Основы энергосбережения

1. Оптимизация расположения проводов в пространстве

Неравномерность распределения напряженности поля по поверхности составляющих расщепленного провода согласно следующей формуле:

где — коэффициент неравномерности, учитывающий неравномерность напряженности поля по каждому составляющему проводу фазы, по составляющим фазы и по фазам.

Определяется различием емкостей крайних и средней фазы трехфазной линии (), неравномерностью распределения зарядов по составляющим каждой фазы () и неравномерностью распределения напряженности поля по поверхности составляющих (). Величина может быть вычислена по формуле

(1.1)

где — максимальная рабочая емкость линии;

(j> 1, 2, 3) — рабочие емкости фаз линии.

Коэффициент при расположении составляющих проводов по окружности может быть определен исходя из представления об эквивалентном расщепленному одиночном проводе с радиусом, определяемым по формуле:

Для двух таких проводов с расстоянием между их осями D₀ заряд на составляющих может быть определен в соответствии с формулой:

(1.2)

где q— суммарный заряд на рассматриваемом расщепленном проводе;

q_вп— суммарный заряд соседнего провода с соответствующим знаком;

— угол, отсчитываемый от произвольно выбранного основного направления до направления на ось i-ro составляющего;

— угол, отсчитываемый от того же основного направления до направления на ось влияющего расщепленного провода (рис. 1.26).

Для двух одинаковых и противоположно заряженных расщепленных проводов в соответствии с формулой (1.2) отношение максимального заряда на составляющем (при) к среднему q/n равно:

(1.3)

При увеличении числа составляющих расщепленного провода значение приближается к единице. Поэтому при увеличении числа составляющих п и отношения r_p/D₀ увеличивается. Очень важно проследить за изменением результирующего коэффициента неравномерности:

(1.4)

где определяется при изменении радиуса расщепления проводов и междуфазового расстояния.

Для двухпроводной линии поэтому без учета влияния земли:

(1.5)

При одинаковом расстоянии до земли трех фаз получаем для крайних проводов:

(1.6)

и для средней фазы:

(1.7)

Рисунок 1 — К вычислению коэффициента неравномерности распределения зарядов по составляющим фазы на примере двух соседних расщепленных проводов

Вычисленные по формулам (1.5), (1.6) и (1.7) при учете коэффициенты неравномерности и и их произведение показаны на рисунке 1.2. Как видно, при увеличении числа составляющих п коэффициент проходит через минимум и при дальнейшем увеличении п быстро возрастает, достигая чрезвычайно высоких значений, совершенно неприемлемых для создания воздушных линий.

Рисунок 2 — Зависимости коэффициента неравномерности распределения напряженности поля по составляющим расщепленных проводов ВЛ 500 кВ от числа составляющих в фазе: 1, 2 —, 3-, 4, 5 — м (кривые 1,4), при м (кривые 2,3,5)

При одинаковых радиусах расщепления проводов круглых фаз (при одинаковых размерах фаз) на трехфазных линиях с одинаковым расстоянием от проводов до земли заряды и соответственно максимальная напряженность на поверхности составляющих крайних фаз меньше, чем на поверхности средней фазы из-за различия рабочих емкостей крайних и средней фаз, что определяет величину. При одинаковой высоте подвески всех трех фаз выравнивание рабочих емкостей трехфазной линии может быть достигнуто путем увеличения размеров крайних фаз по сравнению с размером средней фазы.

(1.8)

Это отношения для круглых фаз является одним инвариантом, определяющим оптимальное использование поверхности проводов. Поскольку при увеличении номинального напряжения и сокращении междуфазовых расстояний увеличивается, число составляющих, соответствующее максимуму может изменяться в широких пределах. Так, например, для ВЛ 500 кВ при междуфазовом расстоянии 12 м. Соответственно максимальное значение достигается при = 4. При минимальном изоляционном расстоянии D = 4 м минимальное число составляющих увеличивается до пяти. Соответственно максимум в круглой фазе соответствует числу составляющих = 6.

Неравномерность распределения зарядов по составляющим расщепленных проводов определяет и неравномерность распределения токов по ним в соответствии с формулой:

где — скорость распространения электромагнитной волны вдоль линии Поэтому выравнивание распределения зарядов по составляющим приведет не только к уменьшению коэффициента неравномерности и, следовательно, к увеличению натуральной мощности линии, но и к уменьшению потерь энергии за счет выравнивания распределения токов по составляющим фаз.

