Энциклопедия домашнего электрика Электромонтаж
подборка материалов по электромонтажу


Государственный комитет Российской Федерации* по высшему образованию Уральский государственный технический университет — УПИ

С. С. АНАНИЧЕВА П. И. БАРТОЛОМЕЙ А. Л. МЫЗИН

ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ДАЛЬНИЕ РАССТОЯНИЯ

Утверждено редакционно-издательским советом института * в качестве учебного пособия
Научный редактор проф., д. т. н. Л. Л. Богатырев Екатеринбург 1993
Авторы: С. С. Ананичева, П. И. Бартоломей, А. Л. Мызин.
Изложены технические, экономические и эколо экологические проблемы передачи электроэнергии на даль дальние расстояния по линиям переменного и постоянно постоянного тока. Рассмотрены режцмы работы дальних ли линий электропередач и способы увеличения их про пропускной способности Теоретическое изложение со сопровождается числовыми примерами, что способст способствует самостоятельному усвоению материала студен студентами.

Предназначено для студентов очного и заочного обучения по специальности 10.01 — Электрические станции, 10.02 — Электроэнергетические системы и сети, 21.04 ~ Автоматическое управление злектро энергеЕгическими системами, слушателей факульте факультетов повышения квалификации по тем же специаль специальностям, может быть использовано в научно-исследо научно-исследовательской работе студентов.

Уральский государственный технический университет — УПИ, 1993

ВВЕДЕНИЕ
Электроэнергетические системы во всех странах мира, я том числе и в СНГ, развивались и продолжают развиваться от изо изолированных локальных систем, питающих местные нагрузки, к мощным энергообъединениям, связывающим электрические станции и потребителей в сеть переменного тока. На определен определенном этапе в силу некоторых технико-экономических преиму преимуществ появились передачи постоянного тока. Объединение энер энергосистем на параллельную работу объективно обусловлено ря рядом причин, среди которых главными являются следую следующие:

1. Возможность взаимного резервирования, что приводит к повышению надежности энергоснабжения. При этом резервная мощность в объединенной энергосистеме (ОЭС) меньше, чем их сумма в разрозненных энергосистемах.

2. Обеспечение транспорта электрической энергии вместо транспорта топлива по железной дороге, нефтеи газопроводам, что в ряде случаев оказывается экономически более оправдан оправданным. Дело в том, что месторождения дешевых видов топлива и расположение гидроэнергетических ресурсов, как правило, не совпадают с центрами промышленного развития и потребления электроэнергии. Например, в СНГ около 75% всего промыш промышленного потенциала и населения сосредоточено в Европейской части страны и на Урале, а 80% энергоресурсов сосредоточено в Сибири и Средней Азии.

3. Суммарная установленная мощность в ОЭС может быть существенно меньше, чем сумма максимумов электропотребле ния в отдельных ЭЭС. Особенно этот эффект проявляется при объединении систем, расположенных в разных часовых поясах. Энергосистемы Центра, Урала и Сибири получают возможность отдавать избыточную мощность в ночное время и покрывать свою нагрузку в дневные часы максимума за счет соседних энергосистем.

4. Снижение суммарных затрат на выработку и передачу электроэнергии за счет экономического распределения нагруз нагрузки между параллельно работающими электростанциями. Преимущества связей между ЭЭС, а также необходимость передачи электроэнергии от удаленных источников к центрам электропотребления привели к появлению дальних электропе электропередач (ДЭП). Использование атомных электростанций (АЭС) также влияет на развитие энергосистем и строительство ДЭП. Вопросы безопасности при эксплуатации АЭС вынуждают пе пересмотреть ранее укоренившуюся концепцию покрытия дефи дефицита мощности и строительства АЭС вблизи от центров нагруз нагрузки. Приходится считаться с необходимостью выноса АЭС на значительные расстояния от промышленных и населенных рай районов, что также обусловливает строительство мощных ДЭП. В пособии рассмотрены методы анализа и расчета режимов работы ДЭП, обладающих рядом особенностей, связанных с необходимостью учета волновых процессов в них [1]. Глава

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДАЛЬНИХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ 1.

1. Энергетическая характеристика дальних электропередач Под ДЭП будем понимать линию электропередачи (ЛЭП), оснащенную комплексом технических средств, обеспечивающих повышенную пропускную способность и возможность устойчи устойчивой параллельной работы отдельных частей ОЭС, несмотря на большие расстояния между ними. Большие длины передач пе переменного тока приводят к необходимости учета волнового ха характера процессов, происходящих при передаче электрической энергии. Поскольку на частоте 50 Гц длина электромагнитной полуволны (сдвиг по фазе на 180°) в воздушных линиях (ВЛ) составляет 3000 км, то при длинах свыше 300 км представление ЛЭП в виде четырехполюсника с сосредоточенными параметра параметрами приводит не только к большой погрешности расчетов, но и к качественно неверным выводам. Анализ и расчеты режимов ДЭП должны выполняться с учетом распределенности парамет параметров здоль линии. Функционально ДЭП можно подразделить на односторон односторонние и реверсивные передачи. Первые из них используются толь только для передачи электроэнергии от электростанции к центру потребления, вторые — как межсистемные связи, обеспечиваю обеспечивающие возможность перетоков мощности в любом направлении. Чаще всего рациональные односторонние ДЭП постепенно пе перерастают в межсистемные передачи. Так было с первой ДЭП переменного тока длиной 850 км Куйбышез—Москва (постро 4 енной в 1956—1959 гг.), так случилось с ДЭП от Сургутских ГРЭС на Урал и др. Поскольку ДЭП предназначены для передачи больших мощ мощностей, то стратегически сразу же определилось направление их развития и совершенствования не за счет увеличения тока в линии, а за счет увеличения напряжения передачи. Повыше Повышение пропускной способности за счет увеличения силы тока эко экономически не оправдано, так как приводит либо к увеличению сечения провода, либо к большему числу цараллельных цепей в передаче. В любом случае возрастание затрат определяется главным образом расходами на дорогой цветной металл. Уве Увеличение напряжения ДЭП приводит к возрастанию затрат за счет черных металлов (увеличение размеров опор) и изоляции, что в конечном итоге оказывается выгоднее по сравнению с увеличением сечения проводов при одном классе напряжения. Сопоставление дальних электропередач Таблица 1.1 Напряже Напряжение, кВ 330 500 760 1150 Марка провода АС-400Х2 АС-400ХЗ АС-40ОХ5 АС-ЗЗОХ8 Стоимость 1 км цепи, тыс. руб. 44 55У3 97 170 Мощность на одну цепь, ГВт 0,45 1,1 2,5 5,1 Число цепей на 5 ГВт И 5 2 1 Потери (включая корону), о е , 3,3 2,3 1,5 1 Стоимость передачи. о. е. 2,8 1,63 /1,15 1 Сказанное хорошо иллюстрируется данными, приведенными в табл. 1.

1. Здесь затраты и потери мощности приведены в от относительных единицах (о.е.), т.е. в долях от соответствующих величин на 1150 кВ. Для передачи мощности 5 ГВт потребова потребовалось бы 11 цепей на 330 кВ (суммарные затраты 2,8 о.е.), 2 це цепи напряжением 750 кВ A,7 о.е.), одна цепь на 1150 кВ. На рис. 1.1 представлена структурная схема двухцепной пе передачи переменного тока. Такая схема называется связанной в отличие от блочной, в которой цепи на передающем конце и в промежуточных точках не запараллеливаются. Использование блочных схем обычно является вынужденным решением для уменьшения токов короткого замыкания (к. з.). Их стараются не применять, так как при к. з. в линии полностью теряется мощность одной цепи. В связанной схеме при наличии пере переключательных пунктов (ПП) авария локализуется на отдель отдельном участке, а пропускная способность ДЭП в послеаварий ном режиме существенно выше, чем в блочной передаче. В СНГ работают ДЭП 500 и 750 кВ. В настоящее время осва осваивается класс напряжения 1150 кВ. Такие электропередачи 500 кВ, как Куйбышев—Москва, Куйбышев—Урал, Волго Волгоград—Москва, объединили в 50-е годы в единую сеть энерго ЛЭП о-о ©-0О о-о п O--GD—0 -о )т Рис. 1.

1. Структурная схема дальней передачи переменного тока системы Центра, Урала, Среднего и Нижнего Поволжья. В 1978 г. ввод в эксплуатацию ВЛ 500 кВ Рубцовск—Барнаул завершил важный этап формирования Единой энергосистемы СНГ — присоединение ОЭС Сибири. Такие ДЭП напряжением 1150 кВ, как Экибастуз—Кустанай—Челябинск, Экибастуз— Барнаул—Итат—Канск, рассчитаны на пропускную способность 3—5 ГВт на цепь. Таблица 12 Название передачи Кашира—Москва Волгоград—Донбасс Тихоокеанская Инга—Шаба Ла-Манш Нельсон Ривер Итайпу Кабора—Басса Экибастуз—Центр Передачи постоянного Страна СССР То же США Заир Англия— Франция Канада Бразилия Мозамбик СССР Напряже Напряжение, «В ±юо ±400 ±400 ±500 ±270 ±500 ±600 ±533 ±750 гока Длина, км 120 475 1362 1.700 68 895 800 1414 2450 Мощ Мощность, МВт 30 720 1440 560 2000 2000 6300 1920 6000 Год ввода в эксплуа эксплуатацию 1950 1965 1970 1976 1985 1987 1985 1988 — Аналогичная картина с ростом напряжений и пропускной способности наблюдается и в ДЭП постоянного тока. В табл. 1.2 приведены данные о некоторых наиболее мощных передачах постоянного тока (ППТ) в СНГ и за рубежом. Структурная схема ППТ показана на рис. 1.

2. Две энерго энергосистемы связаны между собой передачей, а которой преобразо преобразование электрической энергии из переменного тока в пор^оян ный и обратно осуществляется с помощью выпрямительного (В) и инверторного (И) устройств. Мощность передается из ЭЭС1 в ЭЭС

2. Заметим, что преобразовательные устройства Рис. 1.

2. Структурная схема передачи постоянного тока могут реверсировать передачу (из ЭЭС2 в ЭЭС1), тогда В и И меняются своими ролями. 1,

2. 1ехнико-экономическое сопостагление передач переменного и постоянного тона Повышение мощностей электропередач, мощностей ЭЭС пе переменного тока, территориальное расширение зоны централиза* ции электроснабжения ставят перед энергетиками сложные проблемы. К ним относятся: — трудности управления потоками электрической энергии в межсистемных связях (МСС), так как коэффициенты управ управляемости перетоками между ОЭЭС обратно пропорциональны их вращающим моментам; — распространение аварийных возмущений на все синхрон но работающие генераторы, что приводит к усложнению орга организации противоаварийной автоматики и повышению вероят вероятности каскадного развития аварий; — распространение отклонений частоты на большие терри территории даже при локальных причинах их проявлений; — повышение мощности токов короткого замыкания (ТКЗ), приводящее к необходимости замены выключателей на более мощные и дорогие; / — увеличение внутренних перенапряжений в высоковольт высоковольтном оборудовании; •*— возрастание отрицательных эффектов коронирования — потерь мощности и энергии, радиои телепомех, шума прово проводов; — увеличение габаритов опор и ширины полосы отчужде отчуждения ВЛ. Применение постоянного тока позволяет снять или умень уменьшить перечисленные выше трудности. ППТ имеют следующие основные преимущества перед передачами переменного тока.

1. Реактивные параметры электропередачи не оказывают существенного влияния на потери напряжения и мощности, по поэтому они меньше при прочих равных условиях.

2. Уменьшение тоюа, передаваемого по линии за счет отсут отсутствия реактивной мощности.

3. Обеспечение возможности несинхронной работы связыва связываемых ЭЭС.

4. Отсутствие ограничения передаваемой мощности по усло условиям устойчивости.

5. Сокращение числа проводов в линии от трех до двух при возможности работы одним проводом через «землю».

6. Уменьшение изоляционных промежутков при одинаковых номинальных напряжениях. Более равномерное распределение напряженности электрическогогдоля вдоль гирлянды. Уменьше Уменьшение за счет этого длины и веса гирлянды изоляторов. 7. Возможность применения более простых конструкций опор ВЛ (одностоечных вместо двухстоечных). Например, в ППТ Волгоград—Донбасс (800 кВ) это дает снижение веса опоры до 4,3 т по сравнению с 7,3 т в передаче 500 кВ Куйбы Куйбышев—Москва. 8. Уменьшение числа расщеплений проводов. Снижение го гололедной нагрузки. Как следствие — возможность уменьшения сечения стального сердечника проводов. 9. Выполнение вентильными преобразователями функций быстродействующего выключателя и регулятора напряжения. 10. Отсутствие влияния передачи на мощность к. з. в прием приемной системе. 1

1. Возможность применения повышенных напряжений в ка кабельных линиях. Особенно эффективно применение ППТ стано становится при пересечении водных пространств кабельными лини линиями. 1

2. Эффективность сооружения электропередач на расстоя* ния, близкие к 1500 км(четверть длины волны переменного то тока 50 Гц), когда в передаче переменного тока приходится ста ставить большие мощности реакторов и батарей статических кон 8 денсаторов для изменения ее параметров с целью повышения пропускной способности и регулирования напряжения. 1

3. Эффективность передачи мощности от ГЭС, у которых повышается КПД за счет выбора оптимальной скорости враще вращения ротора гидрогенератора. 1

4. Отсутствие эффекта перенапряжений на конце линии, находящейся на холостом ходу. Рис. 1.

3. Сопоставление показателей элект электропередач разного типа при различной сто стоимости потерь энергии § (Р=2 млн. кВт, Т=7000 ч): / — себестоимость С и удельные капиталовложе капиталовложения /Со в передачу переменного тока напряжени напряжением 600 кВ без промежуточных отборов; 2 — то же, но с промежуточными отборами, 3 — пере дача постоянного тока без промежуточных ог боров напряжения ±600 кВ Конечно, технико-экономические преимущества ППТ в зна значительной мере гасятся, во-первых, ущерббм из-за ухудшения качества электроэнергии, связанного с появлением высших гар гармоник при преобразовании электроэнергии из постоянного в пе переменный ток, во-вторых, большими затратами на преобразова преобразовательное оборудование и на дополнительные устройства (фильт (фильтры), компенсирующие ухудшение качества электроэнергии в приемной системе. 9 Высокая стоимость выпрямителей и инверторов приводит к тому, что ППТ становятся экономически оправданными лишь при больших длинах передачи, исключая вынужденные реше решения, связанные с применением кабельных подводных передач, глубокого ввода и вставок постоянного тока (ВПТ). Это же об обстоятельство практически исключает возможность промежуточ промежуточных отборов мощности. Критическая длина волны /Кр» после ко которой становится выгодным применение ППТ по сравнению с передачей переменного тока, зависит от стоимости преобразова преобразовательного оборудования. Совершенствование и развитие тирис торной техники постоянно снижают величину /кр. По данным проектных разработок, до 1990 г. в американских странах зна значение /кр считалось равным 600 км. В странах, имеющих боль большие протяженные электрические сети, в настоящее время уси усиливается роль ППТ как системообразующих связей, работаю работающих параллельно с передачами переменного тока. Из рис. 1.3 [2], представляющего результаты расчетов по со советским данным, видно, что экономические характеристики ППТ становятся лучшими при длинах более 1000 км. При этом сопоставлении системный эффект не учитывался. Его учет при приводит к появлению областей эффективности ППТ меньших длин. Для кабельных линий их экономическая эффективность проявляется уже при длинах более 80 км. 1.

3. Экологические факторы и безопасность передачи электроэнергии по линиям высокого напряжения Необходимость увеличения мощности ДЭП приводит к воз возрастанию рабочих напряжений. Появились передачи сверхвы сверхвысокого напряжения i(CBH) от 500 до 1000 кВ и ультравысокого напряжения (УВН) свыше 1000 кВ, Вслед за передачами 1150 кВ не исключается возможность появления нового класса напряжения в диапазоне 1500—2000 кВ. Воздействие повышен повышенного напряжения на окружающую среду требует учета экологи экологических факторов при проектировании и эксплуатации ДЭП.

1. Ущерб лесному хозяйству из-за необходимости создания просек. В табл. 1.3 приведена ширина просеки в лесных прост пространствах. 2* Сооружение ВЛ, которое приводит к отчуждению из хо хозяйственного применения пахотные земли и луга, используемые для установки опор. Опоры ЛЭП СВН и УВН на оттяжках тре требуют достаточно большой площади (см. табл. 1.3). 10

3. Нарастание напряжения усиливает коронный заряд. По Потери на корону становятся соизмеримыми по сравнению с поте потерями активной мощности в проводах. Если потери на корону легко учитываются в экономическом обосновании ДЭП, то воз воздействие коронного заряда на окружающую среду должно учи учитываться в виде экологического фактора. В частности, на чело человека неприятное, а иногда и опасное влияние оказывает шум от короны (акустический фактор). При 80 дБ шум вредно воздей воздействует на органы слуха и вызывает другие физиологические по последствия. Здесь же следует отметить, что ВЛ СВН и УВН яв являются мощным источником радиопомех, поэтому нормируется расстояние прохождения трассы ЛЭП не менее 300 м до край крайних жилых домов населенных пунктов. Таблица 1.3 Сопоставление ДЭП переменного тока Параметр Расстояние между край крайними фазами, м Ширина просеки, м Площадь отчуждаемой земли на 1 км линии, м2 Отношение максималь максимальных потерь на корону к потерям на нагрев при экономической плотности тока, % Напряжение, кВ 330 22 54 7,8-104 8,7 500 2а 64 8,8-104 15 750 40 80 15,5-104 18 1150 47 87 31-104 36

4. Сильные электрические поля неблагоприятно влияют $а человека и животных. При длительном пребывании человека в поле с напряженностью более 15 кВ/м могут происходить физи физиологические изменения в нервной и сердечно-сосудистой систе системах, в мышечных тканях и других органах. Наблюдается изме изменение кровяного давления и пульса, может появиться аритмия и повышенная нервная возбудимость. Существуют нормы на продолжительность пребывания человека в течение суток при напряженности поля 5 кВ/м — без ограничения, 10 кВ/м — 180 мин, 20 кВ/м — 10 мин, 25 кВ/м — 5 мин. Наиболее чувствительны к электрическому полю даже при кратковременном попадании в зону его действия копытные жи животные и человек в обуви, изолирующей его от земли. Накапли II в&ющийся на теле заряд при прикосновении к заземленным предметам и растениям с треском стекает, вызывая неприятные, а порой болезненные ощущения. Копытные животные избегают пересечения трасс ВЛ. Замечено, что ЛЭП, проходящие в ши широтном направлении, нарушают сезонные миграции животных с севера на юг и обратно. Для человека могут представлять опасность и изолирован изолированные металлические предметы, например машина или трактор на колесах с резиновыми шинами. Электрический заряд благо благодаря большой емкости таких предметов может при прикоснове прикосновении человека вызвать самые неблагоприятные последствия. Все механизмы, попадающие в зону электрических полей ВЛ СВН и УВН, должны поэтому надежно заземляться. Ограничение напряженности поля под ЛЭП может быть до достигнуто за счет правильного использования растительности под линией. Средняя напряженность электрического поля на просеке с древесно-кустарниковой растительностью высотой 4—5 м под ВЛ не превышает 1 кВ/м при наиболее неблагопри неблагоприятных условиях отрицательных температур. Это приводит к пол полной экологической безопасности людей и животных под линия линиями. Следовательно, увеличивая высоту подвески проводов и со сохраняя кустарниковую растительность, можно снять экологи экологические проблемы в зонах с лесной растительностью. На откры открытых пространствах необходимо либо также увеличивать высоту опор до обеспечения полной безопасности людей и животных, либо обеспечивать экранирование при помощи тросов, подвеши подвешиваемых под фазами передачи. Во многих странах устанавливается допустимая напряжен напряженность электрического поля под ЛЭП УВН такая же, как для ЛЭП более низких классов напряжения (не более 5 кВ/м). Уро Уровень шумов от короны при дожде и от вибрации проводов, как правило, не должен превышать уровень шума ЛЭП 500 кВ, при принятый равным 60 дБ. Глава

2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И УРАВНЕНИЯ ДЛИННОЙ ЛИНИИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

2.

1. Первичные и вторичные параметры четырехполюсника Длинную линию можно рассматривать как четырехполюсник (ЧП) с параметрами Л, В, С, D, называемыми первичными. Примем напряжение и ток Uu Ix как входные параметры, 02, 12 h — напряжение и ток выхода ЧП. Здесь и далее, чтобы изба избавиться от коэффициента "|/3, учитывающего трехфазный харак характер передачи, используется линейный ток /л = УЗ/ф, при этом ин индекс л ниже везде опущен. Связь между параметрами начала и конца (входа и выхода) ЧП описывается уравнениями: f B!t\ B.1a) Ix = O>2 + D/

2. B.16) Поскольку ЧП, эквивалентный линии передачи, можно счи считать симметричным, то A = D, а третье уравнение ЧП, связыва связывающее первичные параметры, записывается в следующем виде: А2—ВС =

1. B.2) Если первичные параметры можно найти для ЧП с сосредо сосредоточенными параметрами из опытов к.з. и х.х, то для линии с распределенными параметрами это сделать сложнее, и именно этому посвящен нижеследующий материал. Введем понятие вторичных параметров ЧП, которые нахо находятся из рсобого режима подключения характеристической на нагрузки. Этой нагрузке соответствует комплексное сопротивле сопротивление Zc, называемое характеристическим. Величина Zc тако такова, что выполняется соотношение, когда входное ZBX и выходное 2Вых сопротивления ЧП равны друг другу, т. е. h h °* Используя уравнения B.1, а, б), U, AUo + Bh A (UJL) 4В AZC 2 (J2) + A CZC откуда следует, что = zc1 тогда выражение для вторичного параметра Zc через первичные Zc = УЖ. ' B.4) Режим подключения характеристического сопротивления называется характеристическим. В этом режиме отношение М напряжения начала U\ к напряжению конца U2 позволяет най 13 ти еще один вторичный параметр у, называемый постоянной пе передачи ЧП. Обозначая через ty и ф2 фазовые углы напряжений Uи ^2, получаем М = — = —-— = — е1^1~~^г) = —е^, B.5) где р — сдвиг по фазе напряжений начала и конца. Из постоян постоянной передачи у видно отношение напряжений в логарифмичес логарифмическом масштабе, т. е. у = In М = In — + /jj = a + /р. B.6) Из B.6) видно, что у есть комплексное число, вещественная со составляющая которого а соответствует логарифму отношения модулей напряжения начала и конад ЧП (коэффициент затуха затухания), а мнимая составляющая, как было дано выше, отражает поворот вектора напряжения на ЧП. На основании введенных вторичных параметров Ze и у мож можно перейти к новому виду уравнений B.1), предварительно най найдя связь между ними и первичными параметрами. Из B,6) с учетом B.3) и B.4) B.7) Запишем последнее выражение совместно с B.2) и получим си систему из двух уравнений относительно переменных А и УВС: откуда Дальнейшие преобразования приводят к формулам: А = f-±JL? = chY; VBC = ^^^ = shy. B.8) Z 2, Записывая B.4) последовательно в виде 14 получаем первичные параметры: C=—shy; В =Zcshy. B.9) Таким образом, уравнения ЧП B.1) можно записать через вто вторичные параметры: I2Zcshy\ B.10а) l\ =02 — shy+I2chy. B.106) 2.

2. Длинная линия как цепь элементарных четырехполюсников Задача заключается в том, чтобы на основании известных удельных параметров на 1 км длины линии (г0, х0, go, b0 — ак Р и с.

2.

