Дальние электропередачи - Несимметричные режимы работы электропередач

2-6. НЕСИММЕТРИЧНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ
1. Постановка вопроса

Общие соображения.

Электрические системы и все их элементы, как правило, работают в трехфазном симметричном режиме, и со времен изобретателя трехфазного тока Доливо-Добровольского работа электрических систем и все операции по включению и выключению цепей электрических систем и их отдельных элементов производились одновременно на всех трех фазах. Казалось бы, что это вполне естественно и что иначе быть не может.

Однако в последнее время в энергетических системах стали широко внедряться несимметричные режимы или, как их иначе называют, неполнофазные режимы¹.

¹ Вообще говоря, следует различать неполнофазные и несимметричные режимы в том отношении, что под неполнофазным режимом можно понимать работу с отключенным фазным проводом линии передачи, трансформатора или другого оборудования, а под несимметричным режимом понимать режим при любом нарушении симметрии, например, при коротком замыкании или неодинаковом соединении фаз.

Несимметричные режимы, конечно, не являются нормальными и не призваны заменить симметричные, но они имеют большое значение как средство повышения надежности работы электрических систем.
Осуществление несимметричных режимов электрических систем как особых эксплуатационных режимов явилось в свое время большим достижением советских энергетиков. Ряд смелых решений, осуществленных ими (работа на двух фазах, пофазное отключение, пофазное АПВ и др.), позволил снизить аварийность и в тяжелых условиях при ограниченном числе линий облегчить электроснабжение ряда заводов во время войны.
Несимметричные режимы могут быть длительными и кратковременными. Длительные несимметричные режимы такие, при которых довольно длительное время осуществляется передача электрической энергии потребителям.
Кратковременные несимметричные режимы связаны с аварийными процессами, такими, как короткие замыкания, обрывы с замыканием на землю, отключение фазы при однофазном автоматическом повторном включении. Инженеру анализ кратковременных режимов важен для того, чтобы выбрать оборудование и установить условия работы так, чтобы появление несимметрии не являлось аварийным.
Процесс перехода от симметричного к длительному несимметричному режиму не должен приводить к аварии, и после него в системе должен наступать установившийся режим при сохранении приемлемого качества электроэнергии.
Аварийные режимы здесь рассматриваться не будут, так как исследование их относится к курсам переходных процессов. Здесь должны быть рассмотрены установившиеся несимметричные режимы. К ним относятся полнофазные несимметричные режимы в условиях постоянной несимметрии напряжений и токов.
Эта несимметрия может появиться или из-за несимметрии в том или ином элементе передачи (неодинаковое сопротивление в фазах), или же из-за несимметрии нагрузки.
Другим видом несимметричных режимов могут быть неполнофазные длительные режимы. Эти режимы могут иметь место при ремонтах линий передач или другого  оборудования, при послеаварийных режимах, когда при аварии на одной из фаз передачи отключается только поврежденная фаза.
Несимметричные — неполнофазные режимы могут иметь место при использовании однофазного резерва, например в случаях, когда имеется однофазный резервный трансформатор или резервный провод линии.
Осуществление несимметричных режимов имеет большое значение, так как оно позволяет повышать надежность снабжения потребителей, улучшает условия устойчивости, что имеет место, например, при аварии, когда на двухцепной электропередаче отключается не вся цепь, а только одна из ее фаз.
Такой переход на пятифазный режим, разумеется, обеспечивает больший запас устойчивости, чем работа с одной цепью.
Применение несимметричных режимов позволяет использовать оборудование для однофазных резервов.
Благодаря осуществлению таких режимов возможно производить ремонт без полного отключения цепи электропередачи с отключением только одной ее фазы.
Работа на двух—пяти фазах или одной фазе (при заземленной нейтрали) так же, как и применение автоматического повторного включения не только повышает надежность электроснабжения, но и позволяет снижать капитальные затраты на сооружение электропередач, поскольку при проектировании с учетом возможности осуществления несимметричных режимов можно допускать заметное уменьшение резерва в различных элементах оборудования, например могут быть случаи, когда осуществление несимметричного режима может позволить сэкономить цепь электропередачи.
Возможности осуществления длительных аварийных режимов ограничиваются следующими факторами:
1. Ухудшением качества энергии при несимметрии. Качество энергии обычно характеризуется напряжением, при котором энергия подается потребителю, частотой системы, и также синусоидальностью кривой напряжения, т. е. отсутствием в ней гармоник.
При несимметричных режимах появляется еще третий показатель — степень несимметрии. Появление несимметрии означает ухудшение качества электроэнергии,. так как осветительная нагрузка оказывается в ненормальных условиях, часть ламп работает на пониженном напряжении, не отдавая полностью своего нормального светового потока, другая же часть ламп, наоборот, может оказаться работающей на повышенном напряжении, что приведет к сокращению срока службы ламп.
При наличии несимметрии падает опрокидывающий вращающий момент асинхронных двигателей. При 5%-ной асимметрии момент падает на 10—15%, уменьшаясь в дальнейшем еще более резко с ростом несимметрии.

