Анализ четырехфазных линий электропередач

Якутия является резервом ресурсов страны для будущих поколений, располагая запасами различных природных ресурсов, труднодоступных в настоящее время для широкомасштабного освоения. Основными факторами, сдерживающими дальнейшее развитие экономики республики, являются ограниченная транспортная доступность территории.

С вводом в эксплуатацию железной дороги в республике появятся новые источники экономического роста. В зону круглогодичного транспортного сообщения будут интегрированы центральные, восточные и западные районы республики с охватом около 80 % населения. Мощный толчок к развитию получат действующие предприятия.

В связи с этим возникает необходимость электроснабжения как самой дороги, которая начнет развиваться, так и промышленно-хозяйственной инфраструктуры вдоль нее. Линия электропередачи 220 кВ станет главным системообразующим звеном между Южно-Якутской и Центрально-Якутской энергосистемами, а линии 35 кВ будут выполнять функции распределительных.

В качестве линии 35 кВ предлагается четырехфазная линия [3], которая будет обеспечивать электротягу и электроснабжение промышленно-хозяйственных комплексов вдоль железной дороги.

П
ростейшая схема четырехфазной электропередачи приведена на рисунке 1.

По существу, она является сдвоенной линией «два провода – земля» (ДПЗ), впервые предложенной в 30-х годах. Напряжения и токи в одной линии ДПЗ соответственно равны по величине и противоположны по направлению напряжениям и токам в другой.

Существенным отличием четырехфазной линии от линии ДПЗ является отсутствие тока в земле. [1]

По предложенной четырехфазной линии можно передавать мощность примерно в 1,1 – 1,2 раз большую, чем по двум трехфазным. Четырехфазная линия обладает надежностью двухцепной линии, потери мощности в ней меньше примерно в 1,5 – 1,7 раз, чем в двухцепной трехфазной.

С одной стороны, она дешевле двухцепной примерно в 1,6 -1,8 раз, что позволяет рассматривать ее экономические показатели в сравнении с аналогичными показателями одноцепной линии, с другой стороны, обладая надежностью двухцепной электропередачи, имеет потери мощности примерно в два раза меньшие, чем двухцепные. При этом для ее осуществления не требуется разработка нового оборудования.

Конструкция четырехфазной линии электропередачи зависит от класса напряжения (область применения – сети с изолированной нейтралью, 6-35 кВ). Линия 35 кВ может быть выполнена либо на П-образных опорах, либо на двух отдельных стойках по два провода на каждой. Последние должны быть разделены расстоянием, чтобы при падении одной стойки вторая не пострадала. Это, во-первых, исключает короткое замыкание всех четырех фаз, а значит, при повреждении двух фаз линия может быть переведена в режим ДПЗ и сохранится передача части мощности. Во-вторых, можно предусмотреть ремонт линии по частям (по две фазы) с сохранением электроснабжения потребителей оставшимися двумя фазами по системе ДПЗ. В этом случае по надежности четырехфазная электропередача сопоставима с двумя цепями трехфазной.

Технические характеристики четырехфазной линии электропередачи были рассмотрены на участке линии длиной 100 километров, выполненной проводом – АС-95 в сравнении с двухцепной и одноцепной трехфазными линиями напряжением 35 кВ. Нагрузка включена на напряжение 10 кВ через трансформаторы мощностью 10 МВА. Ограничивающим фактором является допустимое напряжение, равное 1,15 U_Н.

Максимальная передаваемая мощность по двухцепной трехфазной линии, ограничиваемая уровнем напряжения 40,5 кВ, равна 11,4 МВт с cos 0,8 и компенсацией реактивной мощности 2 МВАр. Потери мощности в линии составляют при этом 3,44 МВт, или 30,17% от мощности нагрузки.

При передаче такой же мощности по четырехфазной линии на шины мощности потери в электропередаче, с симметрированием реакторами включенными между землей и заземляемыми обмотками трансформаторов, составляют 2,04 МВт или 17%. Отношение потерь мощности в двухцепной трехфазной линии к потерям мощности в четырехфазной составляет 1,68. Далее на рисунке 2 приведено наглядное изображение зависимости потерь от передаваемой мощности.

