В статье рассмотрены вопросы проектирования и применения компактных управляемых электропередач повышенной натуральной мощности с установкой в них управляемых шунтирующих реакторов и фазоповоротных трансформаторов.
В условиях ежегодного роста электропотребления ( годовой максимум 2014 г. – 13586 МВт, что на 487 МВт больше, чем в 2013 г.) и, соответственно, увеличения перетоков мощности по системообразующим ЛЭП сверхвысокого (СВН - 330 кВ и выше) напряжения и распределительным сетям высокого (ВН - 110-220 кВ) напряжения одними из задач, требующими своего решения, являются:
- необходимость значительного увеличения натуральной мощности вновь сооружаемых ЛЭП ВН и СВН ., по сравнению с традиционных ВЛ на базе унифицированных опор, которые экспертами оцениваются как ЛЭП с минимальной пропускной способностью;
- применение автоматического регулирования уровней напряжения электропередач для обеспечения режимов передачи по ним искусственной натуральной мощности в условиях нерегулярных колебаний величин перетоков мощности по ЛЭП;
- адаптация сетей ВН и СВН из пассивных элементов энергосистем в активные с помощью устройств FACTS (Flexible Alternative Current Transmission System);
- принудительное перераспределение потоков мощности в сложно- замкнутых сетях энергосистем в целях оптимизации режимов работы электропередач и снижения потерь электроэнергии.
Реализация указанных целей требует создания электропередач повышенной в 2,5-3,0 раза и более натуральной мощности в сочетании с устройствами FACTS, а именно:
- компактных ВЛ ВН и СВН;
- устройств управления FACTS (фазоповоротных трансформаторов - ФПТ, управляемых шунтирующих реакторов - УШР, статических тиристорных компенсаторов - СТАТКОМ и т.п.).
Ниже рассмотрены аспекты создания конструкций компактных ВЛ повышенной натуральной мощности и применения устройств FACTS.
1 Конструкции компактных ВЛ на примере ЛЭП-110 и 220 кВ
Традиционные для стран СНГ конструкции ВЛ ВН и СВН на базе унифицированных опор представляют собой ЛЭП минимальной натуральной мощности (Рнат min) вследствие следующих причин:
- для исключения схлестывания проводов при ветровых нагрузках и их пляске были значительно увеличены расстояния между фазами ВЛ ВН и СВН, даже по сравнению с нормами ПУЭ;
- при сооружении ВЛ-110 и 220 кВ использовались одиночные провода в фазах;
- конструктивное исполнение ВЛ-330 кВ и выше преследовало лишь цель минимизации размеров фаз по условиям коронного разряда, что привело к ошибочному положению о необходимости фиксации расстояний d между составляющими проводами расщепленных фаз.
Рассмотрим возможности повышения натуральной мощности компактных ВЛ (далее – КВЛ) с использованием известных соотношений для величин Р нат. и Zв [1].
Для конструкций двухцепных (на одной опоре) КВЛ-110 и 220 кВ примем следующее значение стрелы провеса при длинах габаритных пролетов ЛЭП:
:
110 кВ - =150-180 м, = 6-7 м;
220 кВ - =200-250 м, = 7-8 м.
Рассмотрим возможное уменьшение поперечных размеров ВЛ 110 и 220 кВ при жесткой фиксации с помощью междуфазных изолирующих распорок, выпускаемых, например, компанией ИНСТА (РФ), и расщеплении фаз на 3 составляющих провода 3хАС-150 с увеличением расстояния между составляющими проводами в фазе до d110=0,6 м и d220= 1,0 м [2].
Кроме того, предусмотрим исключение заземленных частей опор
(стойки и металлические траверсы) из межфазного пространства на базе использования изолирующих траверс консольного типа (рисунок 1). Указанное определяет в качестве основного требования ПУЭ – требование к наименьшим изоляционным расстояниям между фазами по грозовым перенапряжениям [3].