1. Схема замещения электропередачи* а — участка длиной 1 км, б—длинной линии тивного и реактивного сопротивлений, активной и емкостной проводимости) найти вторичные параметры ДЭП 7 и Zc. He бу будет грубым допущением, если 1 км линии представить элемен элементарным симметричным ЧП с П-образной схемой замещения (рис. 2.1, а), а всю ДЭП как цепь из таких ЧП (рис. 2.1, б), где / — длина передачи в км. Для П-образного ЧП из опытов к. з и х. х получаем, что Ло = 1 +Z-^^\yBQ==Z0,C0=Y0, B.11) где индекс 0 показывает, что речь идет о параметрах элементар элементарного четырехполюсника, Z0=r0 + /x0, YQ*=gQ+jbo. Правомерность записи Л = 1 объясняется тем, что для ВЛ (Ом/км): go^O, лго«0,3, Ь0=3-10-6 см/км. Из B.11) и B.7) получаем значения вторичных параметров элементарного ЧП: ZCo = VZJY*\ B.12) 15 Vo = In (Ao + VB0C0) In A + VZ0Y0). B.12) Учитывая, что yZoKo^l, последнее выражение можно записать в виде Yo = In (I + VIoYo) = VW,. B.13) Рассмотрим последний ЧП с номером / в цепи (см. рис. 2.1, б). Присоединим к нему характеристическую нагрузку Zc0. Тог Тогда его входное сопротивление (UBXfi/IBXfi) окажется равным вы выходному ZcoСледовательно, для следующего с конца (/—1) ЧП рассматриваемый режим является также характеристическим, поскольку на его выходе подключено характеристическое сопро сопротивление Zco. Аналогичные рассуждения можно привести для (/—2) ЧП и всех остальных до первого. Таким образом, прихо приходим к заключению, что входное сопротивление всей цепи (пере (передачи) равно выходному Zco, т. е. Zc = Zco. * Из сказанного можно сделать следующие выводы. Во-пер Во-первых, характеристическое сопротивление передачи Zc не зависит от длины линии, оно равно корню квадратному из отношения удельного сопротивления Zo к удельной проводимости, а также может быть записано через полные сопротивление и проводи проводимость всей передачи: Zc = VZJYo = VZol/Yol = VZ/Y. B.14) Для ЛЭП сопротивление Zc часто называют волновым. Во-вторых, получается, что в характеристическом режиме отношение напряжения к току Ui/Ii = const в любой точке линии. Мощность, протекающая в линии при присоединении харак характеристического сопротивления, называется натуральной: sHaT = 4; BЛ5) а соответствующий ей ток /а=^-/в B.16) также будем называть натуральным. Для цепочечной схемы З УвЫХ, l) ИЛИ 16 B.17) Уравнения ДЭП через вторичные параметры элементарных ЧП приобретают вид: V, = l/,ch Aъ) + hZcsh(ly0); B.18а) /; =0, ~sh (/Ye) + /. ch (/Ye) • Ч B-186) Для расчета режима ДЭП по уравнениям B.18, а, б), в ко которых фигурируют гиперболические функции комплексных пе переменных, следует воспользоваться известными формулами: chy =-ch(a + /P) = chacos?+/shashp; B.19а) sh у =? sh (<* + /p) = sh a cos p + / ch a sin p. B.196) 2.

3. Параметры реальных дальних электропередач Под реальной ДЭП будем понимать передачу, в которой не делается допущения об отсутствии потерь активной мощности, хотя активное сопротивление г0 существенно меньше индуктив индуктивного xq. Так как в соответствии с B.12) Vo = V(r0 + ix0) (gb + jbo), B.20) то a=[vL P[7] Для дальнейших рассуждений приведем параметры одной из ДЭП, например 500 кВ с проводами АС-400ХЗ: го=0,025 Ом/км; ,vo=O,3 Ом/км; g>=2,25-10"8 См/км; Ь0 = 3,62Х Х10~6 См/км. Поскольку пррводимость gOi характеризующая потери на корону, обычно н<* два порядка меньше емкостной проводимос проводимости 6о, возводя в квадрат левую и правую части выражения B.20), можно записать: То = (ао + /РоJ = (гв + jx0) ft0. Переходя к вещественным и мнимым составляющим, получим два уравнения: ао — Ро = — ^о; 2ot0Po = ^о^о, из решения которых относительно ао и р0 следует, что 2 Заказ 135 .17 )a = ^. B.21) Для рассматриваемой ЛЭП 500 кВ находим: Ро= 1,052-10-3 рад/;км = 0,06 эл. град/км; ао=0,043.1Q-

3. Из полученной величины фо видно, что на 1 км ЛЭП при пере передаче натуральной мощности (при подключении сопротивления, равного характеристическому) происходит сдвиг по фазе на 0,06°, соответственно на 1000 км имеем 60°, на 3000 км —180°. Полная волна (сдвиг по фазе на 360°) укладывается в длине ЛЭП 6000 км. Величина а0 означает, что на каждом километре ЛЭП при этом для напряжений начала и конца участка выпол выполняйся соотношение In (UJU2) =0,043-10~

3. Параметры дальних электропередач Таблица 2.1 и кВ 220 330 500 750 1150 и. кВ 220 330 500 750 И 50 Провод АС-300 2АС-400 ЗАС-400 5АС-400 8АС-330 Провод АС-300 2АС-400 ЗАС-400 5АС-400 8АС-330 Сопротивле Сопротивление, Ом/км re 0,098 0,037 0,025 0,015 0,011 Z, Ом 338 305 291 263 248 «о 0,42$ 0,323 0,306 0,286 0,270 Проводимость, См/км #>» Ю-8 4,65 2,0 Г 2,25 1,93 2,07 Мощность,, ГВт нат 0,14 0,34 0,8& 2,14 5,30 Л. 0,12 0,46 1,04 2,60 5,25 Ьо, ш-в 2,64 3,46 3,62 4,13 4,38 МВар/км 0,14 0,41 0,91 2,32 5,79 ю-3 0,145 0,062 0,043 0,029 0,022 О с( *"* at О. 1,065 1,056 1,052 1,085 1,090 X 11 14,5 6,2 4,3 2,9 2,2 Потери, кВт АР 26,5 7Э,5 108,0 180,0 218,0 бр 2,1 2,2 Bfi 10,8 27,4 G4,7 И3,6 190,8 245,4 Для удобства рассмотрим участок линии /=1000 км, соот соответственно InlUifU2) =0,04

3. С очень малой погрешностью можно записать, что ujut = 0.043 1+0,4

3. Если считать, что напряжение одного конца закреплено, то в от относительных единицах падение напряжения на участке 1000 км 18 составит Д?/=0,046, или 4,3%. В табл. 2.1 приведены значения < 59°55; Д *= E00/291) @,021 + /0,867) + + 1,714 @,5004+ /0,037) = 1,8 < 604M. Мощность начала передачи Si = 934—/2,

6. Потери активной мощности АР = 77 МВт. Таким образом, передача натуральной мощности не вызывает никаких технических затруднений. Определим режим ДЭП по П-образной сх!еме замещения. Ток /2=1,714<0°; напряжение U2 = 5Q0<0°. Зарядный ток /гзар= =itJ(/V/2) =/500*3,62/2-Ю-3 = /0,905 кА. Ток в сопротивлении ЛЭП Z/=* 1000 (го+/*о) =25+/306 составляет /z = /2—/2зар= = 1,714—/0,90

5. Падение напряжения в сопротивлении Zc опре определяется следующим образом: A?/ = /cZc=310,8+/501,

3. Следо Следовательно, напряжение начала t/i==I/2+A?/==810,8+j501,3*= = 960< <42°30. Как видно из полученных результатов, представление ДЭП четырехполюсником с сосредоточенными параметрами приводит к недопустимой погрешности. Более того, по такому расчету можно сделать качественно неверные выводы, например о не невозможности передачи активной мощности 857 МВт в рассмат рассматриваемом примере, так как напряжение \U\\ не укладывается в технические допуски. 2.

4. Линия без потерь активной мощности (идеальная линия) Если в линии передачи пренебречь активными сопротивле сопротивлениями и активной проводимостью, т. е. принять идеализацию fo=O, go=O, to коэффициент затухания ао = 0 и постоянная пере передачи у = lyo=l Vjxojbo = jl Г*А= А Параметр Х=1Ух0Ь0 называют волновой длиной идеальной ли линии, он показывает, на какую величину (в радианах) произойдет сдвиг напряжения и тока начала передачи по отношению к 02 и /2 при передаче натуральной мощности РНат. Например, ЛЭП длиной /=1000 км имеет волновую длину X — я/

3. Для анализа режимов ДЭП ниже будем рассматривать характерные переда передачи в четверть волны Х—п/2 при /==1500 км и половину волны А,—я при / = 3000 км. Для идеальной линии характеристическое сопротивление и натуральная мощность величины чисто активные, так как Zc~ = У*о/Ьо, PusiT = Ui/Zc. С учетом B.22) уравнения ДЭП имеют вид: к = 02 cos X 1г =jU2 — sin X + /2 cos X. z B.23а) B.236) Рассмотрим режим передачи натуральной мощности (Р2 = = Рнат, /2=/н=^/2/2с). Поскольку (/2=/2^с то уравнения 2>ЯF000) Рис. 2.

2. Векторная диаграмма токов и напря напряжений линии при передаче натуральной мощности: / —для идеальной линии, 2— с учетом активных потерь B*23, а, б) преобразуются к виду: иг=и2 (cos X + / sin X) = U%eiX\ Ix =/2 (cos X + j sin X) = /2eA. B.24a) B.246) Таким образом, получены уравнения окружности в комп комплексной плоскости (рис. 2.2). При одинаковой волновой длине сдвиг тока и напряжения по отношению к концу передачи оди одинаков и составляет А,. Т^к как в конце передачи подключена чисто активная нагрузка (РН на величину лотерь АР (см. пример в предыдущем п. 2.3)). Рассмотрим режимы передачи активной мощности, отличной от натуральной при (?2=0. Пусть ток конца отличается от нату натурального на величину <ЗГ90. Зарядный ток начала /i3aP=?A(/W/2) ==—0,905+ + /1,48. Ток начала передачи /i = /*—/i3ap=2,619—/2,385 = 3,55 < <42°30. Как видно из полученных результатов, представление ДЭП четырехполюсником с сосредоточенными параметрами приводит к недопустимой погрешности. Более того, по такому расчету можно сделать качественно неверные выводы, например о не невозможности передачи активной мощности 857 МВт в рассмат рассматриваемом примере, так как напряжение \U\\ не укладывается в технические допуски. 2.

4. Линия без потерь активной мощности (идеальная линия) Если в линии передачи пренебречь активными сопротивле сопротивлениями и активной проводимостью, т. е. принять идеализацию fo=O, go=O, to коэффициент затухания ао = 0 и постоянная пере передачи у = lyo=l Vjxojbo = jl Г*А= А Параметр Х=1Ух0Ь0 называют волновой длиной идеальной ли линии, он показывает, на какую величину (в радианах) произойдет сдвиг напряжения и тока начала передачи по отношению к 02 и /2 при передаче натуральной мощности РНат. Например, ЛЭП длиной /=1000 км имеет волновую длину X — я/

3. Для анализа режимов ДЭП ниже будем рассматривать характерные переда передачи в четверть волны Х—п/2 при /==1500 км и половину волны А,—я при / = 3000 км. Для идеальной линии характеристическое сопротивление и натуральная мощность величины чисто активные, так как Zc~ = У*о/Ьо, PusiT = Ui/Zc. С учетом B.22) уравнения ДЭП имеют вид: к = 02 cos X 1г =jU2 — sin X + /2 cos X. z B.23а) B.236) Рассмотрим режим передачи натуральной мощности (Р2 = = Рнат, /2=/н=^/2/2с). Поскольку (/2=/2^с то уравнения 2>ЯF000) Рис. 2.

2. Векторная диаграмма токов и напря напряжений линии при передаче натуральной мощности: / —для идеальной линии, 2— с учетом активных потерь B*23, а, б) преобразуются к виду: иг=и2 (cos X + / sin X) = U%eiX\ Ix =/2 (cos X + j sin X) = /2eA. B.24a) B.246) Таким образом, получены уравнения окружности в комп комплексной плоскости (рис. 2.2). При одинаковой волновой длине сдвиг тока и напряжения по отношению к концу передачи оди одинаков и составляет А,. Т^к как в конце передачи подключена чисто активная нагрузка (РН на величину лотерь АР (см. пример в предыдущем п. 2.3)). Рассмотрим режимы передачи активной мощности, отличной от натуральной при (?2=0. Пусть ток конца отличается от нату натурального на величину <б/, т. е. /^=/н+Й/. Тогда напряжение и ток начала линии примут значения: ix =//HsinA,+ (/„+ 8/} cos A, =/^ + 6/cos*,, где 6?/=*6/Zc. Здесь И ниже вектор \)% сориентирован вдоль ве вещественной оси, т. е. 0^11%. Полученные уравнения описывают эллипсы. При этом эл эллипс напряжения получается из окружности (Рг — ^н) с мнимой дрбаякой /6[/sinA,, а эллипс тока с вещественной добавкой б/cos^. Отклонение нагрузки от натуральной при Q2 = 0 приво ?ит к нарушению равенства модулей напряжения начала и кон !*а передачи. Диаграммы для тока и напряжения показаны на рис. 2:

3. Записывая U\ как 22 Рис. 2.

3. Векторные диаграммы токов и напряжений при пере передаче мощности: а —больше натурально* (Р2> Рп, 6J>Q); 0 — меньше натуральной iP2< РН Рис. 2.

4. Диаграмма напряжений вдоль линии при отсутствии регулирования как было показано выше, модуль напряжения вдоль линии не меняется U\ = U

2. На рис. 2.4 показано распределение напряже напряжения вдоль линии в различных режимах при фиксированном зна значении напряжения U

2. На основании полученных диаграмм можно сделать некоторые выводы. Во-первых, отклонение ак активной нагрузки от натуральной при нулевой реактивной на нагрузке Q2=0 приводит к отклонению напряжения начала пере передачи на величину 6U'=jbU sinX. Модуль напряжения U\ может существенно отличаться от номинала. При Р2>Ри, ?Л>?/2На Например, для ЛЭП 1000 км (А,=60°) при передаче Р2—\,ЪРШ име имеем <6/=0,5/н, C/i = l,4f/

2. Чем больше превышение нагрузки по сравнению с натуральной, тем сильнее вытягиваются эллипсы напряжения по вертикали и тока по горизонтали. При Р2 <Рн происходит снижение напряжения начала пере передачи. Эллипсы напряжения и тока сжимаются соответственно по вертикали и горизонтали. Наибольшее отклонение напряже 24 ния начала наблюдается в передачах длиной /=1500 км (Х = = я/2). . Во-вторых, несмотря на отсутствие реактивной мощности на приемном конце Q2 = 0, реактивная мощность начала передачи оказывается не равной нулю. Из диаграммы видно, что появля появляется угол ф между током и напряжением начала передачи. При передаче Р2> Рн ток 1\ отстает по фазе от Uu следовательно, для источника в начале передачи режим соответствует индук индуктивной нагрузке, реактивная мощность поступает в линию. Фи Физически это можно объяснить следующим образом. Протекание тока, большего, чем натуральный, вызывает такие потери реак реактивной мощности в передаче, которые не компенсируются гене генерацией Q3ap (зарядной мощностью) линии. При передаче Р2реактивная мощ мощность становится столь большой, что может привести к терми термическому поражению генераторов. Реактивная мощность начала вычисляется по формуле 2Zc; C.1) .29 теоретически для идеальной линии /==1500 км Qi= ос. На рис. 3.1 показаны функции напряжения U2 конца идеалы/ой' ДЭП и реактивной мощности ее начала Q\ в зависимости от волновой длины, те же параметры для реальной линии V\ и Q?. На рис. 3.2, а показано распределение напряжений вдоль линии длиной 1000 км в режиме холостого хода. Поскольку (/2=J[/1/cos60°=2i/b то отступая от корца на расстояние /, мож можно получить напряжение ?/j = ?/2cos(yoO Из сказанного следует, что к режимам холостого хода и близким к ним с повышенной избыточной реактивной мощно *» 1000 iSOQ t.KM Рис.

3.

2. Распределение напряжения вдоль линии на х.х.: а— длиной линии 1000 км; б —длиной 3000 км стью, генерируемой линией, необходимо внимательное отноше отношение как при проектировании, так и при эксплуатации ДЭП. Работа генераторов на емкостную нагруаку, кроме того, мо может привести к явлению самовозбуждения. Поскольку полно полностью избавиться от указанных режимов не удается, их расмат ривают как особые режимы ДЭП. Рассмотрим нагрузочный режим линии в четверть волны. Уравнения B.23) принимают вид: "с* C.2) из чего следует» что напряжение U2 не зависит от напряжения If и а ток h не зависит от тока 1%. Более того, изменение нагруз нагрузки на приемном конце при фиксированном уровне U2 возможно лишь за счет изменения тока /г, что, в сваю очередь, влечет из изменение напряжения 0\. Поскольку регулировочный диапазон 30 напряжения невелик (±10—15%), то и возможности по регули регулированию передаваемой мощности оказываются ограниченными, та рис. 3.3 показана диаграмма токов и напряжений линии, имеющих волновую длину Я/

2. Угол б между напряжениями U\ и U2 всегда зависит только от q>2, так как 6 = л/2—ф

2. В свою очеред^ ток 1\ опережает напряжение Ux на угол Рис. 3

3. Векторные диаграммы напряжений и токов линии в четверть волны при активно-индуктивном характере йагрузки в конце передачи ^2 = ^2+/Q2 на вход ЛЭП подается активно-емкоСтная нагруз нагрузка Sx=^Pi—jQx. При чисто активной нагрузке в конце передачи Угол й = 90°, т* е. при любой величине передаваемой мощ мощности всегда наблюдается предел по статической устойчивости такой передачи. Отмеченные обстоятельства, среди которых главным являет является пониженная пропускная способность ДЭП, близких к четвер четверти длины волны, приводят к необходимости разработки спосо способов искусственного снижения волновой длины. Такое снижение параметра Л, называется компенсацией, а линии, следовательно, компенсированными. Способы компенсации вытекают непосред непосредственно из формулы %=*%XY. Для уменьшения % необходимо 31 снижение либо индуктивного сопротивления X, либо емкостшэй проводимости У, либо и того и другого вместе. Уменьшение/па Уменьшение/параметра X достигается за счет последовательного включения в рассечку линии конденсаторов, сопротивление которых XJ ком компенсирует индуктивность X. Уменьшение параметра Y достига достигается включением шунтирующих реакторов с проводимостью Ур, компенсирующих емкостную проводимость линии на зе^лю [3J, Обычно используется комплексная компенсация X и У при X X Рис 3

4. Компенсация (а) и настройка (б) волновой длины линии близительно в одинаковой пропорции (рис. 3.4, а). Если степень компенсации С одинакова для параметров X и Y то волновое сопротивление передачи Zc остается неизменным. При этом максимальная мощность передачи B.26) увеличива увеличивается с возрастанием С, так как при равенстве напряжений нача начала и конца C.3) Например, если параметры ДЭП с волновой длиной я/2 ском скомпенсированы на 50%, то отношение пропускной способности компенсированной передачи Рш к мощности некомпенсирован некомпенсированной ЛИНИИ Рт СОСТаВИТ Р^п/Рщ = 1^

2. Необходимая степень компенсации передачи определяется из условия обеспечения требуемой пропускной способности ли линии с учетом 20% запаса по статической устойчивости Р^— = 1,2 Р^т. Здесь Р2т — максимальная передаваемая мощнрсть от станции на передающем конце в приемную систему. Рассмот Рассмотрим задачу в упрощенной постановке без учета потерь мощнос мощности в линии. Как правило, передача должна быть двухцепной из условия резервирований и надежности. Введем обозначения; Z°c, Я0— параметры ДЭП без компенса компенсации; Zc, ^к—параметры компенсированной передачи. Соот 32 ветственно пропускная способность для той и другой передачи определяется формулами:* Р°т = ВД/^с sin Хо), Ркт = UMiZ* sin Г). C.4) Примем за основу комбинированный способ компенсации как продольных, так и поперечных параметров в одинаковой про пропорции С = Сх = Су. В этом случае Z* =2?. Пусть Рт ^ 1,2Р2т, т. е. требуемая пропускная способность при данном классе напряжения не обеспечивается. Возможны два решения. Первое заключается в переходе к более высокому напряжению. Например, требуется спроектировать ДЭП для пе передачи мощности Рг = 3000 МВт на расстояние /=1200 км. Не Необходимо обеспечить пропускную способность Рт=3600 МВт. Рассмотрим ДЭП 500 кВ: натуральная мощность на две цепи Рн=1720 МВт, А,° = 72°, P°m=Pjsin№ = 1810 МВт. Так как Р°т < 3600 МВт, то в качестве варианта проекта следует рассмот рассмотреть ДЭПч750 кВ: Рн=4280 МВт, Р^=4500 МВт. В такой пере передаче компенсация вообще не требуется, так как обеспечивается запас по статической устойчивости более 20%. Второе решение состоит в определении степени компенсации С на первоначально выбранном классе Напряжения. Из выра выражения C.4) для компенсированной передачи PH/sin kK = Pm, откуда волновая длира r = arcsin(PH/PS,). C.5) Необходимая степень компенсации С (Хо — Хк) №. C,6) Для рассматриваемого примера при классе напряжения 500 кВ |XK=arcsin( A720/3600) =28,5°, С= G2—28,5O2=0,6, т. е. для обеспечения требуемой пропускной способности ДЭП необходимо параметры и волновую длину скомпенсировать на 60%. Технико-экономическое сопоставление двух вариантов на основании первого и второго решений позволит окончательно выявить направление проектной разработки. 3 Заказ 135 33

3.

2. Особенности линии длиной в половину волны* Настроенные электропередачи Линия длиной / = 3000 км имеет волнозую длину Х = п. Ее пропускная способность практически не ограничена (см. рис. 2.5). В отличие от рассмотренной выше линии в четверть волны, полуволновые линии не имеют отмеченных выше недо недостатков на х.х и в нагрузочных режимах. Действительно, из уравнений передачи B.23)-при cosji=—1 и sinn = 0 следует, что ul = -u%,il=-il, C.7) для любых режимов, в том числе для холостого хода /i = /2=0. Р>РН Рис. 3.

5. Распределение напряжений (а) и токов (б) в линии длиной в полуволну Напряжение и ток начала соответственно сдвинуты по фазе по отношению к концу всегда на 180°. Интересно проанализировать напряжение и ток в середине На холостом ходу Ufpx =0. При передаче натуральной мощнос мощности (/2=/*) наряжение середины лцнвд по величине не отлича отличается от напряжений начала и конца

1. На рис. 3.2, б показано распределение напряжения вдоль линии в режиме холостого хо хода. Распределение тока и напряжения по модулю в различных режимах от холостого хода до Р>РН показано на рис. 3,

5. 1 Ток в средней части лин^и не зависит от режима и по величине всегда равен натуральному току^ , . * 84 Таким образом, х.х, с точки зрения перегрузки генераторов и работы изоляции передачи, не встречает затруднений. То же самое можно сказать и о нагрузочном режиме со стороны регу регулирования мощности в широком диапазоне. В нагрузочном режиме передача ведет себя так, как будто она не существует. Предел передаваемой мощности самой лини линией не ограничивается и определяется параметрами передающей и приемной систем. На рис. 3.6 дана схема замещения, включа включающая в себя станцию с ЭДС Е и сопротивлением Хи ДЭП с вол Xi /r>rv. Uc Рис. 3.