Рисунок 2. Зависимость потерь от передаваемой мощности

Четырехфазные линии электропередачи предполагают питание каждой нагрузки через два трансформатора. При питании через один трансформатор появляются токи в земле. Нежелательность этих токов обусловлена двумя последствиями:

• создается контур «провод – земля», протекание токов, по которому наводит напряжения на линии связи, железнодорожной автоматики;

• высушивается земля вокруг заземлителей, в результате чего возникают большие шаговые напряжения.

В местностях с вечной мерзлотой в зимний период питание потребителей через один трансформатор от четырехфазной линии вообще исключается, так как токи в земле не протекают.

На данный момент ведутся исследования по возможности устранения токов в земле, предлагается ввести глубинное заземление.

Как было сказано выше, у четырехфазной линии загружены только две фазы, а сопротивление третьей равно нулю, следовательно, на нагрузке создаются неодинаковые фазные падения напряжения. Таким образом, чем больше передаваемая мощность, тем больше несимметрия напряжений. [2]

Несимметрию можно устранить несколькими способами:

• включением емкостных батарей между фазами с наименьшим линейным напряжением;

• пофазным регулированием коэффициентов трансформации трансформаторов;

• включением последовательно с заземляемой обмоткой трансформатора индуктивности;

• включением несимметричной активной нагрузки.

Четырехфазная электропередача как и любая линия подвержена коротким замыканиям. Если при пробое изоляции одной фазы трехфазной линии в сети с изолированной нейтралью линия может продолжать работать, то однофазный пробой изоляции в четырехфазной линии превращается в короткое замыкание, требующее отключения. Отключение линии полностью прекращает электроснабжение, и это делает сомнительным предпочтение четырехфазной электропередачи двухцепным и одноцепным трехфазным ЛЭП. Четырехфазная электропередача может составить конкуренцию трехфазной только в том случае, если при повреждении одной фазы будет обеспечиваться хотя бы частичное электроснабжение.

Для решения этой задачи, во-первых, необходимо исключить короткие замыкания одновременно всех четырех фаз линии. Это возможно, если линию выполнить на двух одностоечных опорах, разнесенных на расстояние, примерно равное высоте опоры. Тогда возможны только двухфазные короткие замыкания на линии, и даже при падении опор одной цепи в сторону второй исключается повреждение последней, а электропередачу можно перевести в режим ДПЗ, отключив поврежденную цепь. Во-вторых, при однофазном коротком замыкании можно отключить поврежденную фазу. Тогда трехфазная связь передающей и приемной систем полностью не нарушится, но усилится неравенство сопротивлений в фазах трехфазной сети.

С помощью разработанной математической модели были изучены три неполнофазных режима при заземленной обмотке фазы А трансформатора: однофазное отключение фаз В и С линии (рис. 3а и 3б) и одновременное отключение одной цепи, состоящей из двух фаз, подключенных к трансформаторам с одной группой соединения обмоток (рис. 3в).

Отключение фазы В четырехфазной линии.

Режимы отключения фаз рассмотрены при передаче мощности до максимального возможного значения, а векторные диаграммы токов – при передаче мощности в нормальном режиме, равной 8 МВт (максимальной передаваемой мощности при отключении двух фаз с симметрированием емкостями). Векторная диаграмма токов в линии до отключения фазы приведена на рисунке 4а, а после отключения – на рис.4б. (красным и синим цветом изображены соответственно векторы токов фаз В и С линии, включенных к трансформаторам с группой соединения Y/&#;-11, розовым и зеленым – те же фазы, включенные к трансформаторам с группой соединения Y/&#;-5.).

Рисунок 4. Векторная диаграмма токов в линии до отключения фазы (а) и после отключения (б)

После отключения фазы В2 ток работающей фазы В1 увеличивается почти в два раза, практически не меняя направления. Остальные токи изменяются незначительно, но между ними угол становится около 150⁰. Изменение сопротивления земли в сторону увеличения, что наблюдается зимой в условиях вечной мерзлоты симметрирует звезду токов за счет исключения токов в земле, но характер токов в генераторах и нагрузке не меняется.

