Исследование установившихся электромагнитных процессов в двухпроводных линиях электропередачи

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТАНОВИВШИХСЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В ДВУХПРОВОДНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

В мощных линиях передачи электрической энергии на большие расстояния, в телефонных и телеграфных линиях, в антеннах радиотехнических устройств и других аналогичных установках, линейные размеры которых соизмеримы с длинной волны электромагнитного колебательного процесса, все изменения и превращения энергии электромагнитного поля распределены вдоль всей линии.

Параметры линии зависят от типа линии (воздушная, кабельная), геометрических размеров и расположения её проводов, их материала и частоты приложенного напряжения.

Согласно данным, опубликованным на сайте министерства энергетики РФ [1], потребление электроэнергии в целом по России в 2015 году составило 1036,4 млрд. кВт*ч. Очевидно, что спрос на эксплуатирование ЛЭП колоссальный. В журнале [2] приведены следующие статистические данные: «Более 20% (по протяженности) воздушных линий электропередачи напряжением 220−500 кВ эксплуатируется свыше 40 лет, 67% - свыше 25 лет.» (на территории РФ). Не трудно догадаться, что значительная протяженность ЛЭП требует проведения реконструкции, следовательно, встаёт ряд вопросов, связанных с проведением данного мероприятия. К примеру, выбор оборудования, которое придёт на смену старому. В нашем мире нет ничего совершенного и, следовательно, есть объекты, подлежащие совершенствованию, ЛЭП не являются исключением. Очевидно, что новое оборудование должно превосходить старое по качественным показателям, так же не трудно догадаться, что вслепую этого превосходства не добиться никак. Продуктивная модернизация достигается за счёт проведения исследований, по результатам которых анализируются показатели качества и эффективности того или иного оборудования, а также разрабатываются пути совершенствования этих качеств.

Детальным образом достоинства и недостатки устройств одними только практическими исследованиями не выявить. Досконально выявить их можно путём проведения исследований физических процессов, протекающих в этих устройствах. В наше время физические процессы, протекающие в электроустановках, описаны в мельчайших подробностях, следовательно, остаётся только грамотно использовать эти знания в совокупности с использованием современных технологий. В связи с тем, что человечество не лишено этих технологий (в частности компьютерных) в первую очередь моделирование определённых процессов при проведении исследований осуществляется в виртуальном виде, а уже затем в реальном. Данная логическая цепочка послужила основой для выбора темы исследования.

Как говорилось ранее, необходимость в передаче электроэнергии огромная, так же отмечено то, что колоссальный объём устройств для передачи этой электроэнергии отслужил свой срок и требует замены, что подчёркивает необходимость проведения исследований в данной области. Эта необходимость существует сегодня, значит она является актуальной, как и выбранная область и тема исследования.

Для исследования процессов передачи электромагнитной энергии в двухпроводной линии необходимо создать математическую модель, которая позволяла бы устанавливать связь между величинами на входе и выходе такой линии. Прежде чем приступить к созданию такой математической модели, необходимо исследовать физическую модель двухпроводной линии, представленной на рисунке 1.

Рисунок 1 — Физическая модель двухпроводной линии.

Модель состоит из шестнадцати четырехполюсников. Суммарная емкость каждого четырехполюсника С0=0,015 мкФ, активное сопротивление провода индуктивной катушки r0=9 Ом, индуктивность L=4 мГн. Электрическая схема двухпроводной линии приведена на рисунке 2.

Источником синусоидального напряжения служит генератор сигналов ГЗ-123, позволяющий изменять частоту питающего напряжения в диапазоне частот от 10 Гц до 200 кГц. При изменении частоты питающего напряжения можно добиться изменения длины волны, так как, где. Здесь v — фазовая скорость распространения волны вдоль линии.

При подготовке к выполнению эксперимента были определены следующие величины: волновое (характеристическое) сопротивление, коэффициент фазы для одного звена цепочки линии на частоте f=10 кГц, параметры (длина l, волновое сопротивление ZB и коэффициент фазы в) линии, эквивалентной одному четырёхполюснику и длину линии, эквивалентной цепочке из 16 звеньев.

При расчётах были приняты следующие допущения: фазовая скорость волны принимается равной скорости света, так как линия относится к воздушным и пренебрегли величиной r0, так как .

Экспериментально были определены распределения действующего значения напряжения цепочки в режимах холостого хода — конец линии разомкнут,; , короткого замыкания — линия замкнута на её конце —; и при согласованной нагрузке — однородная линия в конце замкнута на нагрузку, сопротивление которой равно характеристическому (волновому) сопротивлению линии (), рисунок 3.1−3.3.

Напряжения в узловых точках схемы замещения, соответствующие точкам по длине линии, измерялись электронным вольтметром. Проведенные опыты были подтверждены расчетами в системе Mathcad.

Рисунок 3.1 — Распределения действующего значения напряжения при холостом ходе.

Рисунок 3.2 — Распределения действующего значения напряжения в режиме короткого замыкания.

Рисунок 3.3 — Распределения действующего значения напряжения в режиме согласованной нагрузки.

Условия отражения волны от конца линии, а, следовательно, и распределение напряжения и тока вдоль линии, зависят от того, в каком режиме работает линия, то есть на какое сопротивление замкнута линия на конце. электрический двухпроводный холостой напряжение В режимах холостого хода и короткого замыкания, как известно из [3], имеет место наложение двух незатухающих бегущих волн с одинаковыми амплитудами, то есть, образуются стоячие волны, что и было подтверждено экспериментально.

В согласованном режиме напряжение и ток падающей волны по мере передвижения от начала к концу линии монотонно убывают по величине (вследствие потерь), одновременно с этим у них будет изменяться фаза в сторону отставания.

Проведенные эксперименты позволяют использовать вышеописанную физическую модель двухпроводной линии в качестве образца для определения истинности её математического аналога.

1. Потребление электроэнергии в ЕЭС России в 2015 году уменьшилось на 0,5% по сравнению с 2014 годом [Электронный ресурс]: Министерство энергетики, 2016.

Официальный сайт Министерства энергетики Российской Федерации.;

URL: http://minenergo.gov.ru/node/3851 (дата обращения: 30.10.2016).

2. Лебедева Ю. В., Шевченко Н. Ю., Бахтиаров К. Н. Техническое состояние электрических сетей России и перспективы их развития // Современные проблемы науки и образования. — 2013.-№ 4.;

URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=9808 (дата обращения: 30.10.2016).

3. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: Учебник. — 10-е изд. — М.: Гардарики, 2002. — 638 с.