Такое выравнивание распределения зарядов и токов по составляющим может быть произведено путем деформации поверхности расположения проводов фазы и оптимизации распределения составляющих в ней. Исходя из изложенного в качестве критерия оптимизации расположения составляющих расщепленных проводов в пространстве следует принять выравнивание максимальной напряженности на составляющих.

Результаты выполненной оптимизации для В Л 500 кВ с проводом 7АС 240/56 при м иллюстрируются на рисунке 3.

Рисунок 3 — Расположение проводов ВЛ 500кВ компактного исполнения: О — круглые фазы, * - элипсообразные фазы

Оптимизированное расположение проводов фаз существенно отлично от исходного (по окружности). Для средней фазы оптимальное расположение проводов близко к эллиптическому, а для крайних — к отсеченным с внешних сторон эллипсам. Как видно из рисунка 3, в результате оптимизации расположения проводов существенно выравнивается распределение зарядов по составляющим фазы (цифры на рисунке соответствуют заряду на составляющих, отнесенному к предельному заряду одиночного провода). При таком расположении проводов коэффициент в отличие от для круглых фаз. На практике это означает, что натуральная мощность ВЛ с оптимизированным расположением фаз может быть увеличена на 13% по сравнению с круглыми фазами.

Одновременно получен другой существенный результат: горизонтальный габарит линии, измеренный между крайними составляющими линии, сократился на 3 м при увеличении вертикального габарита на 1,4 м. Такое сокращение объема, занимаемого линией, позволяет значительно сократить размеры и соответственно массу опор, что определяет дополнительное преимущество ВЛ с оптимизированными фазами.

Для ВЛ с эллипсообразными фазами коэффициент использования монотонно увеличивается при увеличении числа составляющих в фазе, достигая чрезвычайно высоких значений, что позволяет значительно увеличить натуральную мощность линий по сравнению с ВЛ с круглыми фазами, приближая ее к предельной натуральной мощности ВЛ. Это последнее понятие (предельная натуральная мощность), при т. е. при полном использовании поверхности проводов:

(1.9)

Таким образом, предельная натуральная мощность определяется рабочим напряжением, радиусом провода и числом составляющих в фазе. При заданных и предельная натуральная мощность пропорциональна числу составляющих в фазе.

2. Компактные линии

Термин компактные линии введен в США и определяет такой тип линий, где приняты специальные меры для уменьшения междуфазовых расстояний вплоть до минимальных допустимых, определяемых нормированными воздействиями перенапряжений. Эти меры в США сводятся к специальным конструкциям опор и фиксированию междуфазовых расстояний с помощью изоляционных распорок во избежание недопустимого сближения проводов. Больше того, в компактном исполнении в США создаются только линии 115—138 кВ с одиночными проводами.

Увеличение пропускной способности линий сверхвысокого напряжения пропорционально числу составляющих в фазе может быть достигнуто при любой конструкции линии. Но при обычно применяемых расстояниях между фазами увеличение числа составляющих требует значительного увеличения размера фаз. Уменьшение расстояния между фазами приводит к практически пропорциональному уменьшению размера фаз. Таким образом, для линии с расщепленными проводами уменьшение междуфазовых расстояний приводит к сокращению занимаемого линией объема. Это определяет целесообразность расширенного использования термина «компактные линии» применительно к ВЛ СВН.

Постановка задачи максимально возможного сокращения размеров фазы определяет необходимость выполнения специального анализа. Причиной быстрого увеличения размера круглых фаз при увеличении числа составляющих является их взаимное электростатическое влияние. Дело в том, что для эффективного использования поверхности проводов заряд каждого провода фазы должен быть равен допустимому:

(2.1)

и соответственно удельная погонная емкость провода (отнесенная к одному составляющему):

(2.2)

Как видно, допустимая удельная емкость провода не зависит от числа составляющих в фазе. В то же время при увеличении числа составляющих в фазе увеличивается эффект экранирования по отношению к соседней фазе дальних проводов ближними проводами той же фазы. Это экранирование наиболее эффективно дли крайних фаз, но проявляется и для проводов средней фазы, хотя и в меньшей степени. Для уменьшения этого эффекта экранирования необходимо увеличивать расстояния между составляющими, что и определяет необходимость увеличения радиуса расщепления фазы.

