Устройства продольной компенсации традиционно используются на дальних линиях электропередачи для снижения их величины продольного индуктивного сопротивления [1]. В работах И.И. Соловьева и А.А. Вульфа [2] выдвинута идея использования для этих целей настройки линии электропередачи на нулевое сопротивление путём достижения резонанса напряжений или резонанса токов. В работе профессором Н.Ф. Ракушевым [3] эта идея воплощена при помощи оригинальной двухпроводной схемы однофазной разомкнутой линии, в которой электрическая мощность передаётся через емкостное сопротивление между двумя электрически изолированными друг от друга проводами, каждый из которых электрически соединен только с одним из узлов, между которыми происходит передача энергии.
Трёхфазная реализация схемы разомкнутой линии предложена авторами в работе [4]. Эта схема предполагает использование в качестве фазных проводников составляющих расщеплённой фазы, в результате чего разомкнутая линия может быть переоборудована из традиционной трёхфазной высоковольтной линии электропередачи.
С использованием разработанной [5] математической модели, а также описанных в работе [6] методик расчёта установившегося режима разомкнутой линии авторами выполнен анализ эффективности использования внутрифазной ёмкости разомкнутой линии для регулирования напряжения в прилегающей к её концевым узлам электрической сети. При этом непосредственным управляющим воздействием является шунтирование или дешунтирование внутрифазной ёмкости разомкнутой линии путём коммутации выключателей на её концах.
Оценка выполнена на примере воздушной линии 500 кВ Ростовская АЭС – Шахты. Для определения конфигурации расщеплённой фазы использованы результаты работы [7].
Цель исследования: расчет и анализ режимов нагрузки предложенной в [4] конструкции трехфазной разомкнутой ВЛ, а также анализ эффективности применения предложенной в [4] конструкции трехфазной разомкнутой ВЛ как средства регулирования напряжения.
Материалы и методы исследования
Для анализа эффективности применения разомкнутых линий электропередачи используются методы математического моделирования в среде MATLAB/Simulink с использованием библиотеки элементов SimScape SimPowerSystems. Выполнен анализ режимов работы линий двух классов напряжения (500 и 750 кВ) и трех вариантов конструкций расщепленной фазы. Сведения об анализируемых линиях представлены в табл. 1.
Таблица 1
Сведения об анализируемых линиях
|
Класс напряжения, кВ |
Конфигурация пролёта |
||
|
Тип промежуточных опор |
Высота подвеса фазы, м |
Марка провода в фазе |
|
|
500 |
Промежуточные опоры на оттяжках ПБ1 |
27,2 |
АС-700/86 |
|
750 |
Промежуточные опоры на оттяжках ПП750-1 |
35 |
АС-500/64 |
C учётом полученных ранее результатов анализа установившихся режимов РВЛ [7–9] в настоящей работе проведен расчёт некоторых аварийных режимов работы разомкнутой линии. Для этого модель общего участка линии представлена в виде четырёх последовательно соединённых блоков многопроводной схемы замещения, каждый из которых моделирует участок равной длины (рис. 1).
Рис. 1. Математическая модель в среде MATLAB/Simulink для расчета некоторых аварийных режимов работы трехфазной разомкнутой ВЛ
С использованием данной модели проведена оценка следующих видов замыканий:
- внутрифазное КЗ (замыкание между прямой и обратной составляющей);
- внутрифазное КЗ с участием земли;
- замыкание прямой или обратной составляющей на землю.
Для анализа эффективности применения разомкнутых линий электропередачи в решении задачи регулирования напряжения используются методы математического моделирования в среде RastrWin3. Выполнен анализ режимов работы сети 500 кВ на примере объединенной энергосистемы Юга (рис. 2).
Рис. 2. ОЭС Юга
Регулирование напряжения в сети производилось путём шунтирования продольной ёмкости разомкнутой линии, описанной в [3] с целью снижения напряжения в узлах линии и дешунтирования – для увеличения напряжения. В работе представлены результата анализа напряжения в узлах сети при использовании описанного способа регулирования.