Максимальная передаваемая мощность тремя фазами линии, ограничиваемая максимальным допустимым напряжением на линии, составляет 13 МВт, но несимметрия напряжений при этом возрастает до 4,9%. Максимальные напряжения на фазах В и С линии составляют 40,5 кВ и 40,2 кВ соответственно.

Отключение фазы С четырехфазной линии.

Все принципиальные выводы, полученные для режима отключения фазы В, остаются справедливыми и для отключения фазы С. Разница лишь в законе симметрирования напряжения на нагрузке. В схеме без включения индуктивных сопротивлений между заземляемыми обмотками трансформаторов и землей величин несимметрии ниже 4% при коэффициенте мощности нагрузки в пределах 0,7–0,9 можно достичь, если мощность емкостной батареи, включенной на напряжение U_СА нагрузки, будет равна Q_СА = 0,3S_Н, на остальных линейных напряжениях емкости не включаются.

Максимальная передаваемая мощность тремя фазами линии, ограничиваемая максимальным допустимым напряжением на линии, составляет 14 МВт. При передаче 10 МВт необходимая мощность конденсаторных батарей составляет 3,75 МВАр.

Отключение двух фаз линии

Отключение двух фаз линии от трансформаторов с одной группой соединения обмоток переводит четырехфазную линию в режим «два провода - земля». По существу это трехфазный режим, осуществляемый по двум проводам линии. В качестве третьего провода используется земля. Отключение двух фаз не обязательно только при двухфазных КЗ. Перевод линии в режим ДПЗ желательно выполнять при ремонтах линии. Отключив два провода на отдельной стойке, можно безопасно осуществлять ремонт. Поэтому режим ДПЗ четырехфазной линии следует предусматривать как один из нормальных.

Максимальная передаваемая мощность, ограничиваемая напряжениями на линии, составляет 6,7 МВт. При этой мощности и cos&#;, равном 0,8, мощность конденсаторной батареи составляет 2,4 МВАр. Напряжения на фазах линии практически равны между собой, а симметрия токов со стороны генератора лучше, чем при отключении одной фазы линии.

Таким образом можно сделать вывод, что четырехфазные линии электропередачи по сравнению с двухцепными трехфазными имеют в 1,5 раз меньшие потери мощности. Это обстоятельство, а также более низкая стоимость по сравнению с двухцепными трехфазными линиями позволяет рекомендовать их применение в промышленных районах с преобладанием потребителей I и II категорий.

При неполнофазных режимах четырехфазная линия может эксплуатироваться, сохраняя работоспособность большинства объектов, что доказывает конкурентоспособность трехфазным линиям электропередач.

В случае возникновения несимметрии, она устраняется одним из предложенных способов: включением емкостных батарей между фазами с наименьшим линейным напряжением, пофазным регулированием коэффициентов трансформации трансформаторов, включением последовательно с заземляемой обмоткой трансформатора индуктивности, включением несимметричной активной нагрузки.

Совокупность четырехфазных линий электропередачи, трансформаторных подстанций образуют принципиально новую электрическую систему – четырехфазные электрические сети. Связь четырехфазных электрических сетей с традиционными трехфазными как со стороны питания, так и со стороны потребителей осуществляется обычными трехфазными трансформаторами, т.е. разработка нового оборудования не требуется.

Литература:

1. Андреев В.В. Четырехфазная схема электропередачи с трехфазными трансформаторами // Электричество. – 1952 – № 1 – С. 15-17.

2. Бурянина Н.С., Королюк Ю.Ф., Лесных Е.В., Шеметов А.И. Четырехфазные линии электропередачи для сетей с изолированными нейтралями // Вестник ЯГУ.– том 2 – № 4 – 2005 – С. 90-94.

3. Патент 2256273 Российская Федерация, МПК7 Н 02 J 3/00, 3/04. Электрическая система / Бурянина Н.С., Королюк Ю.Ф., Бурянина Е.В., Олесова В.Л., Олесов Л.А.; заявители и патентообладатели Бурянина Н.С., Королюк Ю.Ф. – № 2003132023/09; заявл. 31.10.2003; опубл. 10.07.2005, Бюл. № 19.