Однако при увеличения рабочего напряжения допустимое значение заряда на составляющих (2.1) достигается при меньшей удельной емкости. Поэтому при том же числе составляющих необходимый радиус расщепления уменьшается.

Таблица 1 — Взаимосвязь номинального напряжения и удельной емкости

Сохранить неизменной удельную емкость составляющих при увеличении их числа для ВЛ заданного класса напряжения можно при расположении каждой пары составляющих соседних фаз на одинаковом друг от друга расстоянии, определяемом электрической прочностью междуфазового воздушного промежутка (рисунок 4). Конфигурация электрического поля между рядами параллельных проводов фаз обеспечивает электрическую прочность междуфазовых воздушных промежутков при воздействии импульсов коммутационных перенапряжений на уровне 4,5—5,5 кВ/см, что позволяет существенно сократить междуфазовые изоляционные расстояния.

Рисунок 4 — Расположение проводов компактных ВЛ СВН с минимальными расстояниями между соседними составляющими: а, б, в — плоские фазы; г, д—параболические фазы; е, ж — коаксиальные фазы Вычисления показали, что при расположении проводов по вариантам рисунка 4 необходимое расстояние между составляющими минимально (рис.

На рисунке 4, а, б и в показаны возможные варианты расположения плоских фаз. Если вариант, а может быть осуществлен достаточно просто, то варианты б и в требуют достаточно жестких и прочных крепежных элементов, способных нести нагрузку большого числа проводов.

Значительное облегчение крепежных элементов достигается при цепной подвеске проводов с шарнирным соединением лодочек, в которых крепятся провода, и плоских промежуточных звеньев, соединяющих лодочки (варианты г и д).

При десяти и более составляющих в фазе вместо плоских фаз целесообразно применять коаксиальные фазы (варианты е и ж). В варианте е не удается достичь симметрии параметров линии (добиться приблизительного равенства рабочих индуктивностей и емкостей трех фаз): при любых возможных соотношениях радиусов цилиндрических поверхностей, на которых расположены провода фаз, рабочая емкость фазы2 оказывается значительно больше рабочих емкостей внутренней 1 и наружной 3 фазы. Соответственно рабочая индуктивность фазы 2 значительно меньше, чем у фаз 1 и 3. Обеспечить симметрирование рабочих параметров линии можно двумя путями. Провода фазы 1 можно расположить на двух цилиндрических поверхностях — внутренней и наружной (четвертой), разделив их приблизительно поровну. Второй возможный путь — создание двойной коаксиальной линии (вариант ж). В этом последнем варианте провода фазы 1 также распределены по двум цилиндрическим поверхностям, но они имеют разные оси и одинаковые радиусы. Поверхности фаз 2 и 3 охватывают обе полуфазы 1. В обоих последних вариантах (вариант е с четвертой цилиндрической поверхностью и вариант ж) симметрирование параметров линии осуществляется достаточно просто путем подбора отношения радиусов поверхностей смежных фаз. При этом линия с четвертой коаксиальной поверхностью проигрывает по занимаемому объему, а линия с двойным коаксиалом (рисунок 4, ж) требует специальных мер для выравнивания распределения зарядов и токов по составляющим внешних фаз 2 и 3, а именно уменьшения расстояния между составляющими, обращенными к соседней фазе, и увеличения расстояния между составляющими, расположенными па внешних образующих цилиндрических поверхностей.

Следует заметить, что для выравнивания распределения зарядов (и соответственно токов) по составляющим расщепленных проводов всех вариантов разомкнутых фаз (варианты а, б, в, г, д) также необходимо изменить расстояние между составляющими и фазе: в средней части фазы расстояние между составляющими должно быть больше, чем в крайних частях. Более того, крайние составляющие должны быть смещены от образующей поверхности фазы (плоскости, параболоида) таким образом, чтобы расстояние между крайними составляющими соседних фаз было несколько больше, чем между средними составляющими. Для ВЛ 330 кВ и выше плоские и параболические фазы вырождаются поэтому в эллпптические как показано на рисунке 3. В связи с такой сложной конфигурацией фаз параметры компактных линий с плоскими и параболическими фазами не могут быть определены в аналитической форме. Однако результаты численных расчетов могут быть обобщены эмпирическими формулами, связывающими рабочие параметры линии с основными размерами:

(2.3)

(2.4)

(2.5)

где — длина фазы в поперечном сечении;

D — междуфазовое расстояние.