6. Нагрузочный режим линии длиной в полуволну: а — схема замещения сети; б — векторная диаграмма; в — эквивалентная сеть без дальней передачи левой длиной ^ли приемную систему, в которой за сопротив сопротивлением Х2 поддерживается неизменным напряжение Uc. Углы и i62 показывают сдвиг по фазе напряжения на участках Хх я Х

2. Из векторной диаграммы следует (ри.с 3.6, б), что откуда Следовательно, P RejSJ = Жеу/fJ = Re [/ (EUC % + 35 Учитывая, что ?=— —fUc sin 62, получаем * p = (EUC sin 8X cos62 + EUC cos Sx sin 82)/(X1 + X2) = Аналогичное выражение получается для системы, представлен представленной на рис. 3.6, в и не содержащей ЛЭП. В 1968 г. в СССР был осуществлен уникальный и пока единственный в мире эксперимент по передаче мощности на рас расстояние 2858 км. Была собрана искусственна схема передачи, включающая в себя участки Волгоград—Москва—Куйбышев— Челябинск—Свердловск на напряжении 500 кВ. Опытным пу путем были подтверждены теоретические исследования режимов ДЭП полуволновой длины. Существенным недостатком полуволновых линий является зависимость напряжения середины линии от передаваемой мощ мощности /V Во-первых, при больших значениях Рг напряжение мо может быть недопустимым, т. е. необходимы способы его искусст искусственного снижения. Во-вторых, затруднен отбор мощности в средней части при помощи традиционных силовых трансформа трансформаторов, поскольку напряжение здесь может колебаться в слиш слишком широком диапазоне от нуля до больших величин. Правда, можно воспользоваться условием, что "ток в средней части ли линии стабилен и равен значению /н, т. е. построить отбор мощ мощности по принципу трансформаторов тока. Хотя реализация это этого принципа возможна, она требует новых технологических раз разработок, так как предполагаемый силовой трансформатор тока должен иметь не один, а два высоковольтных ввода. Некоторые привлекательные особенности полуволновых ДЭП привели к появлению проектов так называемых настроен настроенных электропередач. К ним относятся передачи длиной более 2000 км, но менее 3000 км с искусственным увеличением (на (настройкой) волновой длины А, до значения я. Увеличение волно волновой длины осуществляется за счет включения дополнительных реакторов последовательно с отдельными участками линии (увеличение индуктивности) и батарей статических конденсато конденсаторов, повышающих емкостную проводимость на землю. Однако проекты пока не реализованы главным образом из-за невозмож невозможности присоединения к энергосистемам в промежуточных точ точках. Кроме того, для таких больших расстояний предпочтитель предпочтительнее использовать ППТ. 36 3.

3. Автоматическая аварийная разгрузка и переключательные пункты дальних электропередач Как было показано выше, режимы передачи активной мощ мощности описываются угловой характеристикой P = Pm sin 6, где Pm=U2/Zcsink. Обозначим через Рн максимальную передавае передаваемую мощность в нормальном режиме, Рнт— максимальную про пропускную способность передачи при 6 = 90°. Известно, что коэф коэффициент запаса К11 по условиям обеспечения статической устой ti/u. Рис. 3.7. Угловая характеристика актив активной мощности электропередачи чивости должен быть не менее 0,

2. Этот коэффициент показыва показывает величину разности (Рт — Рн) в долях от мощности нормаль нормального режима, т. е. Кн =-(Р^ — Рн)/Рн, из чего следует: Рн = = Рт/1,

2. Послеаварийный режим ДЭП характеризуется новыми па параметрами. В двухцепной передаче отключение к. з. в одной из цепей приводит к возрастанию характеристического сопротив сопротивления ДЭП вдвое по отношению к предшествующему режиму Z\ = 2ZC. Волновая длина передачи сохраняется, так как она не зависит от количества параллельных цепей п. Из сказанного следует, что *= V(xQ/n)/bon, X = I V(xo/n) 37 Обозначим пропускную способность ДЭП *' послеаварийнрм режиме как Р*т. При отключении одной из двух параллельных цепей Рт = 0,5 Р^, как это показано на рис. 3.7. Из услобия эксплуатации необходимо в ряде случаев пре предельно использовать пропускную способность электропередач, допуская для нормального электроснабжения и предотвраще предотвращения потери гидроресурсов на ГЭС работу с запасами устойчи устойчивости ниже обычных. Поэтому послеаварийный режим ДЭП в течение некоторого времени разрешается рассматривать ?ак утя утяжеленный режим'с 8%-м запасом по статической устойчивости. Следовательно, допустимая передаваемая мощность в послеава рийном режиме может составить Ра, Ра = Рт/1,08, что для двухцепной передачи существенно меньше исходной передавае передаваемой мощности Рн. Эта величина в относительных единицах со составляет Ра = 0,555, или 55,5%, при условии, что за базу взята мощность нормального режима. Если при отключении цепи сохранить мощность генерации станции на передающем конце ДЭП, то произойдет нарушение устойчивости. Для предотвращения такого нарушения исполь используются кдк простое и эффективное средство отключение без вы выдержки времени части генераторов и снижение мощности стан станции до величины, не превышающей Рт. Такое отключение по получило название автоматической аварийной разгрузки (ААР). Применение ААР в ДЭП позволяет повысить экономичность и надежность объединяемых систем, так как статическая устойчи устойчивость в послеаварийном режиме обеспечивается при этом за счет мероприятий, не требующих дополнительных капитальных затрат. Отключаемая мощность vP при помощи ААР зависит от со состава и мощности генерирующего оборудования на станции, так как vP = (Рч — Ра). Действительно, если на станции установ установленной мощностью 1000 МВт работают 10 генераторов по 100 МВт, а по условиям функционирования ААР необходимо отключить 44,5% мощности, то необходимо отключать 5 генера генераторов суммарной мощностью 500 МВт. Если же на станции ра работают 5 генераторов по 200 МВт, то в той же ситуации требу требуется отключить 3 генератора суммарной мощностью 600 МВт. Теряемая мощность в приемной системе частично компенси компенсируется резервом, а частично в объеме yvP, где у^1, компенси компенсируется отключением потребителей, естественно, нанося тем са самым ущерб народному хозяйству. Ущерб и отключаемую мощ 33 ность нагрузки можно снизить, если в ДЭП использовать пере переключательные пункты ПП (см. рис. 1.1) с выключателями для локализации аварии. При к. з в линии отключается лишь часть цепи, сопротивление такой передачи в_ послеаварийном режиме оказывается больше по сравнению с передачей без ПП. Следо Следовательно, возрастают Р% и Ра, что приводит к уменьшению отключаемой мощности vP. Нетрудно убедиться, что сойротив ление передачи и волновое сопротивление 1\ в послеаварийном режиме при различном числе т переключательных пунктов оп определяются по формулам: Х*= X" B + т)?A + т); 1\ 2СB + т)/A + т), а это означает, что пропускная способность ДЭП в послеава послеаварийном режиме т). C.8) Отключаемая мощность при помощи ААР в зависимости от числа переключательных пунктов должна быть не менее вели величины B + т) 1,08 B + m)J Выбор числа переключательных пунктов становится типичной технико-экономической задачей, в которой уреличение т, с од одной стороны, приводит к уменьшению ущерба, а с другой — к дополнительным затратам на сооружение и эксплуатацию пере переключательных пунктов. Расчеты вариантов при различном зна значении т позволяют найти оптимальное решение с минимальны минимальными суммарными издержками. Упрощенно оценку приведенных затрат можно сделать по формуле 3 = 0,125тЛ + yvPTC, C.9) в которой А — капиталовложения йаодин ПП; у — коэффици коэффициент, характеризующий неполное отключение нагрузки потреби потребителей за счет резерва мощности; vP — вероятное среднегодовое время простоя передачи из-за аварий; С — удельный ущерб. Формула написана для нормативного коэффициента эффектив- ности капиталовложений* разного 0,12

5. 39 3.

4. Схема дальней передачи переменного/тока Рассмотрим характеристики и схему первой в мире компен компенсированной ДЭП напряжением 500 «В Куйбышев—Москва. За Заметим, что принципы, положенные в основу э'уой передачи, ста стали использоваться в той или иной мере во всех последующих ДЭП. Передача строилась в два этапа, на первом была пущена одна цепь без компенсации на напряжение 400 кВ. Затем было признано целесообразным ввести новый класс напряжения E00 кВ) и отказаться от использования напряжения 400 кЁ. Так как оказалось, что изоляция передачи позволяла перейти на новое напряжение, то замене были подвергнуты только тран трансформаторы на Волжской ГЭС им. В. И. Ленина и в приемной системе Мосэнерго. В результате было обеспечено существенное повышение пропускной способности передачи. На втором этапе, который закончился в 1959 г., во-первых, была введена вторая параллельная цепь, во-вторых, были построены переключатель переключательные пункты, на одном из которых установлены устройства про продольной и поперечной компенсации (рис. 3.8). Перевод всей передачи на напряжение 500 кВ был закончен в 1964 г., при этом была повышена передаваемая мощность до 1800 МВт. Длина передачи / = 850 км. На'передающем конце установлены гидрогенераторы 20x115 МВт, т.е. Р1 = 2300 МВт. Натуральная мощность каждой цепи составляет 908 МВт, в це целом для передачи— 1816 МВт. Перечислим основные мероприятия и технические решения, принятые в передаче для повышения пропускной способности и коэффициента полезного действия.

1. Впервые применено расщепление проводов на 3, что по позволило уменьшить потери на корону и индуктивное сопротив сопротивление на 28% по сравнению с одним проводом в фазе. Приме Применен провод АСО-480ХЗ. Характеристическое сопротивление од одной цейи равно 276 Ом.

2. Сооружение трех переключательных пунктов. Каждая ли линия разбита на четыре приблизительно одинаковых участка. Повреждение ЛЭП приводит к отключению одного такого участка и возрастанию сопротивления передачи в послеаварий ном режиме на 25%* Для сохранения динамической устойчивос устойчивости применено быстродействующее отключение ЛЭП и ААР.

3. Применена продольная компенсация конденсаторами, что приблизительно на 26% снизило индуктивное сопротивление ли линии. Мощность батареи конденсаторов 500 МВар. Поперечная компенсация реакторами выполнена приблизительно в той же 4Э пропорции. Наличие реакторов уменьшает результирующую ге генерацию линии и тем самым уменьшает потоки реактивной мощности в передаче, снижает потери мощности и выравнивает напряжение в промежуточных точках. ПЛ2 405 а Рис. 3.8. Принципиальная проектная схема электропередач 500 кВ

4. Применено сильное регулирование напряжения, благода благодаря чему (G!=const и и?. = const.

5. На приемном конце установлены синхронные компенсато компенсаторы, которые, во-первых, поддерживают на необходимом уровне напряжение, во-вторых, при передаче активной мощности боль больше натуральной обеспечивают встречный поток реактивной -мощности в сторону линии. 41

6. На передающем конце установлены шунтирующие реакто реакторы для поглощения избыточной реактивной мощности ЛЭП на холостом ходу и в режимах передачи активной мощности мень меньше натуральной. Передача Куйбышев—Москва в дальнейшем стала выпол выполнять функции межсистемной связи между параллельно работа работающими энергосистемами. Появились проблемы регулирования напряжения, частоты и активной мощности в таких межсистем межсистемных связях. Были разработаны новые виды системной автома автоматики, функционирование которых тесно связано с режимами и свойствами ДЭП. Главной особенностью режима межсистемной связи является нестабильность передаваемой мощности, объяс объясняемая нерегулярными и непредвиденными колебаниями на нагрузки в объединяемых энергосистемах. Возможно опасное из изменение перетока мощнЬсти при внезапных нарушениях балан баланса мощности в отдельных энергосистемах. Схемы электропередач СВН и УВН могут отличаться друг от друга в зависимости от функциональной роли ДЭП, ее дли длины, передаваемой мощности и расположения в ЭЭС. Однако ос основные принципы, перечисленные выше и продемонстрирован продемонстрированные на примере ДЭП Куйбышев—Москва, претерпевают суще существенное изменение в направлении совершенствования и разви развития средств автоматики, способов и средств управления попе поперечной компенсацией, методов и средств, включая ЭВМ, веде ведения режима и повышения его экономичности. Уделяется боль большое внимание применению методов автоматического повторно повторного включения и повышению скорости его действия, ограничению перенапряжений и снижению габаритов оборудования ДЭП УВН, его экологическому воздействию и другим вопросам. 3.

5. Повышение пропускной способности электропередач при помощи регулируемых источников реактивной мощности Одной из наиболее важных функций ДЭП переменного тока является увеличение предела передаваемой мощности й повы повышение статической устойчивости генераторов, работающих на передачу. Наибольшее внимание уделяется возможности авто автоматического управления поперечной компенсацией при помощи управляемых источников реактивной мощности (УИРМ). Наи Наиболее совершенными источниками являются синхронные ком компенсаторы (СК), обеспечивающие через сильное регулирование постоянство напряжения в промежуточных точках ДЭП в мес местах их присоединения (рис. 3.9). 42 ДЭП как бы разбивается на ряд самостоятельных участков, напряжение концевых точек которых регулируется и поддержи поддерживается неизменным. Тогда пропускная способность ДЭП опре определяется не всей ее волновой длиной Л, а длиной отдельных участков. Пусть переключательные пункты с УИРМ установле установлены на равном расстоянии, они делят передачу на п равных уча участков. Тогда Pm^UV{Z€sm(X/n)}. (ЗЛО) Например, передача длиной /=1000 км имеет пропускную спо способность /Vsin60°, равную 1,16 Ри. При поддержании U = const в двух промежуточных точках, как это показано на рис. 3.9„ j I 1 j 93Ci 'пЬГо Л ЭЭС2 Ри с. 3.9. Размещение управляемых источ источников реактивной мощности волновая длина участка 333 км равна 20° и Рт = 2,93Рн. Про Пропускная способность ДЭП возрастает в 2,5 раза. Основная проблема здесь состоит в высокой стоимости УИРМ из-за необходимой большой реактивной мощности попе речной компенсации. Чтобы передать йо каждому из участков активную мощность, например равную 2РН, в рассматривае рассматриваемой выше передаче длиной 1000 км требуется обеспечить встречные потоки реактивной мощности на каждом участке qx= —q

2. Из формулы B.26) следует, что 2Рн =PHsin6/sin20°, откуда сдвиг напряжения по фазе на каждом участке составля составляет б/ = 43°. На основании соотношения B.30) qk = — q2 = (cos 20° — cos 43°)/sin 20° = 0,6

1. Таким образом, реактивная мощность каждого УИРМ должна составлять 1,22 Рн. Конечно, не вся эта мощность должна по покрываться синхронными компенсаторами. Наибольшая ее часть может генерироваться батареями статических конденсаторов и лишь небольшая доля при помощи СК, регулирующих напряже напряжение по закону U=const. 4а Кроме рассмотренного закона регулирования напряжения возможно использование другого закона регулирования реак реактивной мощности УИРМ. Поставим следующую задачу. Результирующую проводи проводимость ДЭП на землю У регулировать таким образом, чтобы лю любая передаваемая мощность Р равнялась натуральной мощнос мощности передачи Рн при новом регулируемом значении Ур. Это усло условие эквивалентно другому условию, которое можно сформули сформулировать следующим образом: при любой передаваемой мощности Р углы 6 и Л,р должны быть равны друг другу (здесь индекс р указывает на регулируемость параметра). Из первой формулировки следует, что U2/Zcp = Р, V X/Yp=U2/P, Yp= Чтобы удвоить передаваемую мощность, необходимо в четыре раза увеличить проводимость на землю, а это приводит к необ необходимости большой дополнительной генерации реактивной мощности на ПП при помощи УИРМ. Привлекательность тако такого регулирования режима заключается в том, что при этом ус успешно решается проблема статической устойчивости. Вместо традиционной угловой синусоидальной характеристики переда передачи P=Pmsin6 получается линейная зависимость Р = /(б, для ко которой отсутствует предел по устойчивости. Действительно, если Р=Рц и б = Хр:=У^Ур, то B.26) преобразуется к виду: Р = U2/(Zcpkp) sin 8=U2 УУр/УТ~ U2 VXYJX2=( Применение управляемой поперечной компенсации может быть экономически оправданным лишь при разработке УИРМ с невысокой стоимостью. Использование для этих целей дорогих СК не дает экономического эффекта. Уделяется большое внима внимание поэтому новым регулируемым источникам. Одним из на направлений является создание дешевых управляемых реакторов. Здесь рассматриваются два способа. Во-первых, используется идея регулирования сопротивления реактора с железом за счет регулирования тока подмагничивания. Были попытки использо использования для этих целей магнитопроводов и обмоток силовых тран трансформаторов, статорных цепей и частей синхронных машин и др. Однако большие затраты на электротехническую сталь не обеспечили успех этого способа. Во-вторых, используются обычные реакторы без магнитопровода, но с тиристорным ре регулированием тока потребления (рис. ЗЛО, а). Поскольку в ре режимах передачи мощности больше натуральной требуется до 44 полнительная генерируемая мощность, то такие управляемые реакторы устанавливаются параллельно с мощными батареями конденсаторов (рис. 3.10, б). Второе направление связано с разработкой тиристорно уп управляемых источников реактивной мощности на базе СК (рис. 3.10, в) и включением их в ДЭП параллельно с реактора реакторами (рис. 3.10, г), необходимость в которых может возникать при передаче малой активной мощности. Биполярно включенные тиристоры в каждой фазе обеспечи обеспечивают регулирование длительности протекания тока в обоих по Р и с. 3.10. Виды устройств управляемых источников реактивной мощности лупериодах синусоидально изменяющегося приложенного на напряжения, т. е. обеспечивают регулирование мощности потреб потребления (генерации) по первой гармонике тока. В услорных схе схемах (см. рис. ЗЛО) не показаны устройства управления тиристо тиристорами и способы их подключения, а также сопутствующие фильт фильтры, необходимые для подавления появляющихся высоких гар гармоник. Поскольку в настоящее время тиристорная техника быстро совершенствуется* нет оснований сомневаться, что УИРМ най* дут широкое применение в ДЭП переменного тока. 45 Глава

4. ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ Наряду с широко распространенными электропередачами леременного тока, рассмотренными в предыдущих главах, су существуют и имеют значительную перспективу распространения электропередачи постоянного тока. Так как все электрические системы, действующие в большой энергетике, являются систе системами переменного тока, то ППТ всегда связывают между собой две системы переменного тока. Структурная схема ППТ изобра изображена на рис. 1.

2. В некоторых случаях электрические системы могут непо непосредственно примыкать друг к другу. В этих ситуациях связыва связывающая системы линия отсутствует, а выпрямитель и инвертор расположены на одной подстанции. Такие электропередачи на называются вставками постоянного тока (ВПТ).

4.

1. Историческая справка о передачах постоянного тока и вставках постоянного тока, перспективы их распространения Первые ППТ появились задолго до создания электропередач леременного тока, когда еще не был решен вопрос о преиму преимуществах той или иной системы производства, передачи и потреб потребления электрической энергии. В 1879 г. в Вене на международ международной выставке демонстрировалась передача длиною в 4 км, а в конце этого же года в Мюнхене — 60 км. Увеличения мощности в то время добивались за счет повышения напряжения генера генераторов постоянного тока и их последовательного соединения. Наиболее мощной ППТ в те времена была передача во Фран Франции длиной 260 км, напряжением 125 кВ и передаваемой мощ мощностью 20 МВт A906 г.) Однако изобретение Доливо-Добровольским в 1891 г. прин принципа трехфазного переменного тока подорвало возможности распространения систем постоянного тока. Вновь к ППТ обра обратились после второй мировой войны в связи с созданием мощ лых преобразователей тока. Первая отгатно-промышленная пе передача была введена в 1950 г. ha трассе Кашира—Москва. Ее длина 120 км, напряжение 200 кВ, мощность 30 МВт. За рубе жш первая ППТ введена на о. Готланд в Швеции в 1^54 г. Ее длина 98 км, иапряжение 100 кВ, шэщность 20 МВт. Наиболее значительная ППТ в СНГ к настоящему времени соединяет Волгоград с Донбассом* она введеиа в 1962 г. Ее дли длина 475 км, напряжение 800 кВ, мощность 720 МВт. К настояще настоящему времени ППТ наибольшей протяженности 1700 км действует в Заире. Ее напряжение 1000 кВ, а мощность 560 МВт. Наибо Наиболее мощная ППТ сооружена в Бразилии. Ее мощность 2X3150 МВт, напряжение 1200 кВ, а длина 800 км. Существует проект ППТ Экибастуз—Центр мощностью 6000 МВт, длиной 2400 км и напряжением 1500 кВ. Наряду с ППТ широко применяются ВПТ. Первая ВПТ бы была построена в 1965 г. в Японии (ГЭС Сакума) для связи ЭЭС 50 и 60 Гц Севера и Юга страны. Ее мощность 300 МВт. Наи Наиболее крупная в мире ВПТ построена в г. Выборге в 1984 г. для связи ЭЭС СССР и Финляндии. Ее мощность 1065 МВт. Всего на начало 1987 г. в мире действовало 36 ППТ и ВПТ общей мощностью 20000 МВт. В период до 1995 г. намечено ввести еще около 30 таких объектов. Существует обоснованная позиция [4], заключающаяся в том, что оптимальное развитие ЕЭЭС СНГ должно опираться на со сооружение сверхмощных и сверхдальних ППТ из Сибири в цент центральные и западные районы содружества. Применение ППТ в настоящее зремя перспективно в следую следующих случаях: — для транзитной передачи больших мощностей от удален удаленных источников $ центрам нагрузки; — межсистемной связи; — глубоких кабельных вводов в города. Применение ВПТ целесообразно: — для секционирования крупных объединенных электро электроэнергетических систем (ОЭЭС) для управления потоками мощ мощности, обеспечения устойчивой работы слабых межсистемных связей (МСС); — связи ЭЭС с разными стандартами частоты; — обеспечения коммерческого экспорта или импорта элект электроэнергии между ЭЭС разных стран.

4.

2. Схемы передач постоянного тока На рис. 4.1 показана схема замещения ППТ, соответствую соответствующая рис, 1.

2. На схеме обозначены через Ев и ?и эффективные значения ЭДС выдрямителя и инвертора, через Ud\ и ?Л*2 — на напряжения в начале и конце ППТ, Id— ток передачи, /?в и Яи — внутренние сопротивления линии. Ток а лшши 'Яв-t Йи + R/ " 47 Мощности, отдаваемая выпрямителем в линию (Pdi) и получае получаемая инвертором из линии (Лгг), соответственно равны: D.2) P и с.

4.

1. Схема замещения передачи посто постоянного тока Основное уравнение линии постоянного тока следующее: Vdi = Ud2 + IdRd, D.3) где Rd=Rol. Основным объектом ППТ является преобразовательная под подстанция (ПП), а ее основным агрегатом — вентильный мост. [сЩ \ JL * Рис.

4.

2. Мостовая схема преобразования передачи по постоянного тока Для ППТ и ВПТ используются шестии двенадцатиполюсные мостовые схемы, позволяющие уменьшить пульсации тока при выпрямлении. Один из примеров приведен на рис.

4.

2. В схеме в 48 ат Рассмотрим некоторые принципиальные схемы ППТ (ВПТ)* В униполярных ППТ заземлен оди&«з полюсов и линия /име /имеет лишь один провод, изолированный от земли. Второй гфовод заземлен с двух сторон линии. Схема такой передачи показана Рис. 4.

4. Схема униполярной вставки по постоянного тока на рис.

4.

3. Увеличение напряжения и мощности передачи до достигается включением последовательно двух мостов, верхние лреобразовательные мосты находятся под двойным выпрямлен лым напряжением. Рис. 4.

