1-6. НАСТРОЙКА И КОМПЕНСАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ, КАК СРЕДСТВО УВЕЛИЧЕНИЯ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ
Ограничения пропускной способности электропередачи возникают в связи со свойствами самой передачи переменного тока, обладающей некоторой предельной мощностью, и в связи с необходимостью обеспечить статическую и динамическую устойчивость электропередачи как в нормальном, так и в послеаварийном режимах.
Величина предельной мощности длинной линии передачи изменяется в зависимости от длины линии, ее реактивного сопротивления и устройств, включаемых по концам (генераторов, трансформаторов, сопротивления приемной системы).
Рис. 1-39 показывает, как изменяются характеристики предельно передаваемой мощности в зависимости от реактивности концевых устройств (эти изменения найдены с помощью табл. 1—4, схема 9).
Увеличения предела передаваемой мощности можно достигнуть таким изменением параметров передачи, которое приводило бы к изменению ее эквивалентной волновой длины, т. е. сдвигало бы зависимости мощности от длины в нужном направлении или обеспечивало бы подъем этих характеристик в направлении оси координат. Это может достигаться двумя методами: воздействием только на волновое сопротивление передачи без изменения ее волновой длины или воздействием только на волновую длину. Из выражения
Табл. 1-5 дает сводку мероприятий, направленных на увеличение предела пропускной способности электропередач, достигаемого за счет различных способов компенсации параметров линии, и на увеличение статической и динамической устойчивости дальних передач.
В этой таблице приведены мероприятия, заключающиеся как в изменении конструкции линии, так и предусматривающие включение дополнительных компенсационных устройств в передачу. Остановимся на последних подробнее.
Под компенсацией параметров понимается включение в электропередачу дополнительных устройств, сообщающих всей электропередаче желательные свойства.
Линия, в которую для этой цели включены те или иные дополнительные устройства, называется компенсированной линией, а самые дополнительные устройства называются компенсирующими устройствами (КУ).
Таблица 1-5
Перечень мероприятий, предназначенных
| 1. В основном для улучшения статической, динамической и результирующей устойчивости | 2. В большей мере для увеличения пропускной способности, нежели для улучшения статической и динамической устойчивости | 3. В основном для повышения пропускной способности всей электропередачи |
Улучшение параметров генераторов Увеличение скорости отключения к. з. Увеличение механической инерции генераторов | Переключательные пункты Промежуточные синхронные компенсаторы, | Повышение напряжения линии |
Способы компенсации линии можно условно разделить на три большие группы.
а) Компенсация всех параметров линии к нулевой длине. В этом случае включением дополнительных устройств емкостная проводимость и реактивное сопротивление линии полностью уничтожается и в схеме замещения линии остается только одно обычно весьма небольшое активное сопротивление; можно образно сказать, что в электрическом отношении линия «исчезает».
б) Компенсация волнового сопротивления или компенсация линии. В этом случае дополнительные устройства на линии будут выбираться так, чтобы в первую очередь уменьшить величину zс. Уменьшение этой величины можно произвести, уменьшая в п раз индуктивность линии и увеличивая в п раз емкость линии. При этом волновая длина электропередачи не изменится, а предельно передаваемая мощность за счет уменьшения знаменателя в выражении
возрастет, что и показано на рис. 1-40,б.
в) Компенсация волновой длины или настройка линии. Можно себе представить другой крайний случай, когда индуктивность и емкостная проводимость увеличиваются в одинаковое число раз. В этом случае волновое сопротивление линии не изменяется, а волновая длина будет другой. Это приводит к описанному выше перемещению характеристик рис. 1-40,а, когда предел передаваемой мощности линии при неизменном волновом сопротивлении изменяется.
Осуществление компенсации может производиться как включением статических неуправляемых устройств, так и включением вращающихся машин или управляемых статических устройств.
Однако надо отметить, что практически таких крайних случаев компенсации (три перечисленных выше), как правило, не будет. Нет никакой надобности стремиться к полной компенсации линии, обеспечивая нулевую длину, равно как и нет надобности производить изменение индуктивности и емкости точно в одинаковое количество раз. При неодинаковом изменении этих двух параметров одновременно будет меняться и волновая длина линии и волновое сопротивление.