Как видно из формул (2.3) — (2.5) основным параметром компактных линий является отношение длины поперечного сечения фазы к междуфазовому расстоянию. Погрешность вычислений по этим формулам не более 5% в диапазоне 0,25< <1,5. В пределах этого диапазона волновое сопротивление линии изменяется от 168 до 80 Ом, что значительно меньше, чем для линий традиционного исполнения (с расщепленными проводами = 250?300 Ом).

Предельные значения рабочих емкостей внутренней и внешней фаз коаксиальной линии определяются в основном отношениями радиусов соседних фаз. Предельная рабочая емкость средней фазы определяется отношениями радиусов всех фаз.

3. Сравнение традиционных и компактных линий

Традиционные конструкции воздушных линий электропередачи высших классов напряжения в России характеризуются следующими показателями:

— расстояние от проводов всех трех фаз до земли одинаково;

— провода подвешены на поддерживающих гирляндах — одиночных либо сдвоенных, не обеспечивающих фиксированного положения проводов в горизонтальной плоскости в зоне опор;

— число проводов в фазе минимально необходимое по условию ограничения коронного разряда;

— расстояние между соседними проводами в фазе минимальное по условию исключения вибрации проводов под воздействием бокового ветра (0,4 м);

— конструкции опор двухстоечные с прямыми траверсами портального или V-образного типа (cм. рис. 1).

Рисунок 1 — Двухстоечные опоры воздушных линий традиционного исполнения: портального типа 500 кВ (а) и V — образная 750 кВ (б)

В результате расстояния между соседними фазами чрезвычайно велики. Например, расстояния между осями соседних фаз на линиях 500 кВ составляют 12 м, тогда как в Бразилии расстояния между соседними фазами на линиях 500 кВ уменьшены до 6 м (см. рис. 2а).

Рисунок 2 — Опоры компактных линий 500 кВ в Бразилии с четырьмя проводами в фазе (а) и в Китае с шестью проводами в фазе (б) Длина линий 500 кВ с такими расстояниями превысила 2000 км. Никаких проблем, связанных с такими малыми междуфазовыми расстояниями в Бразилии не отмечается. Соответственно расстояния между осями проводов крайних фаз на российских линиях 500 кВ составляют 24 м, тогда как в Бразилии на линиях 500 кВ оно равно всего 9 м или в 2,7 раза меньше. Достигается это как за счет уменьшения междуфазового расстояния, так и за счет треугольного расположения проводов: средняя фаза расположена выше крайних фаз на 4 м. Похожая линия 500 кВ построена и в Китае с той лишь разницей, что подняты вверх крайние фазы, а средняя расположена на минимальном расстоянии до земли (рисунок 2б). Опыт эксплуатации этой линии так же положительный. В Канаде последние линии 765 кВ построены с междуфазовыми расстояниями 12 м, такими же как у российских линий 500 кВ. Достигнуто такое уменьшение междуфазовых расстояний за счет V — образной подвески проводов всех фаз и за счет изменения конструкции опор (в Канаде опоры на линии 765 кВ свободностоящие — без оттяжек. На российских линиях 750 кВ минимальное расстояние между соседними фазами составляет 17 м. Дальнейшее развитие эта технология сооружения воздушных линий с беспредельными горизонтальными размерами получила при создании линии с наивысшим в мире номинальным напряжением 1150 кВ: расстояние между осями соседних фаз составило 23 м, а расстояние между осями крайних фаз — 46 м.