5. Схема биполярной вставки постоянного тока В схеме рис. 4.4, где чередуются выпрямительные и инвер торные мосты, максимальный потенциал полюса не превышает выпрямленного напряжения одного моста (?Лш). Такую схему можно рекомендовать для ВПТ. В этих ехемах замъйсание на землю в любой точке сторойы постоянного тока приводит к ВО режиму КЗ и сопровождается значительными токами как в мес месте К$, так и в элементах оборудования. Рис 46 Схема биполярной вставки постоянного тока с маг магнитной связью между полуобмотками полюсов В биполярных схемах заземлены средние точки обоих преоб преобразователей, а полюсы изолированы. Это позволяет разделить передачу на две независимые полуцепи. Принцип выполнения Рис 4f7. Схема биполярной передачи постоянного тока биполярной схемы показан на примере ВПТ (рис. 4.5). Рабочее напряжение не превышает выпрямленного напряжения одного моста; замыкание на землю не сопровождается протеканием то 4* 51 ка КЗ, но приводит к удвоению среднего значения потенциала полюсов. Схема усложнена из-за наличия сглаживающих реак реакторов, резисторов в средних точках и демпфирующих и симмет симметрирующих (R—С)-цепочек на полюсах преобразовательных мостов. Применение реакторов с магнитной связью между полуоб полуобмотками, включенными в разноименные полюса, позволяет удо удовлетворить два противоречивых требования: увеличение индук индуктивности в контуре постоянного тока и снижение индуктивное К ПС Финляндии 6Л-4О0 П 5А-400 П к ас Рис. 4.8. Схема Выборгской вставки постоянного тока ти в контурах,, связанных с замыканием на землю на стороне лостоянного тока для облегчения условий работы при перена перенапряжениях. Такая схема, использующаяей для ВПТ, показана на рис. 4.

6. Область применения биполярных ППТ — передача мощнос мощностей на далекие расстояния. По таким схемам выполняются все мощные ППТ в нашей стране и за рубежом. Для увеличения напряжения передачи в каждый полюс включаются последова последовательно два преобразовательных моста (рис. 4.7), . * При равной нагрузке полуцепей ток в земле отсутствует. При повреждении одного из» полюсов передача в целом не выходит 52 из строя, так как вторая.полуцепь продолжает работать с возв возвратом тока через землю. При атом мощность передачи снижает снижается вдвое. Чтобы исключить вредное воздействие токов на под подземные коммуникации, заземляющие точки обычно выносят с помощью специальных линий на десятки километров от ПП. Для увеличения мощности передачи часто включают по не нескольку преобразовательных устройств параллельно. На рис* 4.8 изображена схема Выборгской ВПТ, связывающей ОЭС НОРДЭЛ стран Северной Европы и ЕЭЭС СНГ. Внедрение ППТ и ВПТ длительное время сдерживалось не ненадежностью преобразовательных устройств. Однако за послед последние годы значительно повысилась надежность работы оборудо оборудования выпрямительных и инверторных шщ^анций — высоко высоковольтных тиристорных вентилей, преобразовательных трансфро маторов, фильтрокомпенсирующих устройств, систем охлажде охлаждения вентилей деионизированной водой; аппаратуры управления и защиты, выполненной с применением интегральных микро микросхем. Коэффициент энергетической готовности ПП достигает 98—99%.

4.

3. Уравнения трехфазной мостовой преобразовательной схемы Для преобразования трехфазного переменного тока обычно используется трехфазная мостовая схема. Получим характерис характеристики преобразователя на основе анализа электромагнитных процессов в нем. Схема замещения одномостового выпрямителя приведена на рис. 4.9. Трехфазная симметричная система сину синусоидальных ЭДС приложена за эквивалентным сопротивлением системы Xs. Трансформатор преобразователя замещается сопро сопротивлением рассеяния Хр. В схему замещения включено также сопротивление Х& сглаживающего реактора. Активными сопро сопротивлениями и емкостями ввиду цх малости можно пренебречь. Рассмотрим характеристику отдельного тиристора, входяще входящего в схему преобразователя. Вольт-амперная характеристика показана на рис. 4.10. При подаче на тиристор от внешнего ис источника положительного напряжения («плюс» на анод и «ми «минус» на катод) и отсутствии тока управления (*у = 0) тиристор будет оставаться закрытым до тех пор, пока напряжение не до достигнет величины напряжения переключения ?/пер. Ток при этом будет незначительным, практически равным нулю. При напря напряжении, большем чем ?/пер, тиристор откроется и скачкообразно перейдет в проводящее состояние. Напряжение на нем резко сни снизится (почти до нуля), а ток возрастет. Если на тиристор пода 53 вать управляющий ток, то i/пер снизится и тем сильнее, чем боль больше будет величина управляющего тока. После открытия тирис Лмодная группа $ к* -О Катанная группа бентнлем Рис. 4.9. Схема замещения выпрямителя тора он будет оставаться в этом состоянии даже при снятии уп управляющего тока, поэтому для его открытия достаточно им о и г>0 Рис. 4.10. Вольт-амперные характеристики тиристора (а) и идеального вентиля (б) пульса управляющего тока. Если амплитуда импульса достаточ достаточно велика, то тиристор откроется уже при незначительном на напряжении ?/цер. М При подаче на тиристор напряжения обратного знака он ос остается закрытым, и лишь когда это напряжение станет доста достаточно большим (t/np), примерно равным Uaep, то тиристор будет пробит и выйдет из строя. „„^м Пренебрегая незначительными токами утечки при закрытом тиристоре и его сопротивлением в открытом состоянии можно представить идеальную характеристику тиристора (рис. 4.1U.0). Ui U. 'U u?_ , L> Ж U, Рис. 4.1

1. Эквивалентная схема мостового преобразователя Одновременно не будем рассматривать нулъеации выпрям выпрямленного тока, полагая, что демпфирующий реактор их сглажи сглаживает. Исходя из сказанного, рассмотрим уравнения режимов мос мостового преобразователя. На схеме замещения, изображенной на рис. 4.11, примем положительные направления токов совпадаю совпадающими с направлением проводимости вентилей. Нумерацию на напряжений вентилей примем в соответствии с очередностью их открытия. Применение первого закона Кирхгофа к схеме (см. рис. 4.11) дает уравнения it + h + к I'd* iA = *'4 — *\; *в = h— D.4) *'c =i2 — h Обойдя контуры щ, и2, еА и ее, имеем: 65 Выразив токи фаз iA и ic через токи вентилей, получим: D.5) ес — еА = Хк (t\ + н — h — if) + "i + "г + ud. D.6.1) Обходя схему по другим контурам, соответствующим следую следующим парам вентилей: 2—3, 3—4, ..., 6—1, получаем: есев = Хк ~~ (t2 + *, i& i% Ud; D.6.2) ,; D.6.3) ec = XK ^ (t4 + Ь »\ /,) + «4 + «5 + f/rf; D-6.4) -ь-н) «; D-6.5) eA = XK ^(t, + ч i, it ue + Ul rf. D.6.6) В соответствии с очередностью работы вентилей получим выра выражения для ЭДС в контуре выпрямления (табл. 4.1). Таблица 4.1 Работаю Работающие вен вентили 1—2 2—3 3—4 4-5 5—6 6—1 Схема действия Действующие ЭДС ее—^а ее—ев ед-ев ех-ее ев—ее е*-еА ЭДС в контуре преобразователя Обозначение и величина ЭДС ?1=5*УЗ Em Sill (#+120*) ?>2=f3?wsin(fl+60°) e3==y3?wsin0 e4=y?msin(#—60°) e5=l/tEm sin($—120°) ,б=Г3 Em sin(#-180*) ЭДС в контурах подчиняются уравнениям D.6), которые являются, по существу, нелинейными, так как напряжения 56 х/ь .•., ив являются нелинейными функциями тока. Однако эти кусочно-линейные функции можно аппроксимировать и решать систему D.6) отдельно для каждого участка аппроксимации. Так как период повторения для одномостового преобразователя равен 60°, то достаточно решить уравнения D.6) только для это этого интервала. Представляют интерес два режима работы преобразователя: режим малых токой (режим, близкий к режиму х.х) и рабочих токов. 4.

4. Режим малых токов При малой нагрузке выпрямителя, когда токи малы (менее 5% номинальных), можно пренебречь ЭДС самоиндукции в со сопротивлении и система D.6) примет вид: D.7) Эти же уравнения имеем, если мощность вьшрямителя много меньше мощности питающей системы, т.е. Ак=0. Для анализа работы необходимо рассматривать отдельные интервалы, соответствующие? определенным режимам работы вентилей. Примем за цачщо отсчета времени момент пересече пересечения синусоид еА и ев (максимум синусоиды ее). Тогда уравне уравнения фазных ЭДС будут следующими: D.8) ЭДС в контурах описываются уравнениями, приведенными в табл. 4.L Все векторы ЭДС изображены на рис. 4.1

2. Для при принятого начала отсчета (/б1=0) работают вентили 1 и 2, их на напряжения равны нулю ul = u2=0. Работает цепь щ—еА—ее—Щ. Из D.4) и D.7) h = id\ н = / ; *а = — I'd* 1в = 0; Q = А*; *= Выпрямленное напряжение — это междуфазное напряжение фаз А и С контура работающих вентилей. Из D.7) определим напряжения на неработающих вентилях? = *а — Ud = е2 — eL = е3 = УЪЕт sin #; 57 « К 3 ?m sin (О — 60°); sin 120?). D.9) может вступить только вентиль Таким образом, в ближайший интервал в работу 3, так как лишь для него щ>0. Если в некоторый момент на этот вентиль подать управляющий импульс, off* откроется и произойдет коммутация тока с вентиля / (он закроется) на венгиль

3. В работе будут находиться Вентили 2 и

3. Опишааемые процессы и дальнейшая рабо работа преобразователя иллюстри иллюстрируются диаграммой, изобра женной на рис. 4.1

3. В момент Ф^а, когда подается управля управляющий импульс на вентиль 3, рентиль / запирается, откры открывается цепь Uz—ев—#с—и2* Напряжение щ—щ—О. Из D.4> и D.7) Рис. 4.1

2. Диаграмма фазных и эк эквивалентных ЗДС h = h\ h = A*; iA = 0; iB = = V'd Выпрямленное напряжение — это междуфазное напряжение фаз В и С. Из D.7) определим напряжения на неработающих вентилях: = е»; ег — Ud *= ех — е2 =* е9. L10) Напряжение на выходе преобразователя в момент Ф=а скачком увеличивается до значения е

2. Уравнения D.10) спра справедливы для углов т. е. до момента, когда при появлении положительного напряжения на вентиле 4 на послед последний будет подан управляющий импульс. Далее процесс разво разворачивается аналогично. Значения напряжений на вентилях при приводятся в табл, 4.2, Как видно из рис. 4.13 и табл. 4.2, в катодной группе нахо находится в работе вентиль той фазы, напряжение которой макси 53 IX V "в ui "г Us "^ «5 Рис. 4.13.Графнки электрических величин в режиме малых токов (ре (режим 2) мально, а в анодной — минимально. Выпрямленное напряже напряжение создается междуфазньийнапряжением тех фаз, где включе включены работающие вентили.^ « * Таблица 42 Изменение напряжений на вентилях в режиме малых токов (режим 2) —60*4 а Как видно из рис. 4.13, даже при малых значениях угла за зажигания а существует заметная пульсация выпрямленного на напряжения. Чем больше а, теадшиже эффективное значение 0^ Найдем его среднее значение: /а 60° где Т—период повторения сюда , соответствующий углу 60°. От От-Em cos a = UdQ cos а. D.11) Из D.11) видно, что выпрямленное напряжение не зависит от рабочего тока и внешняя характеристика преобразователя Ud = f(Id) параллельна оси абсцисс.* Рассмотренный режим носит название «Режим 2», так как в любой момент времени в работе находятся два вен*иля. 4.

5. Режим рабочих токов При значительных токах в индуктивностях фаз аапасается существенная энергия и коммутация тока между вентилями не происходит мгновенно. При переключениях токи фаз изменяют изменяются поэтому не скачком, а с некоторой постоянной времени. Рас €0 смотрим процесс коммутации в той же системе отсчета, которая была принята в п. 4.

4. Для углов O^ft^ia лйожно$ считать, что переходный процесс,, вызванный предыдущей коммутацией в 'Момент ~ #=—60°+а, закончился. Тогда напряжение на дентилях и токи изменятся так же, как показано йа рис. 4.1

3. ч В момент подачи управляющего^импульса на вентиль 3 при угле а возникает двухфазное it. з. между фазами А и В. Рабо Рабочий ток вентиля / постепенно снижается до нуля, а вентиля 3— возрастает до h. Длительность этого процесса определяется уг углом 7, называемым углом коммутации. В момент Ф^а-ffy ток вентиля 1 снижается до нуля, в работе остаются вентили 2 и Зу дальнейший ход процесса вновь определяется соответствующи соответствующими участками диаграммы (см. рис. 4.13 и табл. 4.2). В последу последующие периоды коммутации процесс повторяется аналогично, на уже с другими группами вентилей. Так как в одни моменты режима рабочих токов в открытом состоянии находятся два вентиля, а в другие — три, данный ре режим называется «Режим 2—3». Рассмотрим процесс "коммутации подробнее. Учитывая табл. 4.1, запишем Учитывая также D.12), D.16) и D.17), процессы изменения токов и ЭДС можно изобразитьна рис. 4Л4 Из [2] видно, что среднее значение выпрямленного напряже напряжения определяется выражением: Рис. 4.1

4. Графики электрических величин в режиме рабочих токов (режим 2—3) U^coscc d Рис. 4.1

5. Внешняя характеристика выпрямителя (а) и его схема замещения (б) Ud =lp-?mcosa-^-/dXK. D.18) Из уравнения D.18) определяется внешняя характеристика вы выпрямителя (рис. 4.15). В соответствии'с D.18) можно представить схему замещения выпрямителя (рис. 4.15, б}. Активное сопротивление в схеме за замещения ?в^ЗХк/л. D.19) Из рис. 4.15 следует, что U — -^—-Е 4.

6. Инверторный режим преобразователя Преобразователя могут работать в реверсивных режимах. Однако реверс мЪщности нельзя осуществить изменением уров уровней напряжения по концам передачи, как в линии переменного тока, так как вентили имеют одностороннюю проводимость. Что Чтобы изменить направление потока мощности, надо изменить по полярность напряжения преобразователя. Для этого необходимо сместить управляющие импульсы на противоположную полу полуволну синусоиды напряжения сети. Угол открытия вентилей при этом должен лежать в пре пределах 90—180°. Положительное напряжение прикладывается к анодам вентилей инвертора, а отрицательное — к катодам. Про Процесс перевода выпрямителя в инверторный режим показан на рис. 4.1

6. Существо работы инвертора заключается в том, чтобы подключить к источнику постоянного напряжения поочередно такие фазы трансформатора, чтобы ток в его обмотках менял свое направление дважды за период. Целесообразно поэтому управлять коммутацией вентилей, отслеживая напряжения при приемной системы. Такие инверторы носят название ведомых (ве (ведутся сетью) в отличие от автономных, где коммутация осуще осуществляется независимо. Эквивалентная схема одзномостового ин инвертора изображена на рис. 4.17. На схеме ед, ?в, ее — эквива эквивалентные ЭДС приемной системы, а Хк — суммарное сопротивле сопротивление трансформатора и приемной системы. Уравнения преобразователя D.4), D.6) сохраняют свою си силу и для инвертора. Необходимо только отметить, что знак у Ц Выпрямитель ^*i ^t ^3 ^4 Phc, 4 1

6. Перевод выпрямителя в инверторцый режим Рис 4 17 Эквивалентная схема инвертора напряжения Ud для инвертора при тех же углах фазных ЭДС противоположен по сравнению с выпрямителем. Анализ работы инвертора и построение кривых изменения электрических величин для инвертора выполняются так же, как это было показано в пп. 4.4 и 4.

5. На рис. 4.18 показаны процес V "V Рис. 4.18. Показатели процесса коммутации в ин инверторе сы в инверторе для этапов перехода от работы вентилей 1—2 к работе вентилей 2—

3. При работе вентилей 1—2 В отличие от выпрямителя т. е. инвертор развивает противоЭДС. В это время на вентиле 3 напряжение равно и3 = = 0, он готов к работе. Если в момент (см. рис. 4.18) на вентиль 3 подать управ управляющий импульс, он откроется и начнется коммутация тока с вентиля 1 на вентиль

3. Длительность процесса коммутации оп определяется углом коммутации 7Так же, как и для выпрямите выпрямителя, на время коммутации фазная ЭДС фаз А и В определяется их средним значением. То же относится и к эквивалентной ЭДС, которая равна среднему значению ех и е^. 5 Заказ 135 65 Чтобы коммутирующий ток сохранил то же направление, что и в выпрямителе, т. е. был направлен встречно току вентиля / и совпадал с током вентиля 5, вступающего в работу, необхо необходимо, чтобы управляющий импульс iy3 был подан в зоне, где ?а>^в, ЭДС предыдущей фазы больше, чем ЭДС очередной фа фазы (при 180°). Момент открытия вентилей инвертора удобнее отсчитывать от точки пересечения фазных ЭДС не в сторону отставания (угол аи ), а в сторону опережения (угол ?). Угол р=180°—аи и называется углом опережения. Угол >6 = р—у носит название «угол погасания». Так как Ui=—y3?msind, то спустя угол б UjcosJb Рис. 4.19. Внешняя характеристика инвертора (а) и его схема замещения (б) после окончания процесса перехода от режима 1—2 к режиму 2—3 напряжение на вентиле 1 перейдет через нуль (см. рис. 4.18). Так как напряжение на вентиле 1 снова становится положительным, возникает опасность, что он может самопроиз самопроизвольно открыться от того, что процесс деионизации в нем после его закрытия в момент #=18О°-Аб не успеет закончиться. Чтобы этого не случилось, требуется выполнение условия 6>Ь$, где бо — угол, соответствующий времени рассасывания (выключе (выключения) тиристора, обычно равный 5—6°. С учетом разброса управ управляющих импульсов целесообразно выполнить условие: 6> 15—18°. Внешняя характеристика инвертора определяется зависимо зависимостью D.21), аналогичной D.18): 66 UM = Ap-?mcosp + l./;XK. D.2l> Отличие в знаке определяется различием полярностей выводов преобразователей udB = -udH. Графически внешняя характеристика инвертора приведена на рис. 4Л9, а. Здесь начальное значение напряжения Ud опреде определяется углом опережения §, а конечное зависит от угла погаса погасания. На рис. 4.19, а показаны два конечных значения внешних характеристик: для идеального F = 0) и реального F=15°) вен вентилей. На рис. 4.19, б приведена эквивалентная схема замеще замещения инвертора. Изображенное на ней эквивалентное активное сопротивление преобразователя Оно определяет наклон внешней характеристики. 4.7. Регулирование работы передач постоянного тока Совместная работа выпрямителя и инвертора характеризу характеризуется пересечением их внешних характеристик. При рассмотре рассмотрении ППТ необходимо учесть также характеристику линии элект электропередачи, т. е. падение напряжения в активном сопротивле сопротивлении ее схемы замещения. На рис. 4.20 приведены характеристи характеристики выпрямителя (с учетом линии) и инвертора. Для выпрямите выпрямителя уравнение внешней характеристики с учетом линии можно записать в виде Ud=lXlEmcosа__ (±х^в + tfл)/,. D.22) Меняя углы зажигания а и опережения 0» можно задавать любой режим рабочего тока, а следовательно, и мощности ППТ. Однако следует отметить, что на инверторе обычно устанав устанавливается регулятор, который в целях повышения его экономи экономических показателей поддерживает неизменным угол погаса погасания

6. При увеличения тока нагрузки этот регулятор, называе называемый регулятором угла погасания (РУП), увеличивает угол опе опережения р. Если бы РУП не было, то с увеличением тока на нагрузки угол погасания 6 снижался бы из-за роста угла коммута коммутации у (см. рис. 4.19). Из рис. 4.19 видно также, что при отсутст 5* 67 вии РУП и достижении некоторого заданного угла погасания дальнейший рост нагрузки невозможен/ Рис. 4.20. Иллюстрация совместной работы выпрямителя и инвертора / — внешняя характеристика выпрямите выпрямителя с учетом линии, 2 — то же, без учета линии, 3 — внешняя характеристика ин инвертора Можно показать [2], что при регулировании угла опережения уравнение внешней характеристики инвертора выглядит следу следующим образом: D.23) т. е. характеристика имеет отрицательный статизм, как и харак характеристика выпрямителя. -rtd *d раб Рис. 4.2

1. Совместная работа выпрямителя и инвер инвертора с регулятором угла погасания Наличие такой характеристкии создает опасность возникно возникновения неустойчивых режимов. Такая ситуация возникает в слу случае, когда наклон характеристики выпрямителя меньше накло наклона характеристики инвертора (рис. 4.21, а). Это возможно при условии, что 68 3 v л_ Р ^ 3 У D 24) т. е. когда мощность питающей системы больше мощности при приемной. Из рис. 4.21 видно, что нарушение равновесия за счет появ появления дополнительного рабочего тока приведет к сниже снижению ЭДС выпрямителя и противоЭДС инвертора, но избыточ избыточная неуравновешенная ЭДС выпрямителя приведет к дальней дальнейшему увеличению тока в линии. В результате ППТ выйдет из const *-d раб Рис. 4.2

2. Совместная работа выпрямите выпрямителя с РТ и инвертора с РУП работы. Аналогично можно показать неустойчивость режима при уменьшении рабочего тока. Ток в передаче снизится до ну нуля. В случае, когда характеристика выпрямителя круче характе характеристики инвертора, схема устойчива, что следует из анализа рис. 4.21, б. При случайных отклонениях рабочего тока режим возвращается к исходному состоянию. Устойчивость совместной работы можно также повысить пу путем установки на выпрямителе регулятора тока (РТ). Регуля Регулятор таким образом изменяет угол зажигания а, чтобы поддер поддерживать ток в линии неизменным. Характеристика выпрямителя, оснащенного РТ, изображена на рис. 4.2

2. Пологая часть харак характеристики выпрямителя соответствует нерегулируемому режиму (a = const), а падающая — режиму работы РТ на поддержание постоянного тока в линии. Начальный угол работы РТ а= = 5—10°. При снижении напряжения в передаклцей системе ре регулятор уменьшает угол а вплоть до нуля. С помощью регуля 69 тора тока выпрямителя работу ППТ удается сделать устойчивой при любых соотношениях мощностей передающей и приемной систем. При глубоких снижениях напряжения диапазона регулиро регулирования за счет действия РТ недостаточно. В этом случае в дейст действие необходимо вводить устройства регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) трансформаторов. Недостатком этих уст устройств является их медленное действие. Если ЭДС эыпрямителя снизится так, что его характеристи характеристика окажется ниже характеристики инвертора (см. рис. 4.22, ха * const 1d раб Рис. 4.2

3. Графики регулируемой совмест совместной работы преобразователей ППТ рактеристика при а = 0), то ток в линии упадет до нуля. Чтобы этого не случилось, одновременно со снижением ЭДС выпрями выпрямителя следует снижать и противоЭДС инвертора. Для этого на инверторе устанавливается регулятор минимального тока (РМТ). Он увеличивает угол опережения вентилей инвертора при снижении тока в линии, сдажая тем самым противоЭДС, если ток в линии оказывается меньше уставки регулятора. Обычно ток уставки РМТ принимается равным 90% тока устав уставки РТ выпрямителя. При изменении уставки последнего автома автоматически по каналу связи изменяется и уставка РМТ. В результа результате ток э линии ограничен с двух сторон уставками регуляторов и не изменяется при нарушениях режима, даже при к. з. в линии. Изменяются лишь ЭДС выпрямителя и противоЭДС инвертора. Соответствующие характеристики приведены на рис, 4.2