2. Ухудшением условий работы оборудования. При появлении несимметрии:

а)  могут перегреваться провода линий передач (что, впрочем, обычно мало вероятно, так как, будучи выбраны по экономической плотности тока, они имеют большой запас по условиям нагрева);
б) могут перегреваться обмотки отдельных фаз трансформаторов, генераторов и двигателей за счет возрастающего в отдельных фазах тока при несимметрии;
в)  может появиться перегрев ротора генератора за счет появления токов и соответственно полей обратной последовательности и за счет появления местных нагревов в отдельных точках генератора;
г)  может появляться вибрация генераторов, ограничивающая допустимую степень несимметрии.
Это обстоятельство, особенно существенное для гидрогенераторов, служило и служит сейчас предметом оживленных дискуссий, стремящихся выявить нормативы несимметрии по условию вибраций.

1. Опасностью ненормальной работы релейной защиты, которая должна быть специально проверена на возможность осуществления несимметричных режимов.
2. Влиянием на линии связи. Появление электростатического влияния и несбалансированных магнитных потоков при несимметричной работе линии может быть причиной расстройства работы линий связи, параллельных трассе высоковольтной линии, или вызвать нарушение блокировок на железных дорогах, что может привести к серьезным авариям на транспорте. Поэтому возможность осуществления той или иной несимметрии линии передачи должна быть проверена с этой точки зрения.
3. Повышением опасности электрических установок для человека — повышается шаговое напряжение и напряжение прикосновения. Следовательно, системы, рассчитанные на осуществление несимметричного режима, должны иметь хорошие заземляющие устройства.
4. Ухудшением устойчивости по сравнению с симметричными полнофазными режимами.
5. Ухудшением экономичности работы системы.

Все экономические показатели работы системы рассчитываются, как правило, по симметричному режиму. Поэтому при появлении несимметрии нарушается заданное экономическое распределение нагрузок, что и снижает экономичность работы системы. Но, кроме того, независимо от этого обстоятельства, к снижению экономичности работы системы при несимметрии приводит рост потерь, связанный с увеличением тока в одних фазах электропередачи и уменьшением его в других фазах.
Рост токов может происходить еще и потому, что в условиях несимметричного режима, когда вращающий момент двигателей падает из-за снижения величины напряжения прямой последовательности и появления напряжения обратной последовательности на зажимах двигателей, растет их скольжение, а следовательно, и потребление реактивной мощности, растут также токи в линии, а это в свою очередь приводит к увеличению потерь.
Остановимся теперь немного подробнее на перечисленных выше особенностях несимметричных режимов и условиях их осуществления. Начнем с рассмотрения условий работы линий связи, когда около них проходит электропередача с отключенной фазой.
Электропередача оказывает влияние на линии связи, вызывая помехи вследствие электростатической индукции, заметные при относительно больших сближениях линии электропередачи и линии связи, и вследствие электромагнитной индукции, заметные даже на больших расстояниях.
В линии электропередач до 35 кВ иногда применяют работу по системе два провода — земля (ДПЗ). В этом случае в проходящих по соседству линиях связи могут возникнуть опасные потенциалы и мешающие шумы.
Однопроводные линии связи, проходящие на расстоянии менее чем 3—4 км от линии ДПЗ, должны быть оборудованы специальными устройствами для устранения мешающих влияний.
Опасные потенциалы в линиях связи не возникают при параллельном следовании линии связи на расстояниях, больших 500 м от линии ДПЗ, при длине сближения до 10 км и токе нагрузки менее 100 а.
Шумы двухпроводных телефонных линий будут в пределах, допустимых нормами, при параллельном следовании телефонной линии на расстоянии 800 м и более от линии ДПЗ при длине сближения до 100 км и токе в линии ДПЗ менее 100 а.
Для линии напряжением 220 кВ и выше влияние может быть заметно даже и при полнофазных режимах при горизонтальном расположении проводов и, следовательно, при нестрогой симметрии.
Электромагнитное влияние существенно даже при больших расстояниях между линией электропередачи и линией связи. Помехи от электромагнитного влияния могут приводить к полному нарушению связи. Поэтому осуществлению неполнофазных режимов обязательно должна предшествовать проверка влияния на линии связи и разработка мероприятий по уменьшению этого влияния.
Основным мероприятием, уменьшающим влияние электромагнитных помех, может быть симметрирование линий связи.
При относительно небольших нагрузках линий электропередачи это мероприятие является вполне достаточным, но при больших мощностях электропередач, равно как при их большой длине и значительном сближении необходимо проводить специальные мероприятия. Такими мероприятиями являются на двухпроводных линиях связи применение дренажных катушек, изолирующих трансформаторов, запирающих катушек, а на однопроводных линиях связи применение специальных трансформаторов, включаемых в рассечку, как дроссель с заземленной средней точкой.