Кроме того, говорить о волновом сопротивлении и волновой длине линии электропередачи, содержащей дополнительные устройства, не распределенные вдоль длины линии, а обладающие сосредоточенными параметрами, строго говоря, нельзя. Об этом изменении волновых параметров компенсированной линии можно говорить только условно, имея в виду реальную линию с распределенными параметрами, эквивалентную данной компенсированной линии.
Целью компенсации линии является, разумеется, не само по себе изменение волновых свойств линии, а улучшение тех или иных показателей режима и в первую очередь увеличение пропускной способности.
Когда электропередача работает с нагрузкой меньше натуральной и в линии имеется избыток реактивной мощности, ее можно компенсировать параллельным включением реакторов (рис. 1-41,а).
В этом случае эквивалентное волновое сопротивление оказывается равным
Линия, передающая мощность больше натуральной и требующая для поддержания напряжения дополнительной реактивной мощности, может быть дополнена включением конденсаторов (рис. 1-41,б) — параллельная емкостная компенсация. В этом случае волновое сопротивление линии будет иметь величину:
а натуральная мощность
Включение конденсаторов, имеющих сопротивление хк, последовательно в линию (рис. 1-41,в) будет уменьшать волновое сопротивление ее согласно выражению
Значение натуральной мощности будет определяться выражением
Очевидно, что продольная емкостная компенсация будет увеличивать длину волны и сокращать электрическую длину линии.
В случае параллельной емкостной компенсации, наоборот, волновая длина линии будет увеличиваться.
Сочетание продольной емкостной компенсации при одновременной компенсации емкости линии параллельными реакторами (рис. 1-41,г) позволит уменьшить волновую длину и повысить натуральную мощность линии.
Компенсация может осуществляться и управляемыми компенсированными устройствами (табл. 1-5).
Рис. 1-42. Поперечная компенсация промежуточными синхронными компенсаторами.
Весьма эффективным примером управляемой поперечной компенсации является включение синхронных компенсаторов вдоль линии передачи (рис. 1-42). Если каждый из синхронных компенсаторов обладает достаточной мощностью, чтобы в точке его присоединения к линии поддерживать напряжение, то векторная диаграмма передачи примет вид, показанный на рис. 1-43.
Таким образом, линия компенсированная параллельными синхронными компенсаторами, может работать с любым углом сдвига между концами передачи.
Однако мощность синхронных компенсаторов, необходимая для поддержания напряжения в промежуточных точках и обеспечения статической устойчивости передачи при обычных компенсаторах, оказывается весьма большой, в несколько раз превышающей передаваемую по линии мощность. Уменьшение реактивности компенсаторов за счет изменения их конструкции при некотором увеличении габаритной мощности или за счет включения последовательно с ними статических конденсаторов позволяет уменьшить мощность компенсаторов и увеличить передаваемую по линии мощность по условиям устойчивости.
Рис. 1-43. Векторная диаграмма передачи с промежуточными синхронными компенсаторами.
Относительно дешевым средством улучшения эффективности синхронных компенсаторов является сильное регулирование их возбуждения. Такое регулирование оказывается эквивалентным уменьшению реактивности компенсатора без увеличения его габаритной мощности.
Синхронные компенсаторы могут быть заменены управляемыми статическими устройствами, выдающими в линию или поглощающими из нее реактивную мощность и тем обеспечивающими поддержание напряжения в точке их присоединения.
Рис. 1-44. Статические регулируемые компенсирующие устройства, управляемые вентилями. 1 — реакторы; 2 — вентили.
Принципиальная схема одного из таких устройств приведена на рис. 1-44. Регулирование достигается или изменением реактивности реакторов за счет подмагничивания их постоянным током, или же за счет регулирования продолжительности включения реакторов посредством управляемых вентилей. Показанный на рис. 1-44 трехфазный управляемый выпрямитель замкнут накоротко со стороны постоянного тока.