3. Изме Изменение тока передана обеспечивается смещением уставки регуля регулятора тока. Одновременно автоматически изменяется и уставка РМТ. На рис. 4,?4 приведена структурная схема системы авто автоматического регулирования ППТ. 70 Благодаря использованию управляемых вентилей электропе электропередачи постоянного тока имеют лучшие характеристики регули регулирования, чем электропередачи переменного тока. При этом ре гулировайие осуществляется практически безынерционно. Кро Кроме того, изменение мощности ППТ осуществляется за счет внут внутреннего регулирования, в отличие от электропередач перемен переменного тока, передаваемую мощность которых можно изменять только за счет внешних факторов. В результате ППТ представ — Id Рис. 4.2

4. Структурная схема системы автоматического регу регулирования ППТ: СУ — система управления вентилями; РТ — регулятор тока; У — уст устройство уставки; РУП -*регулятор угла погасания; ТПТ — измери измерительный трансформатор погасания тока V ляет собой гибкое средство повышения устойчивости работы ээс. 4.8. Проблемы передач постоянного тока При эксплуатации ППТ возникают специфические труднос трудности, преодолевать которые необходимо специальными средства средствами, внося определенные изменения в конструктивное их испол исполнение. Как правило, это приводит к заметному удорожанию электропередач. Рассмотрим только некоторые из них. 7! Высшие гармоники и их компенсация. Вен Вентильный мост потребляет из сети ток несинусоидальной формы, содержащий высшие гармоники. Предположим, что углы ком коммутации и управления вентилей равны нулю. Тогда токи вен вентилей и вентильной обмотай трансформатора будут иметь пря прямоугольную форму с длительностью 120°. При схеме соединений трансформатора Y/Y ток сетевой обмочи будет повторять фор форму тока вентильной (рис. 4.25). Так как функция тока удовлетворяет условию f@) = —/@ + + л), то она раскладывается в ряд Фурье, содержащий только нечетные гармоники. Можно также показать [2], что ряд не со е, Рис. 4.2

5. Ток сетевой обмотки трансформа трансформатора тока при схеме его соединений Y/Y держит гармоник, кратных трем, так как при соединении Y/Y нулевая последовательность отсутствует: i = iZi / /sin 0 L Sin 50 + — sin 70 — ...V D.25) я \ 5 7 / Гармоники порядка 0 = 6^+1 имеют прямую последователь последовательность, а гармоники 0 = 6&—1 —обратную. При схеме соединений трансформатора У/А форма тока вен вентилей также прямоугольна (то же относится к линейным токам вентильной обмотки), а токи в фазах определяются соотноше соотношениями: *а = 'V /в-; *'в = 'V id *с = ic U>. D.26) Решение этой системы следующее (рис. 4.26 и 4.27): 3 Разложение сетевого тока в ряд Фурье имеет вид: = ~j ('а —'с); 1ъ' = — («в—'a); ic = -iB). D.27) D.28) 72 Если в преобразователь включить два трансформатора с разны разными схемами соединений, то пятая и седьмая гармоники взаимно Рис. 4.2

6. Распределение токов в преобразова преобразователе при схеме соединений К/Д компенсируются, хотя рстаяутся некомпенсированными один ладцатая и тринадцатая гармоники, кратные 0=12&±

1. На ПП ППТ получили применение два способа компенсации высших гармоник: применение двенадцатифазного режима пре и 1Г Рис. 4.27. Формы тока в трансформаторе при схеме соединений К/А образования отмеченным выше способом подключения двух трансформаторов и использование поперечных резонансных фильтров. Поперечные резонансные фильтры устанавливают на один одиннадцатую и тринадцатую гармоники, а более высокие гармони 73 кй подавляют одним широкополосным фильтром. Резонансные параллельные фильтры состоят т параллельно соединенных ем емкости и индуктивности, выбранных из условия: l. ' D.29) Применение фильтров высших гармоник увеличивает стоимость преобразовательных подстанций до 15—20%. Компенсация реактивн о „й мощности преоб преобразователей. Можно показать [2], что угол сдвига ф между полным током преобразователя и его активной составляющей приближенно определяется углами зажигания и коммутации: Ф = а4-— • D.30) 2 Эти углы обЦчно имеют следующие значения: — для выпрямителя а~5—Ю*\7=20—25°; — для инвертора # = 15—18°, у=20—25°. Учитывая, что 5 = р—7» гДе Р — опережающий угол зажига зажигания, имеем фв555215—22,5°; «25—30°, откуда следует, что мощность, потребляемая выпрямителем, равна Qb= @,3—0,4) Р, а инвертором QH = @,45—0,6) Р. Таким образом, потребление реактивной мощности ПП зна значительно, что может привести к дефициту реактивной мощности в системе. На ПП устанавлибаются поэтому источники реактив реактивной мощности, что удорожает передачу. Имеются предложения, связанные с применением искусст искусственных схем, существенно снижающих потребление реактивной мощности. Отставание по фазе тока ф определяется тем, что от открытие очередного вентиля всегда происходит в зоне правее точки пересечения соответствующих фазных ЭДС, когда напря напряжение очередной фазы становится 'больше напряжения фазы, заканчивающей работу. Подобная схема называется естествен естественной. Уменьшения угла можно (?ыло бы добиться обеспечением коммутации левее точки пересечения фазных ЭДС. Это дости достигается введением дополнительной коммутирующей ЭДС, кото которая поднимает напряжение на очередной фазе до значения, га гарантирующего вступление соответствующего вентиля в работу. Способы введения дополнительной ЭДС могут быть следующие: напряжение предварительно заряженного конденсатора, под подключение с помощью дополнительных вентилей импульса от до дополнительного источника и т. д. Трудности реализации подоб подобных продложений заключаются в том, что она возможна пока только в маломощных преобразователях. 74 Системы управления тиристорными венти вентилями. Система электронных устройств управления вентилями расположена на потенциале земли, а вентиль, куда надо пере передать воздействие, находится под значительным потенциалом. Возникает поэтому сложная задача изоляции системы управле управления. В современных системах проблема управления решается передачей управляющих импульсов с помощью лазерных, свето световых или ультразвуковых систем. Еще одна задача, которую необходимо решить при констру конструировании систем управления преобразователями, заключается в обеспечении строго синхронной подачи импульсов на группы вентилей, так как сдвиг в доли микросекунды в подаче импуль импульсов может привести к разрушению вентилей. Для распределения импульсов по модулям и тиристорным ячейкам используются световоды, ультразвуковые и кабельно-трансформаторные схемы. t Прочие проблемы. Среди других недостатков и труд трудностей, которые необходимо преодолевать при сооружении и эксплуатации ППТ, отметим следующие.

1. Незначительность сопротивлений тиристоров в Ъткрытом состоянии в сочетании с разбросом их характеристик приводит к неравномерности распределения напряжений по отдельным элементам, включенйым последовательно.

2. При несимметричных режимах работы электропередачи устойчивость работы инверторов существенно снижается.

3. Усложненная конструкция подстанций из-за обилия ти тиристоров, конденсаторов, реакторов. Все это не только удоро удорожает подстанцию, но и приводит к снижению надежности ее ра работы.

4. Трудности борьбы с внутренними перенапряжениями, так как разрядники не могут прервать дугу постоянного тока. Одно Одновременно следует отметить трудности создания выключателей на постоянном токе, так как нужны специальные системы уп управления, обеспечивающие запирание вентилей при необходи необходимости отключения передачи. 4.9. Потери мощности Потери мощности в ППТ определяются следующим выраже выражением: АР = ДРТ. в + ДРМ. в + ДРр. в + АРЛ + + ДРР.И +ДРм.и + Д^т.и, D.31) 75 где ДРтв и АРт.и —потери в трансформаторах выпрямитель выпрямительной и инверторной подстанций; iAPm.b и АРм.и — потери в вен вентильных мостах; ДРр в и |ДРр.и — потери в линейных реакторах; ДРЛ — потери мощности в линии. Потери мощности в трансформаторах определяются обыч обычным образом. Следует только учесть, что переменный ток связан с выпрямленным током: линии следующим соотношением [2]: ^-' D-32) Потери мощности в вентильных мостах выпрямителя и инверто инвертора определяются формулой АРМ АРВ + АРд.ц + АРА. Р, D.33) где ДРв — потери в вентилях; АРд.ц—потери в демпфирующих цепях; ЛРар — в анодных реакторах. Потери в вентилях обычно составляют 0,5—0,7% мощности в широком диапазоне возможных режимов. Потери в демпфиру демпфирующих цепях не зависят от нагрузки и составляют 0,1—0,2% ^но ^номинальной мощности моста. Потери в анодных реакторах на по порядок меньше прочих составляющих потерь. Потери мощности в линейных реакторах, как и в анодных, определяются потерями в их обмотках от протекания постоян постоянного тока: А^л.Р=/^л.Р, D.34) где сопротивление реактора определяется по его мощности к. з, Ял. р = APK//,L. . D.35) Аналогично определяются потери в линии электропередачи (для двух полюсов) АРЛ = 2/^0/, D.36) где /?о — погонное сопротивление полюсу; I — длина линии. По Потери в линии составляют наибольшую долю суммарных потерь в ППТ. 4.10. Особенности конструктивного исполнения передач постоянного тока Для воздушных линий постоянного тока применяются одно одностоечные металлические опоры или опоры на оттяжках. Вес опо 76 ры ППТ на 40—45% меньше, чем для В Л переменного тока той же пропускной способности. На опоре подвешиваются стале алюминиевые провода и грозозащитный трос. Однако длина гирлянды изоляторов ППТ несколько больше, так как появле появление пыли и влаги на изоляторах существенно увеличивает не неравномерность распределения напряжения по гирлянде. Это связано с тем, что в ППТ распределение напряжения по гир гирлянде определяется сопротивлениями утечки, а не емкостями изоляторов, как в линиях переменного тока. Тем не менее с уче учетом того, что у ППТ два полюса против трех фаз линии пере переменного тока, суммарный расход изоляторов для ППТ несколь несколько ниже. Для ВЛ ППТ повышенного напряжения для снижения по потерь на корону применяется расщепление проводов. Следует отметить, что кабельная линия на постоянном токе значительно дешевле аналогичной линии на переменном токе. Условия работы кабеля более благоприятны и электрическая прочность кабеля в 2—3 раза вуше. Старение изоляции кабеля на постоянном токе происходит медленцее из-за отсутствия час частичных разрядов в изоляции. Количество мостов в ПП определяется мощностью и напря напряжением ППТ. Число мостов в каждом полюсе обычно четное для обеспечения двенадцатифазного режима. Мосты подключа подключаются последовательно или последовательно-параллельно. Каж Каждый мост подключается через разъединители и снабжен шунти шунтирующим аппаратом, включающимся при его выводе из работы. Для защиты от перенапряжений в цепях моста ставятся разряд разрядники. На выходе подстанции в линию постоянного тока включают включаются линейные рейкторы для сглаживания пульсаций выпрямлен выпрямленного тока и защиты подстанций от перенапряжений со стороны линии. Индуктивность реакторов около 1 Гн. От перенапряже перенапряжений линейные реакторы также защищены разрядниками. Наиболее важным элементом ППТ является вентиль. До 1970-х годов на ПП использовались ртутные вентили, имеющие низкую надежность и плохие экологические характеристики. Высоковольтные тиристорные вентили (ВТВ), в отличие or ртутных, можно создать практически на любые напряжения и значительно повысить с их помощью надежность. При применении ВТВ можно поместить тиристоры и часть оборудования (реакторы, разрядники, шунтирующие цепочки) в одну оболочку, заполненную маслом или элегазом, что унифи унифицирует и удешевляет подстанцию. Системы управления ВТВ 77 значительно проще, никаких ограничений на скорость изменения нагрузки не требуется. В то же время надо отметить, что ВТВ имеют меньшую перегрузочную способность как по току, так и по напряжению, а потери в них выше, чем в ртутных вентилях. Вентили для современных крупных ППТ рассчитываются на пропускание тока силою в несколько килоампер и должны вы выдерживать рабочие напряжения в сотни киловольт. В то же вре время рабочие параметры отдельных тиристоров, достигнутые к на настоящему времени, составляют до 2—3 кА и 3—4 кВ. В ВТВ применяется поэтому последовательно-параллельное соедине лие тиристоров. При создании ВВТ используется блочный прин принцип, когда тиристоры объединяются в так называемые тирисТор иые ячейки и их группы-модули. Каждый модуль представляет собой законченный вентиль со всеми устройствами управления, но рассчитанный на напряжение, меньшее, чем ППТ. Модули легко заменяются при необходимости. Тиристорные ячейки внут внутри модуля также легко заменяются. В модуль встраивается единый для всех ячеек блок управления. Охлаждение тиристоров обычно применяется водяное, а иног иногда — воздушрое, принудительное. Избыточность изготовления ВТВ приводит к тому, что выход из строя 10—\5% тиристоров не влияет на работоспособность всего ВТВ. Для размещения оборудования ПП применяют закрытые распределительные устройства, хотя имеются и открытые под подстанции. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Александров Г. Н. Передача электрической энергии переменным током. Л.: Энергоатомнздат, 1990. 176 с.

2. Веннко* В. А,, Рыжов Ю. П» Дальние электропередачи переменного и постоянного тока: Учеб пособие. М: Энергоатом из дат, 198

5. 272 с.

3. Тиходеев Н. Н. Передача электрической энергии. Изд. 2-е, перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат, 198

4. 248 с.

4. Электропередачи и вставки постоянного тока в Единой энергосистеме СССР/Шидловский А. К., Перхач В. С, Лазарев Н. С. и др. Киев: ИЭД, 1988. 51 с.

5. Глухарев О. А., Новелла В. Н. Аварийные режимы электропередач по постоянного тока. М.: МЭИ. 1989. 70 с. 78 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ^ Глава

1. Общая характеристика дальних электропередач 4 1.

1. Энергетическая характеристика дальних электропередач ... 4 1.

2. Технико-экономическое сопоставление передач переменного и постоянного тока , . Т 1.

3. Экологические факторы и безопасность передачи электроэнер электроэнергии по линиям высокого напряжения 10" Глава

2. Электрические параметры и уравнения длинной линии пере переменного тока 12"

2.

1. Первичные и вторичные параметры четырехполюсника .... 12 2.

2. Длинная линия как цепь элементарных четырехполюсников . . 15 2.

3. Параметры реальных дальних электропередач 17 2.

4. Линия без потерь активной мощности (идеальная линия) . . 20 2.

5. Активная и реактивная мощность передачи при регулировании напряжения в ее начале и конце 25 Глава

3. Режимы и повышение пропускной способности дальних пере передач переменного тока —. 29s

3.

1. Особенности линий длиной в четверть волны. Компенсирован Компенсированные электропередачи . • ... 29

3.

2. Особенности линии длиной в половину волны. Настроенные электропередачи . . . < 34' 3.

3. Автоматическая аварийная разгрузка и переключательные пункты дальних электропередач 37 3.

4. Схема дальней передачи переменного тока 40 3.

5. Повышение пропускной способности электропередач при помо помощи регулируемых источников реактивной мощности 42" Глава

4. Передача энергии постоянным током 46

4.

1. Историческая справка о передачах постоянного тока и встав вставках постоянного тока, перспективы их распространения ... 4&

4.

2. Схемы передач постоянного тока 47

4.

3. Уравнения трехфазной мостовой преобразовательной схемы . . 53 4.

4. Режим малых токов 57* 4.

5. Режим рабочих токов 60 4.

6. Инверторный режим преобразователя 63 4.7. Регулирование работы передач постоянного тока 67" 4.8. Проблемы передач постоянного тока • . ч Л 4.9. Потерн мощности 76 4.10. Особенности конструктивного исполнения передач постоянно постоянного тока 76 Библиографический список * 7& Светлана Семеновна Ананичева Петр Иванович Бартоломей Анатолий Леонидович Мыанн ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ДАЛЬНИЕ РАССТОЯНИЯ Редактор издательства

3. Н. Крамаренко Технический редактор Л. П. Лезина Корректор О. С. Смирнова ЛР №020315 от 28.11.91г. ¦Сдано в набор 06.04.93 Подписано в печать 12.1L93 Формат 60fX90!/i6 Бумага типографская Высокая печать Усл. п. л. 5,0 Уч.-изд. л. 4,5 Усл. кр.-отт. 5,2 Тираж 500 Заказ 135 Редакционно-издательский отдел Уральского государственного технического университета — УПИ 620002, Екатеринбург, Мира, 19, 8-й учебный корпус Цех № 1 АО «Полиграфист» 620002, Екатеринбург, Мамина-Сибиряка, ток 1\ опережает по фазе напряжение Uu т. е. для источника на передающем конце ЛЭП представля представляет собой емкостную нагрузку. Избыточная генерируемая мощ мощность передачи (при относительно малых потерях AQ, так как должна потребляться системой (генераторами, реакто реакторами, потребителями) на передающем конце, т. е. в начале ли линии. Напомним, что такие режимы получаются при условии, что на приемном конце Q2 = 0. В-третьих, чтобы обеспечить номинальные уровни напряже напряжения в начале передачи в режимах, отличных от натурального, необходимо отказаться от искусственно введенного условия, когда Q2 = 0. 2.

5. Активная и реактивная мощность передачи при регулировании напряжения в ее начале и конце Перепишем первое уравнение передачи B.23а) • * й1 =0г cos % + /Zc ^L sin Я, и* откуда следует Ьх-=йгcos к + jZc p?~iQ* sin X. Сориентируем вектор II2 вдоль вещественной оси (U2 = U2) и, используя угол й, запишем комплексное значение Ut через вещественную и мнимую составляющие. Предшествующее ра равенство тогда примет вид: 2S /j cos 6 + /(/j,sin 8 = 4zc ^sin X + jZc b. sin X. U? ' c ut B.25) Рассмотрим соотношение между мнимыми составляющими ле левой и правой частей B.25): Отсюда передаваемая активная мощность р = —L_!__ s}n g = р sin

6. B.26) Максимальная мощность передачи Рт при заданных значениях Р Рис. 2.

5. Предел передаваемой мощности: t — для идеальной линии; 2 — $ учетом потерь напряжения начала и конца зависит от волновой длины X. Эта зависимость представлена на рис. 2.

5. Из нее видно, что мини минимальную пропускную способность {Рт=Рк) имеет передача с волновой длиной в четверть волны (/=1500 км). Идеальные пе передачи длиной 3000 км имеют неограниченную пропускную спо способность. На рис. 2.5 пунктиром показана зависимость РтA) для реальных линий (гоФ0), из которой видно, что ограничение по пропускной способности для линий Д,=я существует, но оно в несколько раз превышает значение Рн. Передачи в диапазоне от 750 до 2250 км попадают в неблагоприятный диапазон с по пониженной пропускной способностью. При определении пределов передаваемой мощности ЛЭП от относительно небольшой длины до 300 км (Х<18°) обычно ис используют более простое известное выражение, вытекающее из B.26) при условии, что для малых углов sinA,«A,V Р% e Win* = 4jM± Sin 6 = Щsin б. B.27) Перейдем к анализу реактивной мощности ДЭП. Рассмот Рассмотрим вещественные составляющие левой и правой частей в B.25): Ux cos б = (/2cos X + Zc — sin X. Примем условие поддержания равных уровней напряжения на начала и конца передачи (/! = [/

2. Из последнего выражения полу получим реактивную мощность конца Л cos 6 — cos X р в долях от натуральной мощности cos6 — q q% . (Z.Zo) sin о Аналогично можно получить выражение для реактивной мощ мощности начала передачи, если из системы уравнений B.23) обоз обозначить напряжение конца передачи 02 через параметры начала: [>2==s Ьх cos k — jZc ix sin X. B.29) Сориентируем вектор Ux вдоль вещественной оси, тогда при аа* писи вектора 02 через вещественную и мнимую составляющие получим: {/2cos6/[/lSin6 ?/xcosX/2С Р^ "^/Ч^ . Для вещественных составляющих справедливо U* cos б = U, cos X — Zc — sin X. При равенстве напряжений Ux к U2 в относительных едини единицах реактивная мощность начала 2? COS К — COS 6 sin A, B.30) Итак, при регулировании напряжений начала и конца из ус условия их равенства реактивные мощности начала и конца линии численно равны друг другу и имеют противоположное направ направление. Если передается активная мощность больше натураль натуральной (Р2>Рп), то потери реактивной мощности AQ больше гене генерации Q3ap и потоки Ц\ и q2 направлены встречно в линию. В центральной части линии напряжение ?/ср по величине будет меньше напряжения в концевых точках (рис. 2.6). Если переда передается активная мощность меньше натуральной (Р2<Рн)у то поте потери AQ ?Л) ,иногда до не недопустимых величин, при этом наибольшие неприятности могут быть при отсутствии потока активной мощности (Рг = 0). Для устранения недопустимого довышения величины UCp необходи необходимы поэтому специальные мероприятия, например включение ре ж&торой на промежуточных переключательных пунктах для компенсации избыточной зарядной мощности линии. Напряжение в середине линии в относительных единицах может быть найдено по формуле «ЛП cos 6/2 ср cos К/2 B.31) Глава

3. РЕЖИМЫ И ПОВЫШЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ДАЛЬНИХ ПЕРЕДАЧ \ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ^

3.

1. Особенности линий длиной в четверть волны. v Компенсированные электропередачи Ранее уже было отмечено, что среди всех передач такая пе передача (А, = я/2) имеет минимальную пропускную способность Pm = OiU2/Zc. Однако это не единственный недостаток ДЭП длиной 1500*км. Рассмотрим режим холостого хода при отключении линии в конце от приемной системы /2 = 0. Первое уравнение передачи B.23а) записывается как Ui = U2cosKy откуда U2 = Ui/cosk По Поскольку cosk/2 = 0, напряжение U2 разомкнутого конца стано Л. рол Рис. 3

1. Диаграмма напряжений и реактивной мощ нрсти линии на холостом ходу вится равным бесконечности. Естественно, что в р'еальной лидии #зпряжчение повысится до некоторого конечного значения, обыч обычно превышающего номинальное в несколько раз. Из сказанного следует, что холостой ход (без включения реакторов на разомк мутом конце) недопустим. Это относится не только к линиям в четверть волны, но и* ко всем другим линиям длиной от 750 до 2000 км. Режим холостого хода опасен еще и перегрузкой гене генераторов, включенных в начале передачи. Из-за повышенных уровней напряжения генерируемая линией >реактивная мощ мощность становится столь большой, что может привести к терми термическому поражению генераторов. Реактивная мощность начала вычисляется по формуле 2Zc; C.1) .29 теоретически для идеальной линии /==1500 км Qi= ос. На рис. 3.1 показаны функции напряжения U2 конца идеалы/ой' ДЭП и реактивной мощности ее начала Q\ в зависимости от волновой длины, те же параметры для реальной линии V\ и Q?. На рис. 3.2, а показано распределение напряжений вдоль линии длиной 1000 км в режиме холостого хода. Поскольку (/2=J[/1/cos60°=2i/b то отступая от корца на расстояние /, мож можно получить напряжение ?/j = ?/2cos(yoO Из сказанного следует, что к режимам холостого хода и близким к ним с повышенной избыточной реактивной мощно *» 1000 iSOQ t.KM Рис.

3.

