - сроки окупаемости составляют 1-2 года.

3.2 СТК для сетей СВН

Применение СТК на передачах класса напряжения 500-750 кВ носят исключительно системный характер и по ряду особенностей существенно отличаются от СТК сетей 110-330 кВ. Основная функция таких СТК - регулирование реактивной мощности в зависимости от передаваемой по линии активной мощности. Требуемая на конце участка линии реактивная мощность Qтреб определяется известным соотношением:

треб= Q_с∙ [(P/P_нат) [2- 1],

где Q_с- зарядная мощность участка линии;

Р - активная мощность, передаваемая поэтому участку;_нат- натуральная мощность линии.

На рис. 2-б приведен график этой зависимости.

Рис. 2-б

Традиционным способом регулирования реактивной мощности в линии является совместное использование шунтирующих реакторов (ШР) и синхронных компенсаторов (СК).Типовая схема подстанции СВН приведена на рис. 2-а. Шунтирующие реакторы выполняются на класс напряжения линии и подключаются непосредственно к ней для обеспечения компенсации зарядной мощности линии и снижения напряжения при включении участка в режиме холостого хода. СК подключается на третичную обмотку подстанционного автотрансформатора или через специальный трансформатор на шины ВН подстанции. По мере увеличения передаваемой по линии активной мощности требуется компенсировать часть реактивной мощности, потребляемой ШР, что обеспечивается путем выдачи реактивной мощности синхронным компенсатором.

Т.е. реакторы потребляют реактивную мощность, а СК ее выдает. При приближении передаваемой по линии мощности к натуральной значительно возрастают потери электроэнергии в средствах компенсации. Если на каждой стороне подстанции установлено 2 и более ШР, мощность СК можно уменьшить и регулирование реактивной мощности будет иметь плавно ступенчатый характер за счет отключения части ШР (на рис.2-б показано пунктиром),при этом снижаются и потери. Однако в этом случае возникают проблемы с быстрым подключением отключенных ШР при возникновении перенапряжений на линии. При использовании СТК вместо СК для такого принципа компенсации реактивной мощности линии схема СТК и его функции близки к рассмотренным выше. Диапазон его регулирования, согласно рис. 2, смещен в сторону выдачи реактивной мощности. Например, СТК для линий 765 кВ (Гидро-Квебек, Канада) имеют мощность ТРГ 550 Мвар, а мощность ФКЦ 450 Мвар, т.е. диапазон его регулирования составляет от -100 до +450 Мвар. Другое дело, когда точка подключения

СТК переносится непосредственно на линию (рис. 3). В этом случае он может выполнять функции шунтирующего реактора - компенсации зарядной мощности участка линии и снижения внутренних перенапряжений. Алгоритм работы СТК следующий: перед включением линии ФКЦ отключены, СТК находится в состоянии готовности. При появлении напряжения на приемном конце линии в этот же полупериод частоты сети ТРГ включается в режиме непрерывного тока, т.е. с полной индуктивной проводимостью. После окончания переходного режима включения линии СТК переводится в режим регулирования напряжения на линии, подключая ФКЦ по мере роста передаваемой мощности.

Для подтверждения возможности выполнения СТК функции шунтирующего реактора в ВЭИ проводились специальные исследования на физической модели длинной линии переменного тока и СТК в виде одной ТРГ, подключенной на ее приемном конце [2]. Была разработана специальная система управления, которая обеспечила работу ТРГ в режиме непрерывного тока с момента появления напряжения на приемном конце линии. В работе было экспериментально доказано, что ТРГ может выполнять функции шунтирующего реактора при соответствующем управлении тиристорами. Недостаток подключения СТК непосредственно к линии заключается в необходимости периодической коммутации ФКЦ.

Один из вариантов решения этой проблемы - перенос конденсаторов с шин НН трансформатора СТК на шины подстанции (на рис. 3 показано пунктиром), так как при включении холостой линии конденсаторная мощность не требуется.

Рис. 3 Подстанция СВН с СТК

При этом необходимо принять меры для снижения уровня высших гармоник в токе СТК - применять 12-пульсную схему ТРГ или секционировать ТРГ с использованием принципа плавно-ступенчатого регулирования. Схема подобного системного СТК может быть оптимизирована за счет применения шунтирующего реактора трансформаторного типа (УШРТ) с тиристорным управлением [3, 4], представляющего собой трансформатор с сетевой обмоткой (СО), выполненной на класс напряжения сети, и вторичной обмоткой управления (ОУ), имеющей 100 % магнитную связь с обмоткой СО. В настоящее время компания «АО Ансальдо-ВЭИ» участвует в изготовлении и поставке двух СТК мощностью 60 Мвар для сетей 220 кВ компании ENE-E.P. (Республика Ангола). Эти СТК выполнены на базе УШРТ, подключаемого непосредственно к линии электропередачи 220 кВ (рис. 4), и предназначены для разгрузки линии от реактивной мощности и поддержания напряжения на шинах 220 кВ.