Момент зажигания может быть установлен так, что ток в короткозамкнутой цепи постоянного тока будет мал и реактор, включенный в цепь переменного тока, будет потреблять малый ток.
Изменяя момент зажигания, можно увеличить ток в короткозамкнутой цепи постоянного тока, соответственно увеличить реактивную мощность, потребляемую реактором из сети. Другой возможностью управления реактором является введение в его цепь некой дополнительной управляемой противо-э. д. с. Включение только регулируемых реакторов может обеспечить управление линией при нагрузках меньше натуральной.
Для управления линией и поддержания напряжения в отдельных точках ее при нагрузке больше натуральной необходимо переходить к управляемым конденсаторам.
Управление мощностью, выдаваемой конденсаторами, может производиться или за счет разного количества включенных конденсаторов, или за счет изменения реактивности реакторов, включенных параллельно или последовательно с конденсаторами.
Возможно также управление конденсаторами с помощью управляемых выпрямителей или комбинации выпрямителей и инверторов. Надо отметить, что устройства такого рода еще находятся в стадии разработки и практически пока нигде не реализованы.
Рис. 1-45. Схемы включения последовательной компенсации. (Верхняя схема — первая, нижняя — вторая).
Большее распространение в настоящее время получила продольная емкостная компенсация. Установки продольной емкостной компенсации могут включаться в линию по одной из схем, показанных на рис. 1-45.
Схема включения конденсаторов на переключательных пунктах (рис. 1-45) обладает той особенностью, что после аварийного отключения участка какой-либо цепи ток в конденсаторах не изменяется. В этом смысле эта схема выгоднее первой схемы (рис. 1-45), где ток в конденсаторах на участке цепи, параллельной отключенному, удваивается. В первой схеме конденсаторы надо выбирать с запасом или применять специальные схемы, позволяющие осуществить переключение конденсаторов, с тем чтобы изменить их число или схему соединений.
Недостатком установки на переключательном пункте является то обстоятельство, что при отключении участка линии степень компенсации уменьшается (х линии увеличивается, а емкость компенсации остается прежней). Поэтому для обеспечения пропускной способности в послеаварийном режиме необходимо применять большую компенсацию, чем это было бы нужно по условиям нормального режима и чем это нужно в первой схеме. Первая схема (рис. 1-45) обеспечивает постоянную степень компенсации как в нормальном, так и в послеаварийном режиме, и может выполняться в различных вариантах, например, при рассосредоточении конденсаторов на два пункта (рис. 1-46) и т. п.
Выбор той или иной схемы включения конденсаторов производится в зависимости от назначения передачи ее схемы и режима.
Рис. 1-46 Включение последовательной компенсации.
Так, в шведских электропередачах 380 кВ, не имеющих переключательных пунктов и состоящих из одноцепных блоковых передач, более целесообразным оказалось применение первой схемы (рис. 1-45).
На передаче Куйбышев—Москва более рациональным оказалось применение варианта второй схемы с установкой на переключательном пункте конденсаторов с автоматическим аварийным отключением части их.
Выбор необходимого количества конденсаторов, схем их включения и способов переключения, а также размещения на линии в значительной мере связан с анализом переходных процессов в линии и влиянием возникающих перенапряжений.
Влияние последовательной компенсации на установившийся режим можно иллюстрировать характеристиками, представленными на рис. 1-47, где показано, как изменяется режим передачи при разной степени компенсации ее реактивного сопротивления. Легко видеть, что наличие последовательной компенсации оказывается равносильным уменьшению длины линии. При этом, однако, распределение реактивных мощностей на линии существенно меняется. Распределение напряжения вдоль компенсированной линии также меняется в зависимости от нагрузки и от изменения степени компенсации.
Рис. 1-48 показывает как изменяется распределение напряжения на линии, имеющей последовательную компенсацию.
Наличие компенсационных устройств и их размещение по линии влияют, как было показано в § 1-5, и на к. п. д. электропередачи. Приведем в качестве иллюстрации пример, показывающий влияние числа компенсирующих пунктов на линии электропередачи длиной 2 000 км, выполненной проводом АСО-480Х3 (рис. 1-49).