Результаты исследования и их обсуждение
Режим внутрифазного КЗ – аварийный режим, характерный только для линии с продольной компенсацией. Опасность данного режима заключается в шунтировании внутрифазной ёмкости, которое может привести к нарушению устойчивости работы линий.
Однако результаты моделирования кратковременно возникающего внутрифазного КЗ позволяют говорить лишь о незначительных изменениях напряжения в повреждённой фазе.
При этом ток в месте установки защиты изменяется незначительно, что вынуждает использовать дистанционные либо высокочастотные защиты для обнаружения данного вида замыканий (рис. 3).
Рис. 3. Внутрифазное КЗ – замыкание между прямой и встречной составляющей расщепленной фазы
Рис. 4. Однофазное короткое замыкание
Как и следовало ожидать, в режиме внутрифазного замыкания с участием земли наблюдается значительная несимметрия напряжений. Характер изменения тока в месте установки защит позволяет использовать для защиты от замыканий на землю те же виды защит, что и для традиционных линий (рис. 4).
На рис. 5 представлены результаты расчета режима сети с шунтированной продольной ёмкостью ВЛ 500 кВ Ростовская АЭС – Шахты. Узел «Ростовская АЭС» является базисным, напряжение на нем постоянное и составляет 525 кВ.
Рис. 5. Результаты расчета режима до включения продольной емкости
Рис. 6. Результаты расчета режима после включения продольной емкости
Далее было произведено включение продольной ёмкости и рассчитан соответствующий этому режим. Результаты расчета режима представлены на рис. 6.
По результатам расчета режима были определены значения напряжения во всех узлах сети до и после включения шунтируемой продольной ёмкости на ВЛ 500 кВ Ростовская АЭС – Шахты, величины угла между фазами напряжения d (табл. 2).
Таблица 2
Результаты расчета напряжений в узлах сети 500 кВ
|
Узел |
Напряжение, кВ |
δ,º |
||||
|
До компенсации |
После компенсации |
До компенсации |
После компенсации |
|||
|
Ростовская АЭС |
525 |
– |
– |
|||
|
Шахты |
496,24 |
522,92 |
–1,55 |
0,61 |
||
|
Тихорецк |
516,72 |
517 |
0,42 |
0,83 |
||
|
Центральная |
502,94 |
503,09 |
0,4 |
0,9 |
||
|
Кубанская |
498,94 |
499,09 |
–4,35 |
-3,84 |
||
|
Ставропольская ГРЭС |
503,32 |
503,46 |
8,51 |
8,98 |
||
|
Невинномысск |
514,07 |
514,05 |
7,22 |
7,54 |
||
|
Буденновск |
524,5 |
524,46 |
0,9 |
1,08 |
||
Расчеты показывают, что наибольшее увеличение напряжения наблюдается в узлах, непосредственно связанных с разомкнутой линией, и составляет порядка 27 кВ. Однако небольшое увеличение напряжения наблюдается практически во всех узлах сети.
Выводы
В работе построена математическая модель трехфазной разомкнутой ВЛ для расчёта некоторых аварийных режимов работы разомкнутой линии. С использованием данной модели проведена оценка следующих видов замыканий:
- внутрифазное КЗ (замыкание между прямой и обратной составляющей);
- внутрифазное КЗ с участием земли;
- замыкание прямой или обратной составляющей на землю.
Результаты первичного анализа аварийных режимов РВЛ позволяют утверждать о возможности использования традиционных принципов организации защит линий. В режимах с шунтированием внутрифазной ёмкости не происходит нарушения устойчивости работы линии, однако для обнаружения внутрифазных повреждений необходимо предусматривать нетоковые виды релейных защит: дистанционные, высокочастотные.
Также в работе проведен расчет режимов сети 500 кВ объединенной энергосистемы Юга. Рассмотрен эффект применения разомкнутых линий с шунтированной продольной ёмкостью на примере ВЛ 500 кВ Ростовская АЭС – Шахты. Определены значения напряжений в узлах сети до и после включения продольной емкости и построены соответствующие векторные диаграммы. Полученные в данной работе результаты позволяют говорить о разомкнутых линиях электропередачи с шунтируемой продольной ёмкостью как об эффективном способе регулирования напряжения.