Основной причиной широкого распространения такой технологии проектирования воздушных линий в России является отсутствие учета стоимости земли. В Бразилии и в Канаде при прокладке линий электропередачи необходимо выкупать землю у частных собственников, что и определяет вполне определенную составляющую стоимости воздушных линий электропередачи. Поэтому экономия каждого метра ширины трассы линии имеет большое значение. В Китае земля является собственностью государства, но она сдана в аренду обрабатывающим ее крестьянам на 50 лет, что также вынуждает экономить землю при прокладке линий электропередачи. К тому же чрезвычайно высокая плотность населения в Китае способствует той же тенденции экономии земли под линии. Поэтому технология компактных линий электропередачи широко распространяется в указанных странах, как и во многих других. Нет сомнений, что нормализация земельных отношений в России также будет способствовать совершенствованию технологии создания воздушных линий электропредачи в направлении их компактизации. Необходимо отметить, что уменьшение габаритов опор воздушных линий приводит также к снижению их стоимости за счет уменьшения моментов от воздействующих нагрузок. Поэтому компактизация линий электропередачи приводит к значительному экономическому эффекту и без учета стоимости земли. Необходимо отметить, что уменьшение междуфазовых расстояний невозможно при использовании минимального числа проводов в фазе, принятого в России применительно к большим междуфазовым расстояниям. Так, например, в Китае и в Бразилии нет линий 500 кВ с тремя проводами в фазе, т. к. нет линий с расстоянием между фазами 12 м. Минимальное число проводов в фазе на линиях 500 кВ в этих странах четыре, а в Китае построена линия 500 кВ с шестью проводами в фазе. Полезно напомнить, что в начале 90-х годов прошлого века в России была запроектирована двухцепная линия 500 кВ (каждая цепь на своих опорах) с шестью проводами в фазе и с междуфазовым расстоянием 6 м (Новосибирсим отделением ин-та «Энергосетьпроект») Богучанская ГЭС — Канск. Но в связи с тем, что эта ГЭС до сих пор не построена, линия электропередачи также не была построена. А ее основные идеи были использованы в Китае в несколько ином варианте. Бразильцы также подтверждают тот факт, что при проектировании компактных линий 500 кВ ориентировались на российские разработки.

Треугольное расположение фаз линии создает ряд дополнительных преимуществ, кроме уменьшения поперечных габаритов линии:

— Оно позволяет обеспечить симметрию электрических параметров линии и практически отказаться от транспозиции проводов. При этом значительно повышается натуральная мощность линии при той же конструкции проводов за счет более эффективного использования их поверхности.

— Оно позволяет значительно уменьшить размеры фаз при обеспечении максимальной пропускной способности.

— Оно позволяет уменьшить угол молниезащиты вплоть до нуля без особых усложнений конструкции опор и тем самым существенно повысить уровень грозоупорности линии.

— При этом симметрия электрических параметров трех фаз линий обеспечивается при вполне определенном увеличении высоты средней фазы по отношению к высоте крайних фаз (рисунок 3).

Рисунок 3 — Зависимость необходимого отношения Н_э.2/ Н_э.1 от отношения Н_э.1/ D₀.

Причем, чем меньше междуфазовое расстояние D₀ (чем больше отношение эквивалентной высоты крайних фаз к расстоянию между осями соседних фаз D₀), тем меньше необходимое повышение средней фазы по отношению к крайним, что приводит к снижению высоты опор со всеми вытекающими последствиями. Поэтому и с этих позиций уменьшение междуфазовых расстояний оказывается весьма полезным.

Значительное уменьшение междуфазовых расстояний возможно только:

— при увеличении числа проводов в фазе n, поскольку уменьшение междуфазовых расстояний при неизменном числе проводов в фазе приводит к увеличению емкости фаз и соответственно к увеличению напряженности поля на поверхности проводов, которая ограничена условием ограничения коронного разряда на проводах. При этом для обеспечения эффективного использования поверхности проводов (и соответственно для обеспечения максимально возможной пропускной способности линий с увеличенным числом проводов в фазе необходимо также увеличивать расстояние между соседними проводами в фазе d, которое при оптимальном треугольном расположении проводов согласно рисунка 3. При числе проводов в фазе больше минимального расстояние между соседними проводами в фазе d >0,4 м, принимаемых обычно при проектировании ВЛ СВН.

