Весьма актуальной является задача совершенствования способов передачи и распределения электроэнергии, управления режимами энергосистем и снижения затрат на строительство и эксплуатацию.
Применяемые в настоящее время линии электропередачи не всегда отвечают необходимым требованиям, главным образом из-за недостаточной пропускной способности, несовершенства систем управления, значительной стоимости и ощутимого экологического влияния.
Варианты одноцепных компактных ВЛ позволяют использовать предельно большую пропускную способность, а двухцепные и многоцепные, кроме того, еще и регулируемую пропускную способность в пределах от минимальной до предельной, в зависимости от величины передаваемой по ВЛ мощности. На тех и других типах компактных ВЛ предусматривается использование устройств регулирования различных типов, как новых, так и традиционных.
Цель исследования
В основу конструкций перспективных компактных воздушных линий электропередачи, разработанных в нашей стране, положена простая идея. Если устранить раскачивание ветром проводов, установив между ними жесткие распорки, то фазы линии можно значительно сблизить, не опасаясь электрического пробоя или механического повреждения вследствие соударения проводов при сильном ветре. Образцы таких распорок уже созданы, и составлены проекты будущих компактных воздушных линий электропередачи.
Расчеты показали, что при меньших по сравнению с обычными воздушными линиями электропередачи размерами компактные воздушные линии электропередачи приобретут еще одно важное новое качество – повышенную пропускную способность, достигаемую увеличением числа проводов в каждой фазе и наилучшим их расположением в пространстве. Например, если мощность, передаваемая воздушной линией электропередач 500 кВ с тремя проводами сечением по 500 мм2 в фазе, составляет около 900 МВт, то для компактной воздушной линии электропередач 500 кВ с десятью проводами сечением по 300 мм2 в фазе пропускная способность увеличится втрое и достигнет 2700 МВт. Стоимость при этом несколько возрастет по сравнению со стоимостью обычной линии вследствие необходимости применения более прочных опор и повышения сложности монтажа проводов, однако затраты окупятся увеличением возможной дальности электропередачи при допустимых потерях энергии или снижением потерь при той же дальности. Впрочем, удорожания можно избежать, если в основу расчетов положить достижение, на первых порах, не столь большого эффекта. Так, при проектировании компактной воздушной линии электропередачи 330 кВ было подсчитано, что пропускная способность будет на 70 % выше, чем на обычной воздушной линии электропередачи 330 кВ, при той же стоимости [1].
Немаловажно и то обстоятельство, что провода расщепленных фаз компактных воздушных линий электропередачи можно монтировать не все сразу, а постепенно доводить число проводов в фазах до проектного по мере повышения фактических нагрузок. Поэтому ученые считают, что существенные технико-экономические достоинства компактных воздушных линий электропередачи повышенной пропускной способности позволяют рекомендовать их к широкому использованию [2].
При использовании традиционной основной изоляции для воздушных линий – воздуха, сокращение изоляционных расстояний между проводами и землёй, т.е. повышение компактности ЛЭП достигается за счёт новых технологий:
– использование экранированных проводов и проводов с увеличенным диаметром;
– применение высокопрочных полимерных линейных изоляторов нового поколения;
– установка столбовых ограничителей перенапряжений;
– применение многогранных и конических металлических опор;
– использование изолированных проводов.
Совокупность применения перечисленных новых технологий позволяет почти вдвое уменьшить габариты опоры, что уменьшает площадь полосы отчуждения земли.
Результаты исследования и их обсуждение
Для компактных управляемых ВЛ в одноцепном и двухцепном исполнениях эффективно применение современных устройств регулирования параметров, в том числе средств фазового управления и продольно-поперечной компенсации.
Применение компактных управляемых ВЛ, оснащённых устройствами регулирования, позволяет решить ряд проблем при создании активно-адаптивных сетей для обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителей.
Компактные ВЛ – эффективное средство развития электрических сетей, способствующее снижению затрат на транспорт электрической энергии в расчёте на единицу передаваемой мощности благодаря повышению пропускной способности электрической сети, сокращению площадей отчуждаемых земельных угодий, использованию устройств регулирования [1].
Компактные двухцепные ВЛ могут быть выполнены таким образом, чтобы осуществлялось не только внешнее регулирование, но и внутреннее регулирование параметров линии в целом (самокомпенсация эквивалентных параметров), что достигается путём изменения взаимного электромагнитного влияния сближенных цепей. Линии электропередачи, обладающие такими свойствами, получили название управляемых самокомпенсирующихся воздушных линий (УСВЛ). Они могут быть отнесены к категории гибких систем транспорта электроэнергии на переменном токе.
Выбор конструкции компактных ВЛ обусловлен возможностью регулирования электрических параметров линий за счёт изменения параметров электромагнитного поля в междуфазном и окружающем линию пространстве.