Особенности несимметричных режимов дальних линий.

При рассмотрении несимметричных режимов следует иметь в виду, что длинная линия электропередачи, по которой передаются значительные мощности, должна иметь более высокую эксплуатационную надежность, чем обычные линии.
При проектировании длинной линии необходимо предусматривать целый ряд мероприятий, обеспечивающих ее надежную эксплуатацию.
У длинных линий электропередач, выполняемых двухцепными, вдоль трасс сооружаются переключательные пункты или промежуточные подстанции. Это дает возможность в послеаварийных режимах — при отключениях одной цепи на каком-либо участке линии — устойчиво передавать довольно большую мощность. Для сохранения необходимого запаса статической устойчивости при отключении участка линии одной из параллельных цепей передаваемая мощность должна быть несколько снижена. Одновременное отключение одной из цепей на двух различных участках линии (например, в случае отказа в работе линейного выключателя на одном из переключательных пунктов) может привести к нарушению синхронизма.
При длинных линиях, например порядка 1 тыс. км, вероятность отключения отдельных ее участков увеличивается. Это связано главным образом с необходимостью регулярного проведения на линии профилактических и ремонтных работ.
Применяя раздельное управление фазами, можно существенно повысить надежность работы длинной линии, допуская в ее эксплуатации неполнофазные режимы.
На линиях 220 кВ, выполненных на металлических опорах, наиболее частой причиной повреждения являются однофазные короткие замыкания, причем они оказываются не глухими, а через дугу или сопротивление опоры и т. п. Для линий 400 кВ этот вид повреждения также является практически наиболее вероятным.
Если после однофазного короткого замыкания на поврежденном участке линии в работе останутся пять фаз из шести (пятифазный режим), а не три, как это имело бы место при отключении всей цепи, то устойчивость будет значительно лучше.
При переходе от полнофазного режима работы линии к пятифазному эквивалентное сопротивление электрической цепи для токов прямой последовательности увеличивается в меньшей мере, чем при отключении всей цепи на том же участке.
Применение пофазного управления приводит к тому, что линия в отдельных случаях будет работать в неполнофазных режимах. Наиболее частым видом таких режимов будет работа с одной отключенной фазой на каком-либо участке линии. В качестве других примеров можно привести отключение на каждом из двух участков по одной фазе (одноименной или разноименной) или отключение на одном участке двух фаз.
С точки зрения устойчивости одновременное отключение отдельных фаз на различных участках двухцепной линии допустимо не только тогда, когда эти фазы одноименные, но и тогда, когда они разноименные. При одновременном отключении двух разноименных фаз на одном участке линии или на разных участках режим работы линии по условиям устойчивости приближается к ее режиму при полностью отключенной цепи на одном из участков линии. Таким образом, при раздельном управлении фазами два одновременных отключения в большинстве случаев оказываются легче, чем одно отключение при трехфазном управлении. Одновременное отключение двух одноименных фаз на одном участке линий приводит по существу к двухфазному режиму работы электропередачи и требует по условиям устойчивости снижения передаваемой мощности.
Для того чтобы избежать таких двухфазных режимов, можно применить автоматическое переключение проводов линии с одной фазы на другую, приводящее к пятифазному режиму.
Кроме раздельного управления фазами линии, некоторые преимущества может дать раздельное управление фазами батарей конденсаторов установки продольной компенсации и фазами реакторов поперечной компенсации, что также приводит к неполнофазным или несимметричным режимам работы линии электропередачи.