2. Распределение напряжения вдоль линии на х.х.: а— длиной линии 1000 км; б —длиной 3000 км стью, генерируемой линией, необходимо внимательное отноше отношение как при проектировании, так и при эксплуатации ДЭП. Работа генераторов на емкостную нагруаку, кроме того, мо может привести к явлению самовозбуждения. Поскольку полно полностью избавиться от указанных режимов не удается, их расмат ривают как особые режимы ДЭП. Рассмотрим нагрузочный режим линии в четверть волны. Уравнения B.23) принимают вид: "с* C.2) из чего следует» что напряжение U2 не зависит от напряжения If и а ток h не зависит от тока 1%. Более того, изменение нагруз нагрузки на приемном конце при фиксированном уровне U2 возможно лишь за счет изменения тока /г, что, в сваю очередь, влечет из изменение напряжения 0\. Поскольку регулировочный диапазон 30 напряжения невелик (±10—15%), то и возможности по регули регулированию передаваемой мощности оказываются ограниченными, та рис. 3.3 показана диаграмма токов и напряжений линии, имеющих волновую длину Я/

2. Угол б между напряжениями U\ и U2 всегда зависит только от q>2, так как 6 = л/2—ф

2. В свою очеред^ ток 1\ опережает напряжение Ux на угол Рис. 3

3. Векторные диаграммы напряжений и токов линии в четверть волны при активно-индуктивном характере йагрузки в конце передачи ^2 = ^2+/Q2 на вход ЛЭП подается активно-емкоСтная нагруз нагрузка Sx=^Pi—jQx. При чисто активной нагрузке в конце передачи Угол й = 90°, т* е. при любой величине передаваемой мощ мощности всегда наблюдается предел по статической устойчивости такой передачи. Отмеченные обстоятельства, среди которых главным являет является пониженная пропускная способность ДЭП, близких к четвер четверти длины волны, приводят к необходимости разработки спосо способов искусственного снижения волновой длины. Такое снижение параметра Л, называется компенсацией, а линии, следовательно, компенсированными. Способы компенсации вытекают непосред непосредственно из формулы %=*%XY. Для уменьшения % необходимо 31 снижение либо индуктивного сопротивления X, либо емкостшэй проводимости У, либо и того и другого вместе. Уменьшение/па Уменьшение/параметра X достигается за счет последовательного включения в рассечку линии конденсаторов, сопротивление которых XJ ком компенсирует индуктивность X. Уменьшение параметра Y достига достигается включением шунтирующих реакторов с проводимостью Ур, компенсирующих емкостную проводимость линии на зе^лю [3J, Обычно используется комплексная компенсация X и У при X X Рис 3

4. Компенсация (а) и настройка (б) волновой длины линии близительно в одинаковой пропорции (рис. 3.4, а). Если степень компенсации С одинакова для параметров X и Y то волновое сопротивление передачи Zc остается неизменным. При этом максимальная мощность передачи B.26) увеличива увеличивается с возрастанием С, так как при равенстве напряжений нача начала и конца C.3) Например, если параметры ДЭП с волновой длиной я/2 ском скомпенсированы на 50%, то отношение пропускной способности компенсированной передачи Рш к мощности некомпенсирован некомпенсированной ЛИНИИ Рт СОСТаВИТ Р^п/Рщ = 1^

2. Необходимая степень компенсации передачи определяется из условия обеспечения требуемой пропускной способности ли линии с учетом 20% запаса по статической устойчивости Р^— = 1,2 Р^т. Здесь Р2т — максимальная передаваемая мощнрсть от станции на передающем конце в приемную систему. Рассмот Рассмотрим задачу в упрощенной постановке без учета потерь мощнос мощности в линии. Как правило, передача должна быть двухцепной из условия резервирований и надежности. Введем обозначения; Z°c, Я0— параметры ДЭП без компенса компенсации; Zc, ^к—параметры компенсированной передачи. Соот 32 ветственно пропускная способность для той и другой передачи определяется формулами:* Р°т = ВД/^с sin Хо), Ркт = UMiZ* sin Г). C.4) Примем за основу комбинированный способ компенсации как продольных, так и поперечных параметров в одинаковой про пропорции С = Сх = Су. В этом случае Z* =2?. Пусть Рт ^ 1,2Р2т, т. е. требуемая пропускная способность при данном классе напряжения не обеспечивается. Возможны два решения. Первое заключается в переходе к более высокому напряжению. Например, требуется спроектировать ДЭП для пе передачи мощности Рг = 3000 МВт на расстояние /=1200 км. Не Необходимо обеспечить пропускную способность Рт=3600 МВт. Рассмотрим ДЭП 500 кВ: натуральная мощность на две цепи Рн=1720 МВт, А,° = 72°, P°m=Pjsin№ = 1810 МВт. Так как Р°т < 3600 МВт, то в качестве варианта проекта следует рассмот рассмотреть ДЭПч750 кВ: Рн=4280 МВт, Р^=4500 МВт. В такой пере передаче компенсация вообще не требуется, так как обеспечивается запас по статической устойчивости более 20%. Второе решение состоит в определении степени компенсации С на первоначально выбранном классе Напряжения. Из выра выражения C.4) для компенсированной передачи PH/sin kK = Pm, откуда волновая длира r = arcsin(PH/PS,). C.5) Необходимая степень компенсации С (Хо — Хк) №. C,6) Для рассматриваемого примера при классе напряжения 500 кВ |XK=arcsin( A720/3600) =28,5°, С= G2—28,5O2=0,6, т. е. для обеспечения требуемой пропускной способности ДЭП необходимо параметры и волновую длину скомпенсировать на 60%. Технико-экономическое сопоставление двух вариантов на основании первого и второго решений позволит окончательно выявить направление проектной разработки. 3 Заказ 135 33

3.

2. Особенности линии длиной в половину волны* Настроенные электропередачи Линия длиной / = 3000 км имеет волнозую длину Х = п. Ее пропускная способность практически не ограничена (см. рис. 2.5). В отличие от рассмотренной выше линии в четверть волны, полуволновые линии не имеют отмеченных выше недо недостатков на х.х и в нагрузочных режимах. Действительно, из уравнений передачи B.23)-при cosji=—1 и sinn = 0 следует, что ul = -u%,il=-il, C.7) для любых режимов, в том числе для холостого хода /i = /2=0. Р>РН Рис. 3.

5. Распределение напряжений (а) и токов (б) в линии длиной в полуволну Напряжение и ток начала соответственно сдвинуты по фазе по отношению к концу всегда на 180°. Интересно проанализировать напряжение и ток в середине На холостом ходу Ufpx =0. При передаче натуральной мощнос мощности (/2=/*) наряжение середины лцнвд по величине не отлича отличается от напряжений начала и конца

1. На рис. 3.2, б показано распределение напряжения вдоль линии в режиме холостого хо хода. Распределение тока и напряжения по модулю в различных режимах от холостого хода до Р>РН показано на рис. 3,

5. 1 Ток в средней части лин^и не зависит от режима и по величине всегда равен натуральному току^ , . * 84 Таким образом, х.х, с точки зрения перегрузки генераторов и работы изоляции передачи, не встречает затруднений. То же самое можно сказать и о нагрузочном режиме со стороны регу регулирования мощности в широком диапазоне. В нагрузочном режиме передача ведет себя так, как будто она не существует. Предел передаваемой мощности самой лини линией не ограничивается и определяется параметрами передающей и приемной систем. На рис. 3.6 дана схема замещения, включа включающая в себя станцию с ЭДС Е и сопротивлением Хи ДЭП с вол Xi /r>rv. Uc Рис. 3.

6. Нагрузочный режим линии длиной в полуволну: а — схема замещения сети; б — векторная диаграмма; в — эквивалентная сеть без дальней передачи левой длиной ^ли приемную систему, в которой за сопротив сопротивлением Х2 поддерживается неизменным напряжение Uc. Углы и i62 показывают сдвиг по фазе напряжения на участках Хх я Х

2. Из векторной диаграммы следует (ри.с 3.6, б), что откуда Следовательно, P RejSJ = Жеу/fJ = Re [/ (EUC % + 35 Учитывая, что ?=— —fUc sin 62, получаем * p = (EUC sin 8X cos62 + EUC cos Sx sin 82)/(X1 + X2) = Аналогичное выражение получается для системы, представлен представленной на рис. 3.6, в и не содержащей ЛЭП. В 1968 г. в СССР был осуществлен уникальный и пока единственный в мире эксперимент по передаче мощности на рас расстояние 2858 км. Была собрана искусственна схема передачи, включающая в себя участки Волгоград—Москва—Куйбышев— Челябинск—Свердловск на напряжении 500 кВ. Опытным пу путем были подтверждены теоретические исследования режимов ДЭП полуволновой длины. Существенным недостатком полуволновых линий является зависимость напряжения середины линии от передаваемой мощ мощности /V Во-первых, при больших значениях Рг напряжение мо может быть недопустимым, т. е. необходимы способы его искусст искусственного снижения. Во-вторых, затруднен отбор мощности в средней части при помощи традиционных силовых трансформа трансформаторов, поскольку напряжение здесь может колебаться в слиш слишком широком диапазоне от нуля до больших величин. Правда, можно воспользоваться условием, что "ток в средней части ли линии стабилен и равен значению /н, т. е. построить отбор мощ мощности по принципу трансформаторов тока. Хотя реализация это этого принципа возможна, она требует новых технологических раз разработок, так как предполагаемый силовой трансформатор тока должен иметь не один, а два высоковольтных ввода. Некоторые привлекательные особенности полуволновых ДЭП привели к появлению проектов так называемых настроен настроенных электропередач. К ним относятся передачи длиной более 2000 км, но менее 3000 км с искусственным увеличением (на (настройкой) волновой длины А, до значения я. Увеличение волно волновой длины осуществляется за счет включения дополнительных реакторов последовательно с отдельными участками линии (увеличение индуктивности) и батарей статических конденсато конденсаторов, повышающих емкостную проводимость на землю. Однако проекты пока не реализованы главным образом из-за невозмож невозможности присоединения к энергосистемам в промежуточных точ точках. Кроме того, для таких больших расстояний предпочтитель предпочтительнее использовать ППТ. 36 3.

3. Автоматическая аварийная разгрузка и переключательные пункты дальних электропередач Как было показано выше, режимы передачи активной мощ мощности описываются угловой характеристикой P = Pm sin 6, где Pm=U2/Zcsink. Обозначим через Рн максимальную передавае передаваемую мощность в нормальном режиме, Рнт— максимальную про пропускную способность передачи при 6 = 90°. Известно, что коэф коэффициент запаса К11 по условиям обеспечения статической устой ti/u. Рис. 3.7. Угловая характеристика актив активной мощности электропередачи чивости должен быть не менее 0,

2. Этот коэффициент показыва показывает величину разности (Рт — Рн) в долях от мощности нормаль нормального режима, т. е. Кн =-(Р^ — Рн)/Рн, из чего следует: Рн = = Рт/1,

2. Послеаварийный режим ДЭП характеризуется новыми па параметрами. В двухцепной передаче отключение к. з. в одной из цепей приводит к возрастанию характеристического сопротив сопротивления ДЭП вдвое по отношению к предшествующему режиму Z\ = 2ZC. Волновая длина передачи сохраняется, так как она не зависит от количества параллельных цепей п. Из сказанного следует, что *= V(xQ/n)/bon, X = I V(xo/n) 37 Обозначим пропускную способность ДЭП *' послеаварийнрм режиме как Р*т. При отключении одной из двух параллельных цепей Рт = 0,5 Р^, как это показано на рис. 3.7. Из услобия эксплуатации необходимо в ряде случаев пре предельно использовать пропускную способность электропередач, допуская для нормального электроснабжения и предотвраще предотвращения потери гидроресурсов на ГЭС работу с запасами устойчи устойчивости ниже обычных. Поэтому послеаварийный режим ДЭП в течение некоторого времени разрешается рассматривать ?ак утя утяжеленный режим'с 8%-м запасом по статической устойчивости. Следовательно, допустимая передаваемая мощность в послеава рийном режиме может составить Ра, Ра = Рт/1,08, что для двухцепной передачи существенно меньше исходной передавае передаваемой мощности Рн. Эта величина в относительных единицах со составляет Ра = 0,555, или 55,5%, при условии, что за базу взята мощность нормального режима. Если при отключении цепи сохранить мощность генерации станции на передающем конце ДЭП, то произойдет нарушение устойчивости. Для предотвращения такого нарушения исполь используются кдк простое и эффективное средство отключение без вы выдержки времени части генераторов и снижение мощности стан станции до величины, не превышающей Рт. Такое отключение по получило название автоматической аварийной разгрузки (ААР). Применение ААР в ДЭП позволяет повысить экономичность и надежность объединяемых систем, так как статическая устойчи устойчивость в послеаварийном режиме обеспечивается при этом за счет мероприятий, не требующих дополнительных капитальных затрат. Отключаемая мощность vP при помощи ААР зависит от со состава и мощности генерирующего оборудования на станции, так как vP = (Рч — Ра). Действительно, если на станции установ установленной мощностью 1000 МВт работают 10 генераторов по 100 МВт, а по условиям функционирования ААР необходимо отключить 44,5% мощности, то необходимо отключать 5 генера генераторов суммарной мощностью 500 МВт. Если же на станции ра работают 5 генераторов по 200 МВт, то в той же ситуации требу требуется отключить 3 генератора суммарной мощностью 600 МВт. Теряемая мощность в приемной системе частично компенси компенсируется резервом, а частично в объеме yvP, где у^1, компенси компенсируется отключением потребителей, естественно, нанося тем са самым ущерб народному хозяйству. Ущерб и отключаемую мощ 33 ность нагрузки можно снизить, если в ДЭП использовать пере переключательные пункты ПП (см. рис. 1.1) с выключателями для локализации аварии. При к. з в линии отключается лишь часть цепи, сопротивление такой передачи в_ послеаварийном режиме оказывается больше по сравнению с передачей без ПП. Следо Следовательно, возрастают Р% и Ра, что приводит к уменьшению отключаемой мощности vP. Нетрудно убедиться, что сойротив ление передачи и волновое сопротивление 1\ в послеаварийном режиме при различном числе т переключательных пунктов оп определяются по формулам: Х*= X" B + т)?A + т); 1\ 2СB + т)/A + т), а это означает, что пропускная способность ДЭП в послеава послеаварийном режиме т). C.8) Отключаемая мощность при помощи ААР в зависимости от числа переключательных пунктов должна быть не менее вели величины B + т) 1,08 B + m)J Выбор числа переключательных пунктов становится типичной технико-экономической задачей, в которой уреличение т, с од одной стороны, приводит к уменьшению ущерба, а с другой — к дополнительным затратам на сооружение и эксплуатацию пере переключательных пунктов. Расчеты вариантов при различном зна значении т позволяют найти оптимальное решение с минимальны минимальными суммарными издержками. Упрощенно оценку приведенных затрат можно сделать по формуле 3 = 0,125тЛ + yvPTC, C.9) в которой А — капиталовложения йаодин ПП; у — коэффици коэффициент, характеризующий неполное отключение нагрузки потреби потребителей за счет резерва мощности; vP — вероятное среднегодовое время простоя передачи из-за аварий; С — удельный ущерб. Формула написана для нормативного коэффициента эффектив- ности капиталовложений* разного 0,12

5. 39 3.

4. Схема дальней передачи переменного/тока Рассмотрим характеристики и схему первой в мире компен компенсированной ДЭП напряжением 500 «В Куйбышев—Москва. За Заметим, что принципы, положенные в основу э'уой передачи, ста стали использоваться в той или иной мере во всех последующих ДЭП. Передача строилась в два этапа, на первом была пущена одна цепь без компенсации на напряжение 400 кВ. Затем было признано целесообразным ввести новый класс напряжения E00 кВ) и отказаться от использования напряжения 400 кЁ. Так как оказалось, что изоляция передачи позволяла перейти на новое напряжение, то замене были подвергнуты только тран трансформаторы на Волжской ГЭС им. В. И. Ленина и в приемной системе Мосэнерго. В результате было обеспечено существенное повышение пропускной способности передачи. На втором этапе, который закончился в 1959 г., во-первых, была введена вторая параллельная цепь, во-вторых, были построены переключатель переключательные пункты, на одном из которых установлены устройства про продольной и поперечной компенсации (рис. 3.8). Перевод всей передачи на напряжение 500 кВ был закончен в 1964 г., при этом была повышена передаваемая мощность до 1800 МВт. Длина передачи / = 850 км. На'передающем конце установлены гидрогенераторы 20x115 МВт, т.е. Р1 = 2300 МВт. Натуральная мощность каждой цепи составляет 908 МВт, в це целом для передачи— 1816 МВт. Перечислим основные мероприятия и технические решения, принятые в передаче для повышения пропускной способности и коэффициента полезного действия.

1. Впервые применено расщепление проводов на 3, что по позволило уменьшить потери на корону и индуктивное сопротив сопротивление на 28% по сравнению с одним проводом в фазе. Приме Применен провод АСО-480ХЗ. Характеристическое сопротивление од одной цейи равно 276 Ом.

2. Сооружение трех переключательных пунктов. Каждая ли линия разбита на четыре приблизительно одинаковых участка. Повреждение ЛЭП приводит к отключению одного такого участка и возрастанию сопротивления передачи в послеаварий ном режиме на 25%* Для сохранения динамической устойчивос устойчивости применено быстродействующее отключение ЛЭП и ААР.

3. Применена продольная компенсация конденсаторами, что приблизительно на 26% снизило индуктивное сопротивление ли линии. Мощность батареи конденсаторов 500 МВар. Поперечная компенсация реакторами выполнена приблизительно в той же 4Э пропорции. Наличие реакторов уменьшает результирующую ге генерацию линии и тем самым уменьшает потоки реактивной мощности в передаче, снижает потери мощности и выравнивает напряжение в промежуточных точках. ПЛ2 405 а Рис. 3.8. Принципиальная проектная схема электропередач 500 кВ

4. Применено сильное регулирование напряжения, благода благодаря чему (G!=const и и?. = const.

5. На приемном конце установлены синхронные компенсато компенсаторы, которые, во-первых, поддерживают на необходимом уровне напряжение, во-вторых, при передаче активной мощности боль больше натуральной обеспечивают встречный поток реактивной -мощности в сторону линии. 41

6. На передающем конце установлены шунтирующие реакто реакторы для поглощения избыточной реактивной мощности ЛЭП на холостом ходу и в режимах передачи активной мощности мень меньше натуральной. Передача Куйбышев—Москва в дальнейшем стала выпол выполнять функции межсистемной связи между параллельно работа работающими энергосистемами. Появились проблемы регулирования напряжения, частоты и активной мощности в таких межсистем межсистемных связях. Были разработаны новые виды системной автома автоматики, функционирование которых тесно связано с режимами и свойствами ДЭП. Главной особенностью режима межсистемной связи является нестабильность передаваемой мощности, объяс объясняемая нерегулярными и непредвиденными колебаниями на нагрузки в объединяемых энергосистемах. Возможно опасное из изменение перетока мощнЬсти при внезапных нарушениях балан баланса мощности в отдельных энергосистемах. Схемы электропередач СВН и УВН могут отличаться друг от друга в зависимости от функциональной роли ДЭП, ее дли длины, передаваемой мощности и расположения в ЭЭС. Однако ос основные принципы, перечисленные выше и продемонстрирован продемонстрированные на примере ДЭП Куйбышев—Москва, претерпевают суще существенное изменение в направлении совершенствования и разви развития средств автоматики, способов и средств управления попе поперечной компенсацией, методов и средств, включая ЭВМ, веде ведения режима и повышения его экономичности. Уделяется боль большое внимание применению методов автоматического повторно повторного включения и повышению скорости его действия, ограничению перенапряжений и снижению габаритов оборудования ДЭП УВН, его экологическому воздействию и другим вопросам. 3.

5. Повышение пропускной способности электропередач при помощи регулируемых источников реактивной мощности Одной из наиболее важных функций ДЭП переменного тока является увеличение предела передаваемой мощности й повы повышение статической устойчивости генераторов, работающих на передачу. Наибольшее внимание уделяется возможности авто автоматического управления поперечной компенсацией при помощи управляемых источников реактивной мощности (УИРМ). Наи Наиболее совершенными источниками являются синхронные ком компенсаторы (СК), обеспечивающие через сильное регулирование постоянство напряжения в промежуточных точках ДЭП в мес местах их присоединения (рис. 3.9). 42 ДЭП как бы разбивается на ряд самостоятельных участков, напряжение концевых точек которых регулируется и поддержи поддерживается неизменным. Тогда пропускная способность ДЭП опре определяется не всей ее волновой длиной Л, а длиной отдельных участков. Пусть переключательные пункты с УИРМ установле установлены на равном расстоянии, они делят передачу на п равных уча участков. Тогда Pm^UV{Z€sm(X/n)}. (ЗЛО) Например, передача длиной /=1000 км имеет пропускную спо способность /Vsin60°, равную 1,16 Ри. При поддержании U = const в двух промежуточных точках, как это показано на рис. 3.9„ j I 1 j 93Ci 'пЬГо Л ЭЭС2 Ри с. 3.9. Размещение управляемых источ источников реактивной мощности волновая длина участка 333 км равна 20° и Рт = 2,93Рн. Про Пропускная способность ДЭП возрастает в 2,5 раза. Основная проблема здесь состоит в высокой стоимости УИРМ из-за необходимой большой реактивной мощности попе речной компенсации. Чтобы передать йо каждому из участков активную мощность, например равную 2РН, в рассматривае рассматриваемой выше передаче длиной 1000 км требуется обеспечить встречные потоки реактивной мощности на каждом участке qx= —q

2. Из формулы B.26) следует, что 2Рн =PHsin6/sin20°, откуда сдвиг напряжения по фазе на каждом участке составля составляет б/ = 43°. На основании соотношения B.30) qk = — q2 = (cos 20° — cos 43°)/sin 20° = 0,6

1. Таким образом, реактивная мощность каждого УИРМ должна составлять 1,22 Рн. Конечно, не вся эта мощность должна по покрываться синхронными компенсаторами. Наибольшая ее часть может генерироваться батареями статических конденсаторов и лишь небольшая доля при помощи СК, регулирующих напряже напряжение по закону U=const. 4а Кроме рассмотренного закона регулирования напряжения возможно использование другого закона регулирования реак реактивной мощности УИРМ. Поставим следующую задачу. Результирующую проводи проводимость ДЭП на землю У регулировать таким образом, чтобы лю любая передаваемая мощность Р равнялась натуральной мощнос мощности передачи Рн при новом регулируемом значении Ур. Это усло условие эквивалентно другому условию, которое можно сформули сформулировать следующим образом: при любой передаваемой мощности Р углы 6 и Л,р должны быть равны друг другу (здесь индекс р указывает на регулируемость параметра). Из первой формулировки следует, что U2/Zcp = Р, V X/Yp=U2/P, Yp= Чтобы удвоить передаваемую мощность, необходимо в четыре раза увеличить проводимость на землю, а это приводит к необ необходимости большой дополнительной генерации реактивной мощности на ПП при помощи УИРМ. Привлекательность тако такого регулирования режима заключается в том, что при этом ус успешно решается проблема статической устойчивости. Вместо традиционной угловой синусоидальной характеристики переда передачи P=Pmsin6 получается линейная зависимость Р = /(б, для ко которой отсутствует предел по устойчивости. Действительно, если Р=Рц и б = Хр:=У^Ур, то B.26) преобразуется к виду: Р = U2/(Zcpkp) sin 8=U2 УУр/УТ~ U2 VXYJX2=( Применение управляемой поперечной компенсации может быть экономически оправданным лишь при разработке УИРМ с невысокой стоимостью. Использование для этих целей дорогих СК не дает экономического эффекта. Уделяется большое внима внимание поэтому новым регулируемым источникам. Одним из на направлений является создание дешевых управляемых реакторов. Здесь рассматриваются два способа. Во-первых, используется идея регулирования сопротивления реактора с железом за счет регулирования тока подмагничивания. Были попытки использо использования для этих целей магнитопроводов и обмоток силовых тран трансформаторов, статорных цепей и частей синхронных машин и др. Однако большие затраты на электротехническую сталь не обеспечили успех этого способа. Во-вторых, используются обычные реакторы без магнитопровода, но с тиристорным ре регулированием тока потребления (рис. ЗЛО, а). Поскольку в ре режимах передачи мощности больше натуральной требуется до 44 полнительная генерируемая мощность, то такие управляемые реакторы устанавливаются параллельно с мощными батареями конденсаторов (рис. 3.10, б). Второе направление связано с разработкой тиристорно уп управляемых источников реактивной мощности на базе СК (рис. 3.10, в) и включением их в ДЭП параллельно с реактора реакторами (рис. 3.10, г), необходимость в которых может возникать при передаче малой активной мощности. Биполярно включенные тиристоры в каждой фазе обеспечи обеспечивают регулирование длительности протекания тока в обоих по Р и с. 3.10. Виды устройств управляемых источников реактивной мощности лупериодах синусоидально изменяющегося приложенного на напряжения, т. е. обеспечивают регулирование мощности потреб потребления (генерации) по первой гармонике тока. В услорных схе схемах (см. рис. ЗЛО) не показаны устройства управления тиристо тиристорами и способы их подключения, а также сопутствующие фильт фильтры, необходимые для подавления появляющихся высоких гар гармоник. Поскольку в настоящее время тиристорная техника быстро совершенствуется* нет оснований сомневаться, что УИРМ най* дут широкое применение в ДЭП переменного тока. 45 Глава

4. ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ Наряду с широко распространенными электропередачами леременного тока, рассмотренными в предыдущих главах, су существуют и имеют значительную перспективу распространения электропередачи постоянного тока. Так как все электрические системы, действующие в большой энергетике, являются систе системами переменного тока, то ППТ всегда связывают между собой две системы переменного тока. Структурная схема ППТ изобра изображена на рис. 1.