Влияние мощности реакторов при различной величине продольной компенсации на к. п. д. передачи было иллюстрировано ранее (рис. 1-36).
Общий подход к определению свойств компенсированной линии заключается в составлении схемы замещения передачи, в которую линия и компенсирующие устройства входят обобщенными параметрами.
Составляя матрицу для эквивалентных постоянных электропередачи, можно найти характеристики компенсированной линии при включении в нее компенсирующих устройств, различных по величине и схемам включения.
Электропередача с компенсационными устройствами может становиться несимметричной в том смысле, что эквивалентная постоянная А оказывается неравной эквивалентной постоянной D.
Таблица 1-6
Электрические свойства простейших схем передач с полной компенсацией
Общие характеристики электрических свойств простейших электропередач с полной комбинированной компенсацией приведены в табл. 1-6.
Аналогичные соотношения могут быть легко получены и в случае схем замещения передач, составленных с учетом потерь.
Кроме описанных выше способов увеличения пропускной способности передачи, в том или ином виде применяемых в настоящее время, имеется еще ряд возможностей увеличения пропускной способности линии переменного тока, пока неиспользованных и даже в достаточной мере все еще неизученных. Сюда в первую очередь надо отнести применение линий передач, настроенных на полуволну.
Из соотношений, приведенных в § 1-1 и 1-2, следует, что когда сама линия передачи обладает реальной физической длиной 3 000 км или в случае, когда она с помощью компенсационных устройств настраивается на эту волновую длину, то предел передаваемой мощности согласно выражению 1-10 становится неограниченно большим (рис. 1-6 и 1-39).
Продолжение
Для настройки линии на полуволну могут быть применены статические компенсирующие устройства, специально включаемые в линию, но могут быть использованы уже имеющиеся в линии концевые устройства (трансформаторы, генераторы), параметры которых, участвуя в эквивалентной схеме замещения электропередачи, в целом могут обеспечить приведение передачи к режиму полуволны.
Рис. 1-49. Зависимость к. п. д. от числа компенсирующих пунктов.
Выбор необходимых дополнительных компенсационных устройств или подбор параметров нормальных концевых устройств, обеспечивающих настройку передачи на полуволну, производится способами, описанными выше. Не рассматривая детально режимов настроенной линии, заметим, что, как и во всяком резонансном режиме, в режиме полуволны, являющемся резонансом токов, происходит значительная циркуляция реактивной мощности внутри самой линии.
В связи с этим обстоятельством относительные потери в передаче увеличиваются. Для того чтобы сделать передачу экономичнее, видимо необходима установка дополнительных компенсирующих устройств и источников реактивной мощности на линии и, кроме того, работа с принудительными перепадами напряжения по концам передачи. Вопрос этот пока не рассмотрен настолько, чтобы можно было говорить о реальных характеристиках1. Надо отметить, что в настоящее время не представляется необходимым создание магистральных электропередач столь большой длины (порядка 2 тыс. км), чтобы появилась необходимость и возможность настройки их на полуволну. Такие длинные линии должны строиться с промежуточными подстанциями, на которых присоединяются нагрузки и генераторы промежуточных систем. Поэтому осуществление . настройки линии передачи на полуволну в ее чистом виде пока не представляет практического интереса. Но весьма существенной является задача разработки передач, имеющих промежуточные отборы мощности и одновременно работающих в режиме, аналогичном режиму полуволны. Этот вопрос не только не разработан, но даже еще в сущности достаточно четко не поставлен.
Для увеличения пропускной способности передач переменного тока выдвигался ряд других мероприятий, показанных выше в табл. 1-5.
Большего внимания заслуживают разомкнутые электропередачи. Однако предварительные проектные разработки передач такого типа не показали пока заметного экономического эффекта. Никакого практического применения последние еще не находят, поэтому на них так же, как и на других перечисленных мероприятиях (табл. 1-5), подробно останавливаться не будем.
1 В последнее время под руководством проф. Щербакова В. К. выполнен ряд работ в этом направлении.