— при увеличении количества проводов в фазе необходимый радиус расщепления проводов быстро увеличивается, поскольку параметр «n» находится в показателе степени экспоненциальной функции. Это необходимо для того, чтобы довести максимальную напряженность поля на поверхности проводов до допустимой. Напротив, при увеличении напряжения и неизменном числе проводов n радиус расщепления быстро уменьшается, поскольку при неизменном радиусе максимальная напряженность поля увеличивается пропорционально напряжению, превышая допустимую. Расстояние d уменьшается при уменьшении междуфазового расстояния D₀. Поэтому уменьшение междуфазовых расстояний на линиях компактного исполнения позволяет расширить диапазон изменения числа проводов в фазе в большую сторону. Как правило, увеличение числа проводов в фазе в два раза по сравнению с минимальным числом (определяемым требованием ограничения коронного разряда) при уменьшении междуфазовых расстояний не вызывает каких-либо конструктивных осложнений. Параметры линий с различным количеством проводов в фазе приведены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, волновые сопротивления и соответственно натуральные мощности воздушных линий могут изменяться в широких пределах, что необходимо использовать при формировании электроэнергетических систем. Реальные проектные проработки подобного типа линий обобщены. С учетом изложенного для одноцепных линий сверхвысокого напряжения оптимальной является конструкция компактных опор, аналогичная конструкции опор традиционного исполнения типа «Кошка», при Vобразной подвеске проводов всех трех фаз (рисунок 5).

Для линий ультравысокого напряжения может быть более экономичной V-образная опора с ломаной траверсой (рисунок 4)

При этом обеспечивается симметрия параметров линии, а габариты линии оказываются значительно меньше, чем при прямой траверсе, когда расстояние между крайними фазами первой линии 1150 кВ оказалось равным 46 м. Значительно уменьшается и масса опор из-за сокращения их габаритов.

Таким образом, сближение проводов фаз при треугольном их расположении обеспечивается опорами специального типа, которые более экономичны, чем опоры традиционного исполнения.

Варьирование количества проводов в фазе обеспечивает возможность создания воздушных линий на любую необходимую пропускную способность без использования каких-либо источников реактивной мощности (синхронных компенсаторов, статических тиристорных компенсаторов, продольной емкостной компенсации индуктивного сопротивления линии и т. п.). Для компенсации избыточной зарядной мощности таких линий необходимо использование управляемых шунтирующих реакторов трансформаторного типа.

Рисунок 4 — Эскиз опоры с ломаной траверсой ВЛ 1150 кВ.

Таблица 2 — Параметры линий с различным количеством проводов в фазе

провод заряд междуфазовый линия Волновое сопротивление и натуральная мощность воздушных линий различных классов напряжения оптимальной конструкции при различном числе проводов в фазе Рисунок 5 — Промежуточные одностоечные опоры на оттяжках (а, б) и свободно стоящая (в) для одноцепных линий 500 кВ: а — с вертикальными поддерживающими гирляндами; б, в — с V-образной подвеской трех фаз, г — опора 220 кВ.

1. Электропередачи 1150 кВ: Сб. статей. В 2 ч./ Под ред. Г. А. Илларионова и В. С. Ляшенко. — М.: Энергоатомиздат, 1992. — 325 с.

2. Александров Г. Н. Воздушные линии повышенной пропускной способности. «Электричество», 1981, № 7, стр. 1−6.

3. Александров Г. Н. Оптимизация конструкции воздушных линий электропередачи повышенной пропускной способности. «Электричество», 1991, № 1, стр. 1−9.

4. Проектирование линий электропередачи сверхвысокого напряжения/ Г. Н. Александров, А. В. Горелов, В. В. Ершевич и др.; Под ред. Г. Н. Александрова. — Л.: Энергоатомиздат, 1993. — 560 с.

5. Александров Г. Н. Передача электрической энергии переменным током. 2-е изд. — М.: «Знак», 1998. — 271 с.

7. Повышение эффективности электросетевого строительства/ A.А. Зевин, К. П. Крюков, А. И. Курносов и др.; Под ред. Н. Н. Тиходеева. — Л.: Энергоатомиздат, 1991. — 240 с.

8. Силовые трансформаторы: Справ. книга/ Под ред. С. Д. Лизунова и А. К. Лоханина. — М.: Энергоиздат, 2004. — 616 с.

9. Александров Г. Н., Лунин В. П. Управляемые реакторы. — 2-е изд. — СПб.: Центр подготовки кадров СЗФ АО «ГВЦ Энергетики», 2004. — 212 с.