2. В некоторых случаях электрические системы могут непо непосредственно примыкать друг к другу. В этих ситуациях связыва связывающая системы линия отсутствует, а выпрямитель и инвертор расположены на одной подстанции. Такие электропередачи на называются вставками постоянного тока (ВПТ).

4.

1. Историческая справка о передачах постоянного тока и вставках постоянного тока, перспективы их распространения Первые ППТ появились задолго до создания электропередач леременного тока, когда еще не был решен вопрос о преиму преимуществах той или иной системы производства, передачи и потреб потребления электрической энергии. В 1879 г. в Вене на международ международной выставке демонстрировалась передача длиною в 4 км, а в конце этого же года в Мюнхене — 60 км. Увеличения мощности в то время добивались за счет повышения напряжения генера генераторов постоянного тока и их последовательного соединения. Наиболее мощной ППТ в те времена была передача во Фран Франции длиной 260 км, напряжением 125 кВ и передаваемой мощ мощностью 20 МВт A906 г.) Однако изобретение Доливо-Добровольским в 1891 г. прин принципа трехфазного переменного тока подорвало возможности распространения систем постоянного тока. Вновь к ППТ обра обратились после второй мировой войны в связи с созданием мощ лых преобразователей тока. Первая отгатно-промышленная пе передача была введена в 1950 г. ha трассе Кашира—Москва. Ее длина 120 км, напряжение 200 кВ, мощность 30 МВт. За рубе жш первая ППТ введена на о. Готланд в Швеции в 1^54 г. Ее длина 98 км, иапряжение 100 кВ, шэщность 20 МВт. Наиболее значительная ППТ в СНГ к настоящему времени соединяет Волгоград с Донбассом* она введеиа в 1962 г. Ее дли длина 475 км, напряжение 800 кВ, мощность 720 МВт. К настояще настоящему времени ППТ наибольшей протяженности 1700 км действует в Заире. Ее напряжение 1000 кВ, а мощность 560 МВт. Наибо Наиболее мощная ППТ сооружена в Бразилии. Ее мощность 2X3150 МВт, напряжение 1200 кВ, а длина 800 км. Существует проект ППТ Экибастуз—Центр мощностью 6000 МВт, длиной 2400 км и напряжением 1500 кВ. Наряду с ППТ широко применяются ВПТ. Первая ВПТ бы была построена в 1965 г. в Японии (ГЭС Сакума) для связи ЭЭС 50 и 60 Гц Севера и Юга страны. Ее мощность 300 МВт. Наи Наиболее крупная в мире ВПТ построена в г. Выборге в 1984 г. для связи ЭЭС СССР и Финляндии. Ее мощность 1065 МВт. Всего на начало 1987 г. в мире действовало 36 ППТ и ВПТ общей мощностью 20000 МВт. В период до 1995 г. намечено ввести еще около 30 таких объектов. Существует обоснованная позиция [4], заключающаяся в том, что оптимальное развитие ЕЭЭС СНГ должно опираться на со сооружение сверхмощных и сверхдальних ППТ из Сибири в цент центральные и западные районы содружества. Применение ППТ в настоящее зремя перспективно в следую следующих случаях: — для транзитной передачи больших мощностей от удален удаленных источников $ центрам нагрузки; — межсистемной связи; — глубоких кабельных вводов в города. Применение ВПТ целесообразно: — для секционирования крупных объединенных электро электроэнергетических систем (ОЭЭС) для управления потоками мощ мощности, обеспечения устойчивой работы слабых межсистемных связей (МСС); — связи ЭЭС с разными стандартами частоты; — обеспечения коммерческого экспорта или импорта элект электроэнергии между ЭЭС разных стран.

4.

2. Схемы передач постоянного тока На рис. 4.1 показана схема замещения ППТ, соответствую соответствующая рис, 1.

2. На схеме обозначены через Ев и ?и эффективные значения ЭДС выдрямителя и инвертора, через Ud\ и ?Л*2 — на напряжения в начале и конце ППТ, Id— ток передачи, /?в и Яи — внутренние сопротивления линии. Ток а лшши 'Яв-t Йи + R/ " 47 Мощности, отдаваемая выпрямителем в линию (Pdi) и получае получаемая инвертором из линии (Лгг), соответственно равны: D.2) P и с.

4.

1. Схема замещения передачи посто постоянного тока Основное уравнение линии постоянного тока следующее: Vdi = Ud2 + IdRd, D.3) где Rd=Rol. Основным объектом ППТ является преобразовательная под подстанция (ПП), а ее основным агрегатом — вентильный мост. [сЩ \ JL * Рис.

4.

2. Мостовая схема преобразования передачи по постоянного тока Для ППТ и ВПТ используются шестии двенадцатиполюсные мостовые схемы, позволяющие уменьшить пульсации тока при выпрямлении. Один из примеров приведен на рис.

4.

2. В схеме в 48 ат Рассмотрим некоторые принципиальные схемы ППТ (ВПТ)* В униполярных ППТ заземлен оди&«з полюсов и линия /име /имеет лишь один провод, изолированный от земли. Второй гфовод заземлен с двух сторон линии. Схема такой передачи показана Рис. 4.

4. Схема униполярной вставки по постоянного тока на рис.

4.

3. Увеличение напряжения и мощности передачи до достигается включением последовательно двух мостов, верхние лреобразовательные мосты находятся под двойным выпрямлен лым напряжением. Рис. 4.

5. Схема биполярной вставки постоянного тока В схеме рис. 4.4, где чередуются выпрямительные и инвер торные мосты, максимальный потенциал полюса не превышает выпрямленного напряжения одного моста (?Лш). Такую схему можно рекомендовать для ВПТ. В этих ехемах замъйсание на землю в любой точке сторойы постоянного тока приводит к ВО режиму КЗ и сопровождается значительными токами как в мес месте К$, так и в элементах оборудования. Рис 46 Схема биполярной вставки постоянного тока с маг магнитной связью между полуобмотками полюсов В биполярных схемах заземлены средние точки обоих преоб преобразователей, а полюсы изолированы. Это позволяет разделить передачу на две независимые полуцепи. Принцип выполнения Рис 4f7. Схема биполярной передачи постоянного тока биполярной схемы показан на примере ВПТ (рис. 4.5). Рабочее напряжение не превышает выпрямленного напряжения одного моста; замыкание на землю не сопровождается протеканием то 4* 51 ка КЗ, но приводит к удвоению среднего значения потенциала полюсов. Схема усложнена из-за наличия сглаживающих реак реакторов, резисторов в средних точках и демпфирующих и симмет симметрирующих (R—С)-цепочек на полюсах преобразовательных мостов. Применение реакторов с магнитной связью между полуоб полуобмотками, включенными в разноименные полюса, позволяет удо удовлетворить два противоречивых требования: увеличение индук индуктивности в контуре постоянного тока и снижение индуктивное К ПС Финляндии 6Л-4О0 П 5А-400 П к ас Рис. 4.8. Схема Выборгской вставки постоянного тока ти в контурах,, связанных с замыканием на землю на стороне лостоянного тока для облегчения условий работы при перена перенапряжениях. Такая схема, использующаяей для ВПТ, показана на рис. 4.

6. Область применения биполярных ППТ — передача мощнос мощностей на далекие расстояния. По таким схемам выполняются все мощные ППТ в нашей стране и за рубежом. Для увеличения напряжения передачи в каждый полюс включаются последова последовательно два преобразовательных моста (рис. 4.7), . * При равной нагрузке полуцепей ток в земле отсутствует. При повреждении одного из» полюсов передача в целом не выходит 52 из строя, так как вторая.полуцепь продолжает работать с возв возвратом тока через землю. При атом мощность передачи снижает снижается вдвое. Чтобы исключить вредное воздействие токов на под подземные коммуникации, заземляющие точки обычно выносят с помощью специальных линий на десятки километров от ПП. Для увеличения мощности передачи часто включают по не нескольку преобразовательных устройств параллельно. На рис* 4.8 изображена схема Выборгской ВПТ, связывающей ОЭС НОРДЭЛ стран Северной Европы и ЕЭЭС СНГ. Внедрение ППТ и ВПТ длительное время сдерживалось не ненадежностью преобразовательных устройств. Однако за послед последние годы значительно повысилась надежность работы оборудо оборудования выпрямительных и инверторных шщ^анций — высоко высоковольтных тиристорных вентилей, преобразовательных трансфро маторов, фильтрокомпенсирующих устройств, систем охлажде охлаждения вентилей деионизированной водой; аппаратуры управления и защиты, выполненной с применением интегральных микро микросхем. Коэффициент энергетической готовности ПП достигает 98—99%.

4.

3. Уравнения трехфазной мостовой преобразовательной схемы Для преобразования трехфазного переменного тока обычно используется трехфазная мостовая схема. Получим характерис характеристики преобразователя на основе анализа электромагнитных процессов в нем. Схема замещения одномостового выпрямителя приведена на рис. 4.9. Трехфазная симметричная система сину синусоидальных ЭДС приложена за эквивалентным сопротивлением системы Xs. Трансформатор преобразователя замещается сопро сопротивлением рассеяния Хр. В схему замещения включено также сопротивление Х& сглаживающего реактора. Активными сопро сопротивлениями и емкостями ввиду цх малости можно пренебречь. Рассмотрим характеристику отдельного тиристора, входяще входящего в схему преобразователя. Вольт-амперная характеристика показана на рис. 4.10. При подаче на тиристор от внешнего ис источника положительного напряжения («плюс» на анод и «ми «минус» на катод) и отсутствии тока управления (*у = 0) тиристор будет оставаться закрытым до тех пор, пока напряжение не до достигнет величины напряжения переключения ?/пер. Ток при этом будет незначительным, практически равным нулю. При напря напряжении, большем чем ?/пер, тиристор откроется и скачкообразно перейдет в проводящее состояние. Напряжение на нем резко сни снизится (почти до нуля), а ток возрастет. Если на тиристор пода 53 вать управляющий ток, то i/пер снизится и тем сильнее, чем боль больше будет величина управляющего тока. После открытия тирис Лмодная группа $ к* -О Катанная группа бентнлем Рис. 4.9. Схема замещения выпрямителя тора он будет оставаться в этом состоянии даже при снятии уп управляющего тока, поэтому для его открытия достаточно им о и г>0 Рис. 4.10. Вольт-амперные характеристики тиристора (а) и идеального вентиля (б) пульса управляющего тока. Если амплитуда импульса достаточ достаточно велика, то тиристор откроется уже при незначительном на напряжении ?/цер. М При подаче на тиристор напряжения обратного знака он ос остается закрытым, и лишь когда это напряжение станет доста достаточно большим (t/np), примерно равным Uaep, то тиристор будет пробит и выйдет из строя. „„^м Пренебрегая незначительными токами утечки при закрытом тиристоре и его сопротивлением в открытом состоянии можно представить идеальную характеристику тиристора (рис. 4.1U.0). Ui U. 'U u?_ , L> Ж U, Рис. 4.1

1. Эквивалентная схема мостового преобразователя Одновременно не будем рассматривать нулъеации выпрям выпрямленного тока, полагая, что демпфирующий реактор их сглажи сглаживает. Исходя из сказанного, рассмотрим уравнения режимов мос мостового преобразователя. На схеме замещения, изображенной на рис. 4.11, примем положительные направления токов совпадаю совпадающими с направлением проводимости вентилей. Нумерацию на напряжений вентилей примем в соответствии с очередностью их открытия. Применение первого закона Кирхгофа к схеме (см. рис. 4.11) дает уравнения it + h + к I'd* iA = *'4 — *\; *в = h— D.4) *'c =i2 — h Обойдя контуры щ, и2, еА и ее, имеем: 65 Выразив токи фаз iA и ic через токи вентилей, получим: D.5) ес — еА = Хк (t\ + н — h — if) + "i + "г + ud. D.6.1) Обходя схему по другим контурам, соответствующим следую следующим парам вентилей: 2—3, 3—4, ..., 6—1, получаем: есев = Хк ~~ (t2 + *, i& i% Ud; D.6.2) ,; D.6.3) ec = XK ^ (t4 + Ь »\ /,) + «4 + «5 + f/rf; D-6.4) -ь-н) «; D-6.5) eA = XK ^(t, + ч i, it ue + Ul rf. D.6.6) В соответствии с очередностью работы вентилей получим выра выражения для ЭДС в контуре выпрямления (табл. 4.1). Таблица 4.1 Работаю Работающие вен вентили 1—2 2—3 3—4 4-5 5—6 6—1 Схема действия Действующие ЭДС ее—^а ее—ев ед-ев ех-ее ев—ее е*-еА ЭДС в контуре преобразователя Обозначение и величина ЭДС ?1=5*УЗ Em Sill (#+120*) ?>2=f3?wsin(fl+60°) e3==y3?wsin0 e4=y?msin(#—60°) e5=l/tEm sin($—120°) ,б=Г3 Em sin(#-180*) ЭДС в контурах подчиняются уравнениям D.6), которые являются, по существу, нелинейными, так как напряжения 56 х/ь .•., ив являются нелинейными функциями тока. Однако эти кусочно-линейные функции можно аппроксимировать и решать систему D.6) отдельно для каждого участка аппроксимации. Так как период повторения для одномостового преобразователя равен 60°, то достаточно решить уравнения D.6) только для это этого интервала. Представляют интерес два режима работы преобразователя: режим малых токой (режим, близкий к режиму х.х) и рабочих токов. 4.

4. Режим малых токов При малой нагрузке выпрямителя, когда токи малы (менее 5% номинальных), можно пренебречь ЭДС самоиндукции в со сопротивлении и система D.6) примет вид: D.7) Эти же уравнения имеем, если мощность вьшрямителя много меньше мощности питающей системы, т.е. Ак=0. Для анализа работы необходимо рассматривать отдельные интервалы, соответствующие? определенным режимам работы вентилей. Примем за цачщо отсчета времени момент пересече пересечения синусоид еА и ев (максимум синусоиды ее). Тогда уравне уравнения фазных ЭДС будут следующими: D.8) ЭДС в контурах описываются уравнениями, приведенными в табл. 4.L Все векторы ЭДС изображены на рис. 4.1

2. Для при принятого начала отсчета (/б1=0) работают вентили 1 и 2, их на напряжения равны нулю ul = u2=0. Работает цепь щ—еА—ее—Щ. Из D.4) и D.7) h = id\ н = / ; *а = — I'd* 1в = 0; Q = А*; *= Выпрямленное напряжение — это междуфазное напряжение фаз А и С контура работающих вентилей. Из D.7) определим напряжения на неработающих вентилях? = *а — Ud = е2 — eL = е3 = УЪЕт sin #; 57 « К 3 ?m sin (О — 60°); sin 120?). D.9) может вступить только вентиль Таким образом, в ближайший интервал в работу 3, так как лишь для него щ>0. Если в некоторый момент на этот вентиль подать управляющий импульс, off* откроется и произойдет коммутация тока с вентиля / (он закроется) на венгиль

3. В работе будут находиться Вентили 2 и

3. Опишааемые процессы и дальнейшая рабо работа преобразователя иллюстри иллюстрируются диаграммой, изобра женной на рис. 4.1

3. В момент Ф^а, когда подается управля управляющий импульс на вентиль 3, рентиль / запирается, откры открывается цепь Uz—ев—#с—и2* Напряжение щ—щ—О. Из D.4> и D.7) Рис. 4.1

2. Диаграмма фазных и эк эквивалентных ЗДС h = h\ h = A*; iA = 0; iB = = V'd Выпрямленное напряжение — это междуфазное напряжение фаз В и С. Из D.7) определим напряжения на неработающих вентилях: = е»; ег — Ud *= ех — е2 =* е9. L10) Напряжение на выходе преобразователя в момент Ф=а скачком увеличивается до значения е

2. Уравнения D.10) спра справедливы для углов т. е. до момента, когда при появлении положительного напряжения на вентиле 4 на послед последний будет подан управляющий импульс. Далее процесс разво разворачивается аналогично. Значения напряжений на вентилях при приводятся в табл, 4.2, Как видно из рис. 4.13 и табл. 4.2, в катодной группе нахо находится в работе вентиль той фазы, напряжение которой макси 53 IX V "в ui "г Us "^ «5 Рис. 4.13.Графнки электрических величин в режиме малых токов (ре (режим 2) мально, а в анодной — минимально. Выпрямленное напряже напряжение создается междуфазньийнапряжением тех фаз, где включе включены работающие вентили.^ « * Таблица 42 Изменение напряжений на вентилях в режиме малых токов (режим 2) —60*4 а Как видно из рис. 4.13, даже при малых значениях угла за зажигания а существует заметная пульсация выпрямленного на напряжения. Чем больше а, теадшиже эффективное значение 0^ Найдем его среднее значение: /а 60° где Т—период повторения сюда , соответствующий углу 60°. От От-Em cos a = UdQ cos а. D.11) Из D.11) видно, что выпрямленное напряжение не зависит от рабочего тока и внешняя характеристика преобразователя Ud = f(Id) параллельна оси абсцисс.* Рассмотренный режим носит название «Режим 2», так как в любой момент времени в работе находятся два вен*иля. 4.

5. Режим рабочих токов При значительных токах в индуктивностях фаз аапасается существенная энергия и коммутация тока между вентилями не происходит мгновенно. При переключениях токи фаз изменяют изменяются поэтому не скачком, а с некоторой постоянной времени. Рас €0 смотрим процесс коммутации в той же системе отсчета, которая была принята в п. 4.

4. Для углов O^ft^ia лйожно$ считать, что переходный процесс,, вызванный предыдущей коммутацией в 'Момент ~ #=—60°+а, закончился. Тогда напряжение на дентилях и токи изменятся так же, как показано йа рис. 4.1

3. ч В момент подачи управляющего^импульса на вентиль 3 при угле а возникает двухфазное it. з. между фазами А и В. Рабо Рабочий ток вентиля / постепенно снижается до нуля, а вентиля 3— возрастает до h. Длительность этого процесса определяется уг углом 7, называемым углом коммутации. В момент Ф^а-ffy ток вентиля 1 снижается до нуля, в работе остаются вентили 2 и Зу дальнейший ход процесса вновь определяется соответствующи соответствующими участками диаграммы (см. рис. 4.13 и табл. 4.2). В последу последующие периоды коммутации процесс повторяется аналогично, на уже с другими группами вентилей. Так как в одни моменты режима рабочих токов в открытом состоянии находятся два вентиля, а в другие — три, данный ре режим называется «Режим 2—3». Рассмотрим процесс "коммутации подробнее. Учитывая табл. 4.1, запишем Учитывая также D.12), D.16) и D.17), процессы изменения токов и ЭДС можно изобразитьна рис. 4Л4 Из [2] видно, что среднее значение выпрямленного напряже напряжения определяется выражением: Рис. 4.1

4. Графики электрических величин в режиме рабочих токов (режим 2—3) U^coscc d Рис. 4.1

5. Внешняя характеристика выпрямителя (а) и его схема замещения (б) Ud =lp-?mcosa-^-/dXK. D.18) Из уравнения D.18) определяется внешняя характеристика вы выпрямителя (рис. 4.15). В соответствии'с D.18) можно представить схему замещения выпрямителя (рис. 4.15, б}. Активное сопротивление в схеме за замещения ?в^ЗХк/л. D.19) Из рис. 4.15 следует, что U — -^—-Е 4.

6. Инверторный режим преобразователя Преобразователя могут работать в реверсивных режимах. Однако реверс мЪщности нельзя осуществить изменением уров уровней напряжения по концам передачи, как в линии переменного тока, так как вентили имеют одностороннюю проводимость. Что Чтобы изменить направление потока мощности, надо изменить по полярность напряжения преобразователя. Для этого необходимо сместить управляющие импульсы на противоположную полу полуволну синусоиды напряжения сети. Угол открытия вентилей при этом должен лежать в пре пределах 90—180°. Положительное напряжение прикладывается к анодам вентилей инвертора, а отрицательное — к катодам. Про Процесс перевода выпрямителя в инверторный режим показан на рис. 4.1

6. Существо работы инвертора заключается в том, чтобы подключить к источнику постоянного напряжения поочередно такие фазы трансформатора, чтобы ток в его обмотках менял свое направление дважды за период. Целесообразно поэтому управлять коммутацией вентилей, отслеживая напряжения при приемной системы. Такие инверторы носят название ведомых (ве (ведутся сетью) в отличие от автономных, где коммутация осуще осуществляется независимо. Эквивалентная схема одзномостового ин инвертора изображена на рис. 4.17. На схеме ед, ?в, ее — эквива эквивалентные ЭДС приемной системы, а Хк — суммарное сопротивле сопротивление трансформатора и приемной системы. Уравнения преобразователя D.4), D.6) сохраняют свою си силу и для инвертора. Необходимо только отметить, что знак у Ц Выпрямитель ^*i ^t ^3 ^4 Phc, 4 1

6. Перевод выпрямителя в инверторцый режим Рис 4 17 Эквивалентная схема инвертора напряжения Ud для инвертора при тех же углах фазных ЭДС противоположен по сравнению с выпрямителем. Анализ работы инвертора и построение кривых изменения электрических величин для инвертора выполняются так же, как это было показано в пп. 4.4 и 4.