Параметры двухцепной КВЛ-110 кВ с расщепленными на n=3хАС-150 фазами:
- расстояния между центрами симметрии расщепленных фаз D = 2,0 м;
- расстояния между составляющими проводами в фазе d = 0,6 м;
- эквивалентный радиус расщепленных на 3хАС-120 фаз r
ЭКВ
= 0,112 м;
- волновое сопротивление КВЛ-110 кВ на цепь Z
В
- натуральная мощность КВЛ-110 кВ на две цепи Р
= 170 Ом;
= 2х75 МВт.
НАТ
Рисунок1 - Конструкция двухцепной КВЛ-110 кВ.
2 Компактные управляемые электропередачи переменного тока
В последние годы значительное внимание за рубежом и в странах СНГ уделяется созданию активно-адаптивных электропередач переменного тока на базе применения устройств FACTS (управляемые шунтирующие реакторы
- УШР, статические тиристорные компенсаторы – СТАТКОМ) и фазоповоротных трансформаторов - ФПТ и др.
Так, применение в составе КВЛ УШР и ФПТ обеспечивает следующие возможности:
- установка УШР в промежуточных точках КВЛ значительно увеличивает дальность электропередачи, например, на напряжении 110 и 220 кВ (500 км и более) при сохранении режима передачи искусственной натуральной мощности в широком диапазоне нерегулярных колебаний величин передаваемой мощности ;
- установка ФПТ способствует экономически целесообразному перераспределению потоков мощности в условиях наличия ряда параллельных данной КВЛ неоднородных по погонным параметрам и номинальному напряжению ВЛ.
2.1 Возможности дальней электропередачи искусственной натуральной мощности по управляемым КВЛ
Передача значительных по величине потоков мощности по ВЛ ВН и СВН весьма актуальна.
В расчетах режимов работы дальних электропередач ВН напряжением 110-220 кВ (500 км и более) и СВН напряжением 330-750 кВ и выше (1000- 1500 км и более) необходимо учитывать волновой характер распространения электромагнитного поля вдоль ВЛ, т.е. в этих ситуациях протяженные ВЛ ВН и СВН рассматриваются как объекты с распределенными параметрами с учетом их волновой длины .
Идея повышения дальности передаваемой по ВЛ мощности путем поддержания напряжения в промежуточных точках ЛЭП за счет регулирования потребления/генерации реактивной мощности с помощью управляемых компенсаторов (УШР, СК и т.п.) в этих точках рассматривалась в ряде работ, например, [4].
Известно, что, когда эквивалентное активное сопротивление нагрузки равно волновому сопротивлению ЛЭП, коэффициент отражения волны напряжения от конца ЛЭП равен нулю. Следовательно, при этом отраженные волны напряжения в ЛЭП отсутствуют.
Для режимов работы традиционных ВЛ, как правило, имеет место соотношение , следовательно, появление отраженных волн напряжения приводит к нарушению баланса магнитного и электрического поля линии.
Так, при (х.х. или малая загрузка ВЛ) мощность электрического поля линии больше мощности магнитного поля, что приводит к появлению реактивной мощности линии, которая имеет положительный знак, т.е. ЛЭП генерирует реактивную мощность.
Если (переток мощности , реактивная мощность линии имеет отрицательный знак, т.е. ЛЭП потребляет реактивную мощность.
Очевидно, что реактивный ток как генерации, так и потребления создает в ЛЭП значительные отклонения напряжения от номинального значения и обуславливает дополнительные потери электроэнергии.
Нетрудно показать, что при нерегулярных колебаниях величины перетока мощности по ЛЭП для поддержания баланса электрического и магнитного поля необходимо:
- изменение рабочей емкости ЛЭП путем подключения ряда УШР вдоль ЛЭП;
- изменение волнового сопротивления ЛЭП, что может быть реализовано путем установки управляемой продольной емкостной компенсации (УПК).
Возможности дальней передачи искусственной натуральной мощности по ВЛ ВН и СВН при установке ряда УШР в промежуточных точках дальней электропередачи рассмотрены в [5].
Рисунок 2 - Схема распределения УШР вдоль дальней электропередачи При этом для передаваемой по КВЛ активной мощности будут
справедливы соотношения:
или в системе о.е. . (1)
Очевидно, что максимальное значение искусственной натуральной мощности, передаваемой по КВЛ , достигается
при угле и это значение в системе о.е., где за базисную мощность принято , составит:
. (2)
Номинальная мощность единичных УШР, установленных в промежуточных точках дальней КВЛ, составляет
. (3)
Например, при волновой длине КВЛ-110 кВ и числе участков относительная величина мощности единичного УШР, необходимой для передачи , равна:
.