Недостатки неполнофазных режимов линий электропередач.

 Необходимо обратить внимание на то обстоятельство, что неполнофазные режимы работы линии электропередач обладают серьезными недостатками и применение таких режимов всегда должно быть обосновано.
Отключение отдельных фаз линии или компенсирующих устройств приводит к возникновению несимметрии токов и напряжений. Приходится считаться с появлением токов и напряжений обратной последовательности во всей электрической системе, а также токов и напряжений нулевой последовательности в линиях электропередачи с глухим заземлением нейтрали.
Несимметрия токов затрудняет осуществление надежной релейной защиты линии с применением существующих схем. Наибольшую сложность для релейной защиты представляют повторные неполнофазные отключения.
Наличие токов нулевой последовательности в линии усиливают мешающие влияния на низкочастотные каналы связи.
Токи обратной последовательности, протекая по обмоткам статоров генераторов, вызывают дополнительный нагрев роторов.
Допустимая величина токов нулевой последовательности на отдельных участках линии определяется влиянием линий электропередач на линии связи. В связи с этим влиянием, которое не должно превышать установленных норм, может потребоваться переустройство телефонных линий.
При раздельном управлении фазами должна быть проверена возможность работы линии в неполнофазных режимах по условиям допустимого для изоляции аппаратов повышения напряжения на отдельных фазах, а также по условиям допустимой для потребителей электроэнергии несимметрии напряжений на шинах приемных подстанций.
При раздельном управлении фазами существенна величина тока замыкания на землю, протекающего через дугу после отключения поврежденной фазы линии. Возможно, что дуга в некоторых случаях может не погаснуть при отключении поврежденной фазы, питаясь емкостным током.
После погасания дуги отключенный провод будет иметь некоторое напряжение относительно земли, определение которого требуется, например, для решения вопроса о способах проведения пофазных ремонтов линий. Необходимо иметь в виду, что при отключении фаз линий передачи или трансформаторов иногда могут появляться динамические перенапряжения¹ как во время нормальной работы, так и при коротких замыканиях.
Наиболее благоприятные условия для работы электропередачи в целом получаются при уменьшении внешней несимметрии токов и напряжений, т. е. несимметрии, получаемой в полнофазной части системы. Снижение внешней несимметрии целесообразно даже в тех случаях, когда она находится в пределах, допускаемых нормами, так как благодаря этому снижению облегчаются условия работы генераторов, особенно в отношении вибрации, уменьшаются мешающие влияния на линии связи и облегчается работа релейной защиты.
Для симметрирования неполнофазных режимов длинной линии, оборудованной устройствами продольной компенсации, можно при отключении фазы на одном из участков линии автоматически или вручную отключать одноименную фазу установки продольной компенсации на параллельной цепи. Благодаря этому величина суммарного индуктивного сопротивления поврежденной фазы в неполнофазном режиме будет мало отличаться от величины этого сопротивления в нормальном режиме линии электропередачи.
Параметры отдельных цепей установки продольной компенсации должны быть выбраны так, чтобы в наибольшей мере симметрировать параметры отключаемого участка линии. Это мероприятие не связано с существенными и дополнительными затратами, однако оно усложняет эксплуатацию и не может не повлиять отрицательно на надежность работы. Поэтому применять указанные средства нужно только в тех случаях, когда это действительно оправдано.
В линиях электропередачи, разделенных переключательными пунктами на неравные части, изменение емкостного сопротивления в схеме продольной компенсации может изменять условия симметрирования в зависимости от положения неполнофазного участка.
При отключении фазы линии на одном участке коэффициент несимметрии токов по обратной последовательности может оказаться допустимым, но при одновременном отключении одноименной фазы на двух участках линии коэффициент несимметрии обычно превышает допускаемое значение. Симметрирование путем увеличения емкостного сопротивления соответствующей фазы установки продольной компенсации заметно уменьшает коэффициент несимметрии токов. Даже при одновременном отключении одноименной фазы на двух участках линии он сможет остаться в допускаемых пределах.
По условиям работы гидрогенераторов практически возможна длительная эксплуатация длинной двухцепной линии в неполнофазных режимах при условии симметрирования этих режимов с помощью увеличения емкостного сопротивления соответствующей фазы установки продольной компенсации.
Симметрирование с помощью установки продольной компенсации имеет недостаток — увеличение несимметрии токов и напряжений в пределах самого несимметричного участка электропередачи и некоторую перегрузку конденсаторов.
Перегрузка конденсаторов на 25% обычно допустима в течение 4 ч при температуре окружающей среды 35° С. В действительности допустимое время работы конденсаторов при перегрузке, по-видимому, будет значительно выше 4 ч. Это позволяет применять несимметричные режимы не только при аварийном отключении одной фазы линии на каком-либо из ее участков, но и для пофазного ремонта одновременно линий электропередачи и батарей конденсаторов.
Осмотр или ремонт части установки продольной компенсации может производиться или путем полного отключения одной из ее параллельных цепей, или путем отключения одной из фаз. В тех случаях, когда ремонт или осмотр конденсаторов необходим, а отключение целой цепи установки продольной компенсации по условиям работы электропередачи допущено быть не может, целесообразен пофазный ремонт батарей конденсаторов, хотя при полнофазной работе самой линии это и повлечет за собой некоторую перегрузку части конденсаторов.
Применяя различные средства симметрирования, можно снизить степень несимметрии, но не устранить ее. Остаточная несимметрия может быть связана и с другими причинами. Между тем длительное существование несимметрии в электрической системе в условиях нормальной работы последней является нежелательным. Поэтому на длинных линиях электропередачи могли бы применяться специальные симметрирующие устройства, устанавливаемые на концах электропередачи.
К таким устройствам могут быть отнесены, например, добавочные трансформаторы, включаемые у нейтралей обмоток высшего напряжения основных трансформаторов и позволяющие регулировать продольную и поперечную э. д. с. в каждой из фаз в отдельности.
Сюда же относятся пофазно регулируемые реактивные сопротивления, включенные в цепь генераторного напряжения, и поперечно включенные реакторы. С помощью двух последних устройств не удастся полностью устранить несимметрию ни в одной из цепей электрической системы, но можно достигнуть значительного снижения ее коэффициентов во всей системе за исключением полнофазной цепи, включенной параллельно с неполнофазной.
Симметрирование может быть применено при двухфазном режиме работы линии электропередачи для увеличения передаваемой при этом мощности.
К выбору средств симметрирования режимов работы длинной линии электропередачи нужно подходить очень осторожно: такие средства должны быть оправданы соответствующими технико-экономическими расчетами, кроме того, надо учесть усложнения в эксплуатации, наличие определенного снижения надежности при введении «лишнего» элемента, не нужного для нормальных режимов.