Рис 4 Схема УШРТ 220КВ СО М8АР

Применение УШРТ, объединяющего в себе и трансформатор, и компенсирующий реактор, позволило существенно снизить габариты, стоимость и потери в СТК.

4. Линии электропередачи схемы выдачи мощности

Для сети 110 кВ и выше - достаточность пропускной способности ЛЭП, исходя из натуральной мощности линий, значений коэффициента К=1,4 для ВЛ 110(157) кВ, К=1,2 для ВЛ 220 кВ и К=1 для ВЛ 330 кВ и выше, ограничения наибольшей допустимой длины ЛЭП, представленных в табл. 2.

Таблица 2 Натуральная мощность и наибольшая допустимая длина ВЛ

Для ЛЭП, сооружаемых в габаритах следующего класса напряжения, допускается соответствующее увеличение наибольшей допустимой длины.

В случае применения в схеме выдачи мощности КЛ, для класса напряжения 110-330 кВ данные, по натуральной мощности, представленные в табл. 2, умножаются на поправочный коэффициент 2, а для класса напряжения 500 кВ на поправочный коэффициент 1,25. При этом допустимая длина КЛ для класса напряжения 110-500 кВ не должна превышать 10 км. Для класса напряжения 750 кВ КЛ не применяются.

Заключение

Отклонение передаваемой мощности от натуральной связано с генерацией или потреблением линией реактивной мощности, которую необходимо компенсировать. Для компенсации зарядной мощности линий (реактивной мощности линий в режиме их холостого хода) используются шунтирующие реакторы, подключаемые непосредственно к проводам линий. Таким путем исключается возможность повышения напряжения на линиях. Однако наличие шунтирующих реакторов создает значительную дополнительную нагрузку линий в режиме максимальных нагрузок, сравнимую с полезной нагрузкой, что ограничивает пропускную способность линий. Для повышения пропускной способности линий с шунтирующими реакторами к шинам подстанций (через силовые трансформаторы) подключаются источники реактивной мощности (синхронные компенсаторы, статические тиристорные компенсаторы, коммутируемые батареи конденсаторов), компенсирующие шунтирующие реакторы в нагрузочном режиме работы линий.

В результате осуществляется двойная компенсация зарядной мощности линий: нерегулируемыми шунтирующими реакторами и регулируемыми источниками реактивной мощности. Для повышения пропускной способности линий с шунтирующими реакторами используются также установки продольной емкостной компенсации индуктивного сопротивления линий. Поскольку удельная стоимость источников реактивной мощности в несколько раз больше, чем шунтирующих реакторов такой способ двойной компенсации зарядной мощности линий приводит к значительному удорожанию электропередач и усложнению их эксплуатации. Применение регулируемых (управляемых) шунтирующих реакторов позволяет избежать такой двойной компенсации зарядной мощности линий, поскольку ток в таких реакторах автоматически изменяется от номинального в режиме холостого хода линии до нуля при передаче по линии мощности, близкой к натуральной.

Поэтому такой способ компенсации зарядной мощности линий наиболее экономичен и технически наиболее совершенен. Для линий высокого напряжения широко практикуется перегрузка по отношению к их натуральной мощности. Как указывалось выше, такая перегрузка приводит к потреблению линиями реактивной мощности в значительных масштабах. Такая практика также определяет необходимость широкомасштабного использования источников реактивной мощности (ИРМ) для компенсации реактивной мощности перегруженных линий. Кроме того, при передаче по линиям мощности свыше натуральной резко возрастают потери мощности в проводах линий. Альтернативой передачи мощности сверх натуральной мощности линий является повышение их натуральной мощности конструктивным путем.

Дело в том, что вплоть до настоящего времени во всем мире строятся и эксплуатируются линии минимальной натуральной мощности, хотя достаточно простой и дешевый способ повышения натуральной мощности линий конструктивным путем уже давно (более 20 лет) известен и апробирован на практике (в России, Китае, Бразилии и др.). Широкое применение линий повышенной натуральной мощности позволит отказаться от применения источников реактивной мощности и в этих целях, что приведет к значительному снижению стоимости передачи электроэнергии и потерь мощности в электрических сетях. Такое изменение технологии передачи электроэнергии также значительно повысит надежность работы электроэнергетических систем.

Список литературы

1.   ОАО РАО ЕЭС России, стандарт организации;

2.      Г.Н. Александров, Передача электрической энергии,2-е издание, С. - П., 2009, 408 с;

.        Чуприков В.С., Компенсация реактивной мощности - ключ к повышению передаточной способности электрических сетей, №4, 2008, 24с.