Усиление электромагнитного поля внутри линии путём сближения фаз позволяет увеличить пропускную способность и улучшить электрические и технические параметры ВЛ. Ослабление электромагнитного поля во внешнем пространстве приводит к улучшению экологической обстановки вдоль трассы ВЛ. Для обеспечения механической устойчивости сближенных фаз в пролётах могут быть использованы различные изоляционные межфазовые элементы (изоляционные распорки). Электрические параметры компактных ВЛ при работе в нормальных симметричных режимах сохраняются неизменными. Выравнивание электрических параметров фаз цепей осуществляется за счёт транспозиции фаз внутри каждой цепи.
Применение на компактных ВЛ различных устройств поперечной или продольной компенсации приводит к изменению эквивалентных параметров электропередачи в целом, собственные параметры линии (индуктивное сопротивление, ёмкостная проводимость, волновое сопротивление) не изменяются.
Основными видами рассматриваемых линий электропередач являются:
– компактные трехфазные одноцепные ВЛ;
– компактные двухцепные ВЛ;
Сущность и принципиальные отличия указанных видов линий электропередач от обычных состоит в следующем [3].
Компактные одноцепные трехфазные ВЛ переменного тока выполняются в виде новых конструкций, отличающихся от обычных ВЛ тех же классов напряжений главным образом тем, что у них уменьшены расстояния между фазами, изменены конструкция расщепленных фаз, число составляющих и конфигурация их расположения, применены новые типы изоляционных подвесок на опорах. Благодаря этим техническим решениям обеспечивается улучшение параметров и повышение пропускной способности линий.
Компактные двухцепные ВЛ переменного тока отличаются от обычных двухцепных линий электропередачи тем, что у них каждая трехфазная цепь выполнена в виде компактной трехфазной линии, аналогичной описанной выше одноцепной компактной ВЛ. Регулирование режимных параметров двухцепных компактных ВЛ также, как и одноцепных, может осуществляться с помощью регулирующих устройств типа FACTS, установленных в отдельных узлах электропередачи. Собственные параметры трехфазных цепей компактных двухцепных ВЛ в процессе работы остаются неизменными.
Управляемые самокомпенсирующиеся двухцепные ВЛ переменного тока (УСВЛ) содержат две трехфазные цепи, но отличаются от обычных двухцепных ВЛ в конструктивном, схемном и режимном отношениях. Главные отличия конструкции двухцепных УСВЛ состоят в том, что у них принято попарное сближение фаз разных цепей таким образом, что двухцепная УСВЛ будет состоять из трех пар сближенных фаз. Расстояние между сближенными фазами разных цепей принимается равным минимально допустимому значению, рассчитанному с учетом максимальных рабочих напряжений, которые могут быть приложены к этим фазам, а также коммутационных и грозовых перенапряжений. Остальные геометрические размеры в УСВЛ могут быть приняты как у обычных ВЛ, или также уменьшены, с учетом ограничений, обусловленных конструкцией опор. Сближение фаз разных цепей создает явно выраженное увеличенное взаимное электромагнитное влияние цепей, знак которого зависит от углового сдвига между приложенными векторами напряжений, т.е. углового сдвига трехфазной системы векторов напряжений одной цепи по отношению к другой.– на фазное напряжение и нетрадиционно – на междуфазное напряжение [4].
Применение на УСВЛ фазорегулирующих устройств (ФРТ) и других устройств FACTS позволяет создавать электропередачи переменного тока повышенной пропускной способности с любыми заданными регулируемыми характеристиками.
Теоретической базой для анализа характеристик многопроводных линий электропередачи переменного тока и выбора наиболее эффективных способов и обоснования технических решений для кардинального повышения их пропускной способности и улучшения других показателей является использование теории электромагнитного поля и разработка таких расчетных моделей, которые позволяют устанавливать во взаимосвязи главные зависимости основных параметров линий электропередач и указывать на целенаправленные способы их изменения. Основные параметры и характеристики высоковольтных линий электропередачи зависят от конструктивного их исполнения, от класса напряжения от схем электрических соединений, от наличия и функционального воздействия средств регулирования и управления.
Выводы
Реализация технических преимуществ компактных управляемых ВЛ по сравнению с ВЛ традиционного исполнения позволяет получить заметный технико-экономический эффект, выражающийся в снижении удельных затрат на строительство, эксплуатацию сетей, на передачу электроэнергии, а также в улучшении общесистемных показателей.
Рассматриваемые компактные управляемые ВЛ следует отнести к электропередачам нового поколения, отвечающим высоким требованиям и имеющим перспективу для широкого внедрения в практику.
Анализируя современные тенденции развития научно-исследовательских работ в области электроэнергетики и, в частности, электроэнергетических систем, следует отметить, что идеи компактных управляемых ВЛ оказались в струе интенсивно развивающегося в последние десятилетия во всем мире направления преобразования электроэнергетики, получившего название SMART GRID «умная сеть», «умная энергетическая система» [2]. Основываясь на оценках ряда специалистов, апробации на международных конференциях и совещаниях можно полагать, что компактные управляемые ВЛ являются одним из основополагающих элементов создания систем типа SMART GRID в области транспорта и распределения электроэнергии, существенно превосходящих по техническим и экономическим показателям электропередачи традиционного исполнения.