5. На рис. 4.18 показаны процес V "V Рис. 4.18. Показатели процесса коммутации в ин инверторе сы в инверторе для этапов перехода от работы вентилей 1—2 к работе вентилей 2—

3. При работе вентилей 1—2 В отличие от выпрямителя т. е. инвертор развивает противоЭДС. В это время на вентиле 3 напряжение равно и3 = = 0, он готов к работе. Если в момент (см. рис. 4.18) на вентиль 3 подать управ управляющий импульс, он откроется и начнется коммутация тока с вентиля 1 на вентиль

3. Длительность процесса коммутации оп определяется углом коммутации 7Так же, как и для выпрямите выпрямителя, на время коммутации фазная ЭДС фаз А и В определяется их средним значением. То же относится и к эквивалентной ЭДС, которая равна среднему значению ех и е^. 5 Заказ 135 65 Чтобы коммутирующий ток сохранил то же направление, что и в выпрямителе, т. е. был направлен встречно току вентиля / и совпадал с током вентиля 5, вступающего в работу, необхо необходимо, чтобы управляющий импульс iy3 был подан в зоне, где ?а>^в, ЭДС предыдущей фазы больше, чем ЭДС очередной фа фазы (при 180°). Момент открытия вентилей инвертора удобнее отсчитывать от точки пересечения фазных ЭДС не в сторону отставания (угол аи ), а в сторону опережения (угол ?). Угол р=180°—аи и называется углом опережения. Угол >6 = р—у носит название «угол погасания». Так как Ui=—y3?msind, то спустя угол б UjcosJb Рис. 4.19. Внешняя характеристика инвертора (а) и его схема замещения (б) после окончания процесса перехода от режима 1—2 к режиму 2—3 напряжение на вентиле 1 перейдет через нуль (см. рис. 4.18). Так как напряжение на вентиле 1 снова становится положительным, возникает опасность, что он может самопроиз самопроизвольно открыться от того, что процесс деионизации в нем после его закрытия в момент #=18О°-Аб не успеет закончиться. Чтобы этого не случилось, требуется выполнение условия 6>Ь$, где бо — угол, соответствующий времени рассасывания (выключе (выключения) тиристора, обычно равный 5—6°. С учетом разброса управ управляющих импульсов целесообразно выполнить условие: 6> 15—18°. Внешняя характеристика инвертора определяется зависимо зависимостью D.21), аналогичной D.18): 66 UM = Ap-?mcosp + l./;XK. D.2l> Отличие в знаке определяется различием полярностей выводов преобразователей udB = -udH. Графически внешняя характеристика инвертора приведена на рис. 4Л9, а. Здесь начальное значение напряжения Ud опреде определяется углом опережения §, а конечное зависит от угла погаса погасания. На рис. 4.19, а показаны два конечных значения внешних характеристик: для идеального F = 0) и реального F=15°) вен вентилей. На рис. 4.19, б приведена эквивалентная схема замеще замещения инвертора. Изображенное на ней эквивалентное активное сопротивление преобразователя Оно определяет наклон внешней характеристики. 4.7. Регулирование работы передач постоянного тока Совместная работа выпрямителя и инвертора характеризу характеризуется пересечением их внешних характеристик. При рассмотре рассмотрении ППТ необходимо учесть также характеристику линии элект электропередачи, т. е. падение напряжения в активном сопротивле сопротивлении ее схемы замещения. На рис. 4.20 приведены характеристи характеристики выпрямителя (с учетом линии) и инвертора. Для выпрямите выпрямителя уравнение внешней характеристики с учетом линии можно записать в виде Ud=lXlEmcosа__ (±х^в + tfл)/,. D.22) Меняя углы зажигания а и опережения 0» можно задавать любой режим рабочего тока, а следовательно, и мощности ППТ. Однако следует отметить, что на инверторе обычно устанав устанавливается регулятор, который в целях повышения его экономи экономических показателей поддерживает неизменным угол погаса погасания

6. При увеличения тока нагрузки этот регулятор, называе называемый регулятором угла погасания (РУП), увеличивает угол опе опережения р. Если бы РУП не было, то с увеличением тока на нагрузки угол погасания 6 снижался бы из-за роста угла коммута коммутации у (см. рис. 4.19). Из рис. 4.19 видно также, что при отсутст 5* 67 вии РУП и достижении некоторого заданного угла погасания дальнейший рост нагрузки невозможен/ Рис. 4.20. Иллюстрация совместной работы выпрямителя и инвертора / — внешняя характеристика выпрямите выпрямителя с учетом линии, 2 — то же, без учета линии, 3 — внешняя характеристика ин инвертора Можно показать [2], что при регулировании угла опережения уравнение внешней характеристики инвертора выглядит следу следующим образом: D.23) т. е. характеристика имеет отрицательный статизм, как и харак характеристика выпрямителя. -rtd *d раб Рис. 4.2

1. Совместная работа выпрямителя и инвер инвертора с регулятором угла погасания Наличие такой характеристкии создает опасность возникно возникновения неустойчивых режимов. Такая ситуация возникает в слу случае, когда наклон характеристики выпрямителя меньше накло наклона характеристики инвертора (рис. 4.21, а). Это возможно при условии, что 68 3 v л_ Р ^ 3 У D 24) т. е. когда мощность питающей системы больше мощности при приемной. Из рис. 4.21 видно, что нарушение равновесия за счет появ появления дополнительного рабочего тока приведет к сниже снижению ЭДС выпрямителя и противоЭДС инвертора, но избыточ избыточная неуравновешенная ЭДС выпрямителя приведет к дальней дальнейшему увеличению тока в линии. В результате ППТ выйдет из const *-d раб Рис. 4.2

2. Совместная работа выпрямите выпрямителя с РТ и инвертора с РУП работы. Аналогично можно показать неустойчивость режима при уменьшении рабочего тока. Ток в передаче снизится до ну нуля. В случае, когда характеристика выпрямителя круче характе характеристики инвертора, схема устойчива, что следует из анализа рис. 4.21, б. При случайных отклонениях рабочего тока режим возвращается к исходному состоянию. Устойчивость совместной работы можно также повысить пу путем установки на выпрямителе регулятора тока (РТ). Регуля Регулятор таким образом изменяет угол зажигания а, чтобы поддер поддерживать ток в линии неизменным. Характеристика выпрямителя, оснащенного РТ, изображена на рис. 4.2

2. Пологая часть харак характеристики выпрямителя соответствует нерегулируемому режиму (a = const), а падающая — режиму работы РТ на поддержание постоянного тока в линии. Начальный угол работы РТ а= = 5—10°. При снижении напряжения в передаклцей системе ре регулятор уменьшает угол а вплоть до нуля. С помощью регуля 69 тора тока выпрямителя работу ППТ удается сделать устойчивой при любых соотношениях мощностей передающей и приемной систем. При глубоких снижениях напряжения диапазона регулиро регулирования за счет действия РТ недостаточно. В этом случае в дейст действие необходимо вводить устройства регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) трансформаторов. Недостатком этих уст устройств является их медленное действие. Если ЭДС эыпрямителя снизится так, что его характеристи характеристика окажется ниже характеристики инвертора (см. рис. 4.22, ха * const 1d раб Рис. 4.2

3. Графики регулируемой совмест совместной работы преобразователей ППТ рактеристика при а = 0), то ток в линии упадет до нуля. Чтобы этого не случилось, одновременно со снижением ЭДС выпрями выпрямителя следует снижать и противоЭДС инвертора. Для этого на инверторе устанавливается регулятор минимального тока (РМТ). Он увеличивает угол опережения вентилей инвертора при снижении тока в линии, сдажая тем самым противоЭДС, если ток в линии оказывается меньше уставки регулятора. Обычно ток уставки РМТ принимается равным 90% тока устав уставки РТ выпрямителя. При изменении уставки последнего автома автоматически по каналу связи изменяется и уставка РМТ. В результа результате ток э линии ограничен с двух сторон уставками регуляторов и не изменяется при нарушениях режима, даже при к. з. в линии. Изменяются лишь ЭДС выпрямителя и противоЭДС инвертора. Соответствующие характеристики приведены на рис, 4.2

3. Изме Изменение тока передана обеспечивается смещением уставки регуля регулятора тока. Одновременно автоматически изменяется и уставка РМТ. На рис. 4,?4 приведена структурная схема системы авто автоматического регулирования ППТ. 70 Благодаря использованию управляемых вентилей электропе электропередачи постоянного тока имеют лучшие характеристики регули регулирования, чем электропередачи переменного тока. При этом ре гулировайие осуществляется практически безынерционно. Кро Кроме того, изменение мощности ППТ осуществляется за счет внут внутреннего регулирования, в отличие от электропередач перемен переменного тока, передаваемую мощность которых можно изменять только за счет внешних факторов. В результате ППТ представ — Id Рис. 4.2

4. Структурная схема системы автоматического регу регулирования ППТ: СУ — система управления вентилями; РТ — регулятор тока; У — уст устройство уставки; РУП -*регулятор угла погасания; ТПТ — измери измерительный трансформатор погасания тока V ляет собой гибкое средство повышения устойчивости работы ээс. 4.8. Проблемы передач постоянного тока При эксплуатации ППТ возникают специфические труднос трудности, преодолевать которые необходимо специальными средства средствами, внося определенные изменения в конструктивное их испол исполнение. Как правило, это приводит к заметному удорожанию электропередач. Рассмотрим только некоторые из них. 7! Высшие гармоники и их компенсация. Вен Вентильный мост потребляет из сети ток несинусоидальной формы, содержащий высшие гармоники. Предположим, что углы ком коммутации и управления вентилей равны нулю. Тогда токи вен вентилей и вентильной обмотай трансформатора будут иметь пря прямоугольную форму с длительностью 120°. При схеме соединений трансформатора Y/Y ток сетевой обмочи будет повторять фор форму тока вентильной (рис. 4.25). Так как функция тока удовлетворяет условию f@) = —/@ + + л), то она раскладывается в ряд Фурье, содержащий только нечетные гармоники. Можно также показать [2], что ряд не со е, Рис. 4.2

5. Ток сетевой обмотки трансформа трансформатора тока при схеме его соединений Y/Y держит гармоник, кратных трем, так как при соединении Y/Y нулевая последовательность отсутствует: i = iZi / /sin 0 L Sin 50 + — sin 70 — ...V D.25) я \ 5 7 / Гармоники порядка 0 = 6^+1 имеют прямую последователь последовательность, а гармоники 0 = 6&—1 —обратную. При схеме соединений трансформатора У/А форма тока вен вентилей также прямоугольна (то же относится к линейным токам вентильной обмотки), а токи в фазах определяются соотноше соотношениями: *а = 'V /в-; *'в = 'V id *с = ic U>. D.26) Решение этой системы следующее (рис. 4.26 и 4.27): 3 Разложение сетевого тока в ряд Фурье имеет вид: = ~j ('а —'с); 1ъ' = — («в—'a); ic = -iB). D.27) D.28) 72 Если в преобразователь включить два трансформатора с разны разными схемами соединений, то пятая и седьмая гармоники взаимно Рис. 4.2

6. Распределение токов в преобразова преобразователе при схеме соединений К/Д компенсируются, хотя рстаяутся некомпенсированными один ладцатая и тринадцатая гармоники, кратные 0=12&±

1. На ПП ППТ получили применение два способа компенсации высших гармоник: применение двенадцатифазного режима пре и 1Г Рис. 4.27. Формы тока в трансформаторе при схеме соединений К/А образования отмеченным выше способом подключения двух трансформаторов и использование поперечных резонансных фильтров. Поперечные резонансные фильтры устанавливают на один одиннадцатую и тринадцатую гармоники, а более высокие гармони 73 кй подавляют одним широкополосным фильтром. Резонансные параллельные фильтры состоят т параллельно соединенных ем емкости и индуктивности, выбранных из условия: l. ' D.29) Применение фильтров высших гармоник увеличивает стоимость преобразовательных подстанций до 15—20%. Компенсация реактивн о „й мощности преоб преобразователей. Можно показать [2], что угол сдвига ф между полным током преобразователя и его активной составляющей приближенно определяется углами зажигания и коммутации: Ф = а4-— • D.30) 2 Эти углы обЦчно имеют следующие значения: — для выпрямителя а~5—Ю*\7=20—25°; — для инвертора # = 15—18°, у=20—25°. Учитывая, что 5 = р—7» гДе Р — опережающий угол зажига зажигания, имеем фв555215—22,5°; «25—30°, откуда следует, что мощность, потребляемая выпрямителем, равна Qb= @,3—0,4) Р, а инвертором QH = @,45—0,6) Р. Таким образом, потребление реактивной мощности ПП зна значительно, что может привести к дефициту реактивной мощности в системе. На ПП устанавлибаются поэтому источники реактив реактивной мощности, что удорожает передачу. Имеются предложения, связанные с применением искусст искусственных схем, существенно снижающих потребление реактивной мощности. Отставание по фазе тока ф определяется тем, что от открытие очередного вентиля всегда происходит в зоне правее точки пересечения соответствующих фазных ЭДС, когда напря напряжение очередной фазы становится 'больше напряжения фазы, заканчивающей работу. Подобная схема называется естествен естественной. Уменьшения угла можно (?ыло бы добиться обеспечением коммутации левее точки пересечения фазных ЭДС. Это дости достигается введением дополнительной коммутирующей ЭДС, кото которая поднимает напряжение на очередной фазе до значения, га гарантирующего вступление соответствующего вентиля в работу. Способы введения дополнительной ЭДС могут быть следующие: напряжение предварительно заряженного конденсатора, под подключение с помощью дополнительных вентилей импульса от до дополнительного источника и т. д. Трудности реализации подоб подобных продложений заключаются в том, что она возможна пока только в маломощных преобразователях. 74 Системы управления тиристорными венти вентилями. Система электронных устройств управления вентилями расположена на потенциале земли, а вентиль, куда надо пере передать воздействие, находится под значительным потенциалом. Возникает поэтому сложная задача изоляции системы управле управления. В современных системах проблема управления решается передачей управляющих импульсов с помощью лазерных, свето световых или ультразвуковых систем. Еще одна задача, которую необходимо решить при констру конструировании систем управления преобразователями, заключается в обеспечении строго синхронной подачи импульсов на группы вентилей, так как сдвиг в доли микросекунды в подаче импуль импульсов может привести к разрушению вентилей. Для распределения импульсов по модулям и тиристорным ячейкам используются световоды, ультразвуковые и кабельно-трансформаторные схемы. t Прочие проблемы. Среди других недостатков и труд трудностей, которые необходимо преодолевать при сооружении и эксплуатации ППТ, отметим следующие.

1. Незначительность сопротивлений тиристоров в Ъткрытом состоянии в сочетании с разбросом их характеристик приводит к неравномерности распределения напряжений по отдельным элементам, включенйым последовательно.

2. При несимметричных режимах работы электропередачи устойчивость работы инверторов существенно снижается.

3. Усложненная конструкция подстанций из-за обилия ти тиристоров, конденсаторов, реакторов. Все это не только удоро удорожает подстанцию, но и приводит к снижению надежности ее ра работы.

4. Трудности борьбы с внутренними перенапряжениями, так как разрядники не могут прервать дугу постоянного тока. Одно Одновременно следует отметить трудности создания выключателей на постоянном токе, так как нужны специальные системы уп управления, обеспечивающие запирание вентилей при необходи необходимости отключения передачи. 4.9. Потери мощности Потери мощности в ППТ определяются следующим выраже выражением: АР = ДРТ. в + ДРМ. в + ДРр. в + АРЛ + + ДРР.И +ДРм.и + Д^т.и, D.31) 75 где ДРтв и АРт.и —потери в трансформаторах выпрямитель выпрямительной и инверторной подстанций; iAPm.b и АРм.и — потери в вен вентильных мостах; ДРр в и |ДРр.и — потери в линейных реакторах; ДРЛ — потери мощности в линии. Потери мощности в трансформаторах определяются обыч обычным образом. Следует только учесть, что переменный ток связан с выпрямленным током: линии следующим соотношением [2]: ^-' D-32) Потери мощности в вентильных мостах выпрямителя и инверто инвертора определяются формулой АРМ АРВ + АРд.ц + АРА. Р, D.33) где ДРв — потери в вентилях; АРд.ц—потери в демпфирующих цепях; ЛРар — в анодных реакторах. Потери в вентилях обычно составляют 0,5—0,7% мощности в широком диапазоне возможных режимов. Потери в демпфиру демпфирующих цепях не зависят от нагрузки и составляют 0,1—0,2% ^но ^номинальной мощности моста. Потери в анодных реакторах на по порядок меньше прочих составляющих потерь. Потери мощности в линейных реакторах, как и в анодных, определяются потерями в их обмотках от протекания постоян постоянного тока: А^л.Р=/^л.Р, D.34) где сопротивление реактора определяется по его мощности к. з, Ял. р = APK//,L. . D.35) Аналогично определяются потери в линии электропередачи (для двух полюсов) АРЛ = 2/^0/, D.36) где /?о — погонное сопротивление полюсу; I — длина линии. По Потери в линии составляют наибольшую долю суммарных потерь в ППТ. 4.10. Особенности конструктивного исполнения передач постоянного тока Для воздушных линий постоянного тока применяются одно одностоечные металлические опоры или опоры на оттяжках. Вес опо 76 ры ППТ на 40—45% меньше, чем для В Л переменного тока той же пропускной способности. На опоре подвешиваются стале алюминиевые провода и грозозащитный трос. Однако длина гирлянды изоляторов ППТ несколько больше, так как появле появление пыли и влаги на изоляторах существенно увеличивает не неравномерность распределения напряжения по гирлянде. Это связано с тем, что в ППТ распределение напряжения по гир гирлянде определяется сопротивлениями утечки, а не емкостями изоляторов, как в линиях переменного тока. Тем не менее с уче учетом того, что у ППТ два полюса против трех фаз линии пере переменного тока, суммарный расход изоляторов для ППТ несколь несколько ниже. Для ВЛ ППТ повышенного напряжения для снижения по потерь на корону применяется расщепление проводов. Следует отметить, что кабельная линия на постоянном токе значительно дешевле аналогичной линии на переменном токе. Условия работы кабеля более благоприятны и электрическая прочность кабеля в 2—3 раза вуше. Старение изоляции кабеля на постоянном токе происходит медленцее из-за отсутствия час частичных разрядов в изоляции. Количество мостов в ПП определяется мощностью и напря напряжением ППТ. Число мостов в каждом полюсе обычно четное для обеспечения двенадцатифазного режима. Мосты подключа подключаются последовательно или последовательно-параллельно. Каж Каждый мост подключается через разъединители и снабжен шунти шунтирующим аппаратом, включающимся при его выводе из работы. Для защиты от перенапряжений в цепях моста ставятся разряд разрядники. На выходе подстанции в линию постоянного тока включают включаются линейные рейкторы для сглаживания пульсаций выпрямлен выпрямленного тока и защиты подстанций от перенапряжений со стороны линии. Индуктивность реакторов около 1 Гн. От перенапряже перенапряжений линейные реакторы также защищены разрядниками. Наиболее важным элементом ППТ является вентиль. До 1970-х годов на ПП использовались ртутные вентили, имеющие низкую надежность и плохие экологические характеристики. Высоковольтные тиристорные вентили (ВТВ), в отличие or ртутных, можно создать практически на любые напряжения и значительно повысить с их помощью надежность. При применении ВТВ можно поместить тиристоры и часть оборудования (реакторы, разрядники, шунтирующие цепочки) в одну оболочку, заполненную маслом или элегазом, что унифи унифицирует и удешевляет подстанцию. Системы управления ВТВ 77 значительно проще, никаких ограничений на скорость изменения нагрузки не требуется. В то же время надо отметить, что ВТВ имеют меньшую перегрузочную способность как по току, так и по напряжению, а потери в них выше, чем в ртутных вентилях. Вентили для современных крупных ППТ рассчитываются на пропускание тока силою в несколько килоампер и должны вы выдерживать рабочие напряжения в сотни киловольт. В то же вре время рабочие параметры отдельных тиристоров, достигнутые к на настоящему времени, составляют до 2—3 кА и 3—4 кВ. В ВТВ применяется поэтому последовательно-параллельное соедине лие тиристоров. При создании ВВТ используется блочный прин принцип, когда тиристоры объединяются в так называемые тирисТор иые ячейки и их группы-модули. Каждый модуль представляет собой законченный вентиль со всеми устройствами управления, но рассчитанный на напряжение, меньшее, чем ППТ. Модули легко заменяются при необходимости. Тиристорные ячейки внут внутри модуля также легко заменяются. В модуль встраивается единый для всех ячеек блок управления. Охлаждение тиристоров обычно применяется водяное, а иног иногда — воздушрое, принудительное. Избыточность изготовления ВТВ приводит к тому, что выход из строя 10—\5% тиристоров не влияет на работоспособность всего ВТВ. Для размещения оборудования ПП применяют закрытые распределительные устройства, хотя имеются и открытые под подстанции. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Александров Г. Н. Передача электрической энергии переменным током. Л.: Энергоатомнздат, 1990. 176 с.

2. Веннко* В. А,, Рыжов Ю. П» Дальние электропередачи переменного и постоянного тока: Учеб пособие. М: Энергоатом из дат, 198

5. 272 с.

3. Тиходеев Н. Н. Передача электрической энергии. Изд. 2-е, перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат, 198

4. 248 с.

4. Электропередачи и вставки постоянного тока в Единой энергосистеме СССР/Шидловский А. К., Перхач В. С, Лазарев Н. С. и др. Киев: ИЭД, 1988. 51 с.

5. Глухарев О. А., Новелла В. Н. Аварийные режимы электропередач по постоянного тока. М.: МЭИ. 1989. 70 с. 78 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ^ Глава

1. Общая характеристика дальних электропередач 4 1.

1. Энергетическая характеристика дальних электропередач ... 4 1.

2. Технико-экономическое сопоставление передач переменного и постоянного тока , . Т 1.

3. Экологические факторы и безопасность передачи электроэнер электроэнергии по линиям высокого напряжения 10" Глава

2. Электрические параметры и уравнения длинной линии пере переменного тока 12"

2.

1. Первичные и вторичные параметры четырехполюсника .... 12 2.

2. Длинная линия как цепь элементарных четырехполюсников . . 15 2.

3. Параметры реальных дальних электропередач 17 2.

4. Линия без потерь активной мощности (идеальная линия) . . 20 2.

5. Активная и реактивная мощность передачи при регулировании напряжения в ее начале и конце 25 Глава

3. Режимы и повышение пропускной способности дальних пере передач переменного тока —. 29s

3.

1. Особенности линий длиной в четверть волны. Компенсирован Компенсированные электропередачи . • ... 29

3.

2. Особенности линии длиной в половину волны. Настроенные электропередачи . . . < 34' 3.

3. Автоматическая аварийная разгрузка и переключательные пункты дальних электропередач 37 3.

4. Схема дальней передачи переменного тока 40 3.

5. Повышение пропускной способности электропередач при помо помощи регулируемых источников реактивной мощности 42" Глава

4. Передача энергии постоянным током 46

4.

1. Историческая справка о передачах постоянного тока и встав вставках постоянного тока, перспективы их распространения ... 4&

4.

2. Схемы передач постоянного тока 47

4.

3. Уравнения трехфазной мостовой преобразовательной схемы . . 53 4.

4. Режим малых токов 57* 4.

5. Режим рабочих токов 60 4.

6. Инверторный режим преобразователя 63 4.7. Регулирование работы передач постоянного тока 67" 4.8. Проблемы передач постоянного тока • . ч Л 4.9. Потерн мощности 76 4.10. Особенности конструктивного исполнения передач постоянно постоянного тока 76 Библиографический список * 7& Светлана Семеновна Ананичева Петр Иванович Бартоломей Анатолий Леонидович Мыанн ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ДАЛЬНИЕ РАССТОЯНИЯ Редактор издательства

3. Н. Крамаренко Технический редактор Л. П. Лезина Корректор О. С. Смирнова ЛР №020315 от 28.11.91г. ¦Сдано в набор 06.04.93 Подписано в печать 12.1L93 Формат 60fX90!/i6 Бумага типографская Высокая печать Усл. п. л. 5,0 Уч.-изд. л. 4,5 Усл. кр.-отт. 5,2 Тираж 500 Заказ 135 Редакционно-издательский отдел Уральского государственного технического университета — УПИ 620002, Екатеринбург, Мира, 19, 8-й учебный корпус Цех № 1 АО «Полиграфист» 620002, Екатеринбург, Мамина-Сибиряка, 145