Общая мощность УШР в о.е. на трех участках составит Очевидно, что мощность перетока при ее изменении в диапазоне
и регулирования УШР по закону:
, (4)
можно передавать по КВЛ на сколь угодно большие расстояния при увеличении числа участков КВЛ, вплоть до предельного значения
В [4] приведены параметры КВЛ для линий напряжением 220-750 кВ при минимально допустимых по ПУЭ межфазных изоляционных расстояниях по грозовым перенапряжениям и глубоком расщеплении фаз на n составляющих проводов.
Таблица 1 - Волновые сопротивления и натуральные мощности КВЛ-220-750 кВ
, кВ |
220 |
330 |
500 |
750 |
||||
|
, Ом |
, МВт |
, Ом |
, МВт |
, Ом |
, МВт |
, Ом |
, МВт |
1 |
387 |
125 |
|
|
|
|
|
|
2 |
242 |
200 |
300 |
360 |
|
|
|
|
3 |
160 |
300 |
200 |
540 |
278 |
900 |
|
|
4 |
|
|
150 |
720 |
210 |
1200 |
|
|
5 |
|
|
|
|
170 |
1500 |
260 |
2160 |
6 |
|
|
|
|
140 |
1800 |
220 |
2560 |
7 |
|
|
|
|
120 |
2100 |
185 |
3040 |
На рисунке 3 а и б представлены трехфазный УШР-500 кВ, установленный на ПС «Агадырь», и КВЛ-500 кВ с величиной на базе опоры «охватывающего» типа и расщепления фаз на 6 составляющих проводов.
а) УШР на ПС «Агадырь; б) КВЛ-500 кВ (КНР).
Рисунок 3
2.2 Фазовое управление углом вектора напряжения КВЛ как средство принудительного перераспределения потоков мощности по
сетям ВН и СВН
Для пояснения принципов принудительного распределения потоков мощности рассмотрим простейшую схему замещения участка электропередачи (рисунок 4), содержащего КВЛ с фазоповоротным трансформатором (ФПТ).
U1 - модуль напряжения в начале КВЛ;
U 2 - модуль напряжения в конце КВЛ с ФПТ;
j - угол поворота ФПТ,
d - угол между векторами напряжения U1
вещественной осью) и вектором U 2 .
(совмещенного с
Рисунок 4 - Схема замещения участка электропередачи с ФПТ
Записав уравнения связи токов и напряжений и подставив их в уравнение для полной мощности, можно получить формулу угловой характеристики мощности для цепи, содержащей ФПТ:
P = U1 ×U 2 × sin(j + d ).
xВЛ
Если в данную формулу подставить
j = 0 , то получим обычное
выражение для т.н. угловой характеристики мощности электропередачи.
На рисунке 5 представлена схема электрических соединений ФПТ, установленного на ПС «Ульке» [5], первой в СНГ управляемой электропередачи 500 кВ переменного тока.
Рисунок 5 - Схема эдектрических соединений ФПТ
Далее рассмотрим схему замещения участка КВЛ с фазоповоротным трансформатором, отличающуюся от схемы по рисунку 4 наличием ряда неоднородных параллельных (шунтирующих данную КВЛ) линий электропередачи.
Потоки мощностей по ветвям схемы по рисунку 6 выражаются следующими формулами:
|
P = U1 ×U2 × sin(j + d ),
(5)
x1
U ×U
P2 = 1
x2
2 × sin( d ). (6)
Напомним, что угол d - это угол между векторами напряжений
U1 и U 2 .
Рисунок 6 - Схема замещения управляемой ВЛ-500 кВ ПС Жетыкара - ПС Ульке с ФПТ и параллельных ей трех ВЛ в габаритах 500 и 220 кв на
территории РФ
3 Применение двухцепных КВЛ-110 кВ для электрификации
железных дорог
Правительство РК на ближайшую перспективу ставит задачу увеличения транзитного потенциала Казахстана. В связи с этим, потребуется перевод протяженных участков ж/д дорог Казахстана с тепловозной тяги на электротягу для повышения скорости грузоперевозок и веса ж/д составов до 5000-7000 тонн.