Заключение.

Применение неполнофазных режимов работы систем позволяет улучшить их эксплуатационные показатели без существенных дополнительных затрат. Несимметрия токов и напряжений в большинстве случаев оказывается допустимой. Однако иногда может потребоваться снижение передаваемой по линии мощности или применение дополнительных устройств. Применение неполнофазных режимов вызывает и ряд трудностей, с которыми нельзя не считаться, кроме того, препятствием к применению неполнофазных режимов работы длинных линий электропередачи могут служить осложнения, возникающие при создании релейной защиты.
Для симметрирования неполнофазных режимов может быть использовано раздельное управление фазами устройств продольной и поперечной компенсации линии электропередачи. Это управление может осуществляться вручную.
Применение любых специальных симметрирующих устройств для осуществления неполнофазных режимов, как правило, нежелательно и может быть допущено только в отдельных случаях.
Осуществление несимметричных режимов обязательно требует проверки работы системы по перечисленным выше показателям.
Для того чтобы провести указанную проверку, необходимо прежде всего научиться рассчитывать несимметричные режимы и уметь определять величины токов и напряжений в системе, параметры которой, т. е. сопротивления элементов передачи, мощности отдельных фаз нагрузки или коэффициенты трансформации в отдельных фазах, неодинаковы.
По известным напряжениям и токам можно определить активные и реактивные мощности Р, Q, углы сдвига э. д. с. δ, моменты вращения двигателей Мвр и т. д., т. е. получить полную характеристику работы системы в несимметричном режиме.
Для анализа работы несимметричной электрической системы удобнее всего применить метод симметричных составляющих, позволяющий вести расчеты на фазу.   

¹ Вопрос о расчете динамических перенапряжений рассматривается в курсе «Техника высоких напряжений».