Схемы электрификации ж/д Казахстана используют протяженные ВЛ- 220 кВ традиционного исполнения общей длиной данных ВЛ-220 кВ 400-500 км, т.к. допустимая потеря напряжения при указанной протяженности ВЛ- 220 кВ не должна превышать ΔUдоп. ≤ 15% при передаче необходимой, даже при весьма плотном трафике грузоперевозок, мощности электротяги .
В практике АО «Казахстан Темир Жолы» (далее – КТЖ) на первом этапе эксплуатации ж/д с использованием тепловозной тяги, ввиду малых нагрузок ж/д станций и разъездов (в общей сумме – не более 12-15 МВт), для питания нагрузок ж/д станций и разъездов сооружаются традиционные ВЛ-110 кВ ( ).
На втором этапе с ростом плотности трафика грузоперевозок КТЖ для перевода ж/д на электротягу сооружают традиционные ВЛ-220 кВ ( ), а также тяговые ПС-220/50 кВ и контактную сеть 2х25 кВ. При этом прилегающие к ж/д малонаселенные территории получают возможность питания от тяговых ПС.
Вместе с тем, в практике российских ж/д с успехом применяют электрификацию участков ж/д с использованием традиционных ВЛ-110 и тяговых ПС-110/50 кВ (рисунок 7), что значительно снижает капитальные затраты на внешнее электроснабжение ж/д.
Внедрение в практику КТЖ разработанных авторами конструкций двухцепных компактных ВЛ-110 кВ повышенной натуральной мощности,
для электрификации протяженных
участков ж/д Казахстана обеспечит:
- снижение капитальных вложений на сооружение питающей сети электрифицируемых участков ж/д на 40%, ввиду отказа от строительства ВЛ-
220 кВ и снижение затрат на сооружение тяговых ПС-110/50 кВ, по сравнению с аналогичными тяговыми ПС-220/50 кВ;
- при этом, единовременное сооружение КВЛ-110 кВ обеспечивает эксплуатацию грузоперевозок по ж/д как на первом (тепловозная тяга), так и на втором этапе (перевод на электротягу);
- сооружение двухцепной КВЛ-110 кВ
с уже на первом этапе развития ж/д
обеспечит электрификацию не только нагрузок станций и разъездов, но и
прилегающих к ж/д малонаселенных территорий с суммарной нагрузкой, как минимум, Рнагр.= 80 МВт;
- на втором этапе эксплуатации для перевода на электротягу участков ж/д реализуется подключение тяговых подстанций ПС-110/50 кВ с расстояниями между ними 80-90 км к КВЛ-110 кВ, а общая длина электрифицируемого участка ж/д составляет 500 км и более.
Рисунок 7
Установка УШР на тяговых ПС-110/50 кВ обеспечит передачу по двухцепной КВЛ-110 кВ мощности величиной до в диапазоне на перегонах при движении грузовых и скоростных (скорость - пассажирских составов с учетом электропотребления прилегающих к ж/д районов (Рнагр.=80-90 МВт).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- 1 Под ред. проф. Г.Н. Александрова Новые средства передачи электроэнергии в энергосистемах. – Л.: изд-во ЛГУ, 1987 г.
- 2 Утегулов А.Н., Утегулов Н.И. Повышение пропускной способности сетей 110 и 220 кВ на базе строительства компактных ВЛ – Сб. докладов научно-практической конференции с международным участием ЛЭП-2012. Новосибирск, 2012 г.
- Правила устройства электроустановок. – 7-е изд. – М. Изд-во НЦ ЭНАС,
- Александров Г.Н. Передача электрической энергии. СПбГПУ, 2007, 412 р.
- Евдокунин Г.А. Электрические системы и сети. – изд-во С-Пб ГУ,2011, 286 с.
- Евдокунин Г., Николаев Р., Утегулов Н., и др. Фазоповоротный трансформатор. Впервые применен в Казахстане. – С-Пб, ж-л Новости электротехники, № 6 (48),