В-4. ЗАДАЧИ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ВЫБОРЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ И УСТАНОВЛЕНИИ ИХ РЕЖИМОВ
При проектировании и эксплуатации электропередач инженер проводит расчеты режима отдельных элементов и всей передачи в целом.
При проектировании на основе таких расчетов и технико-экономических показателей проводится выбор основных параметров всех элементов электропередачи. В процессе этих расчетов инженеру приходится решать многочисленные задачи.
Основные из этих проблем рассматриваются в различных курсах, изучаемых в высших технических школах; в настоящей книге рассматривается только ограниченный круг вопросов.
Первым существенным вопросом, ответ на который дается в начальной стадии проектирования, является выбор общей схемы выполнения электропередачи, числа ее цепей и величины напряжения, принимаемого для линии передачи.
Электропередача может выполняться по двум основным схемам: по схеме связанной или по схеме блочной.
В случае связанной схемы многоцепная дальняя передача имеет вдоль своей трассы несколько соединений между отдельными цепями (рис. В-7).
Если группы генератор—трансформатор соединены на передающем конце с отдельными линиями, не связанными одна с другой, а на приемном конце эти линии присоединены также к группам приемной системы, то такая передача называется блочной (рис. В-8). Таким образом, в случае блочной схемы приемная система разбивается на ряд отдельных частей, каждая из которых оказывается присоединенной к одному из блоков электропередачи. В случае выхода из строя какого- либо блока приемная система должна обеспечить мощность любой своей части за счет имеющихся станций и дополнительных перетоков мощности внутри системы.
Таким образом, выполнение электропередачи по блочной схеме обязательно требует достаточно мощных связей внутри приемной системы.
Обеспечение статической и динамической устойчивости блочной передачи обычно возможно тогда, когда мощность станций, присоединенных к каждой секции приемной системы, в три или более раз выше мощности, передаваемой по блоку передачи. Выполнение передачи как блочной налагает, следовательно, ряд требований на схему и размещение генерирующих мощностей приемной системы.
Рис. В-7. Связанная схема дальней передачи.
а — схема системы со связанной передачей; б — изменение предельно-передаваемой мощности в зависимости от числа переключательных пунктов п.
Рис. В-8. Блочная схема дальней передачи.
Недостатком блочной схемы является то обстоятельство, что при отключении одной цепи (блока) для приемной системы полностью пропадает соответствующая часть мощности передающей станции.
Вследствие этого блочная передача в ее чистом виде не находит применения. Для дальних передач обычно применяются так называемые связанные схемы, обеспечивающие большую надежность энергоснабжения.
Рис. В-9. Влияние числа параллельных цепей на экономические показатели дальней передачи (800—1 000 км). 1 — к. п. д. передачи; 2 — экономическое сечение проводов, мм2; 3 — удельные капитальные затраты.
У блочной передачи также есть преимущества, они заключаются главным образом в том, что аварии локализуются на одной секции. Однако при современных защитных и быстродействующих выключающих устройствах, применяемых в высоковольтных линиях, на которых «вероятность тяжелых коротких замыканий невелика, эти преимущества оказываются не столь уже существенными.
Связанные электропередачи могут выполняться в различных вариантах. Выбор той или иной схемы электропередачи зависит от ее назначения, мощности, имеющейся или намечаемой в будущем связи с промежуточными энергосистемами, расположенными вдоль трассы электропередачи. Применение связанных электропередач позволяет не увеличивать числа параллельных цепей. Это очень существенно, так как техникоэкономические показатели высоковольтных электропередач, как правило, улучшаются при сокращении количества параллельных цепей.
На рис. В-9 показано, как влияет число цепей на удельные капитальные затраты и необходимое сечение (экономическое сечение) проходов линии электропередачи. Наиболее выгодным, как следует из этого рисунка, является выполнение линии двумя параллельными цепями.
Линия большой мощности, выполненная как одноцепная, получилась бы слишком тяжелой; отключение ее при ремонте было бы весьма затруднительно и поэтому в системах, не имеющих большого резерва, ответственные линии как одноцепные обычно не выполняются.
Сокращение количества параллельных цепей линии высокого напряжения нецелесообразно также и по эксплуатационным соображениям.
Потери мощности и энергии в линии передачи растут с увеличением количества параллельных цепей, а к. п. д. соответственно падает (рис. В-9).
Необходимое число цепей дальней передачи в конечном счете зависит от той предельной мощности, которая может быть передана по условиям статической и динамической устойчивости. Следовательно, выбор числа цепей не может производиться без анализа устойчивости передачи, ее пропускной способности и средств их увеличения. Необходимым является также выявление баланса мощности приемной системы и наличия в ней резервов.
При анализе работы дальней передачи, выборе числа цепей и передаваемой по одной цепи мощности необходимо учитывать то обстоятельство, что часто непосредственно после сооружения передачи мощность приемной системы оказывается не намного больше мощности, передаваемой по линии (в 4—5 раз). В этом случае по условиям надежности и обеспечения нормальной эксплуатации нельзя выполнять высоковольтную линию как одноцепную.
Когда система развивается и мощность ее растет, оказывается возможным сооружение высоковольтных одноцепных линий, передающих мощность, не превышающую 10 % от общей мощности приемной системы.
Выбор напряжения передачи производится в зависимости от длины передачи и от передаваемой по ней мощности.
Определенное влияние на выбор напряжения оказывают также схема и конфигурация передачи, равно как и эксплуатационные соображения (например, соображения о наличии в данном районе линий передач того или иного напряжения).
Увеличение напряжения передачи приводит к увеличению ее пропускной способности. Как видно из соотношений, показанных на рис. В-10, влияние напряжения на предельную мощность линии оказывается различным в зависимости от длины передачи. Так, например, на линиях передачи порядка 200 км повышение напряжения до 200 кВ приводит к значительному увеличению предельной мощности. Дальнейшее повышение напряжения при этих длинах оказывается малоэффективным, поскольку при увеличении напряжения до 200 кВ сопротивление линии становится малым по сравнению с сопротивлением генератора и трансформаторов, которые в этих условиях и определяют величину предельно передаваемой мощности.
При больших длинах, например 800—1000 км, оказывается эффективным значительно большее увеличение напряжения линии (до 400—500 кВ); при длинах линии 1200—1400 км оправданным с точки зрения увеличения пропускной способности становится напряжение 600—750 кВ.
Уменьшение реактивности генераторов и трансформаторов, а также применение сильного регулирования возбуждения генераторов, при котором напряжение на их шинах или в начале линии остается неизменным, несколько меняют полученные зависимости, увеличивая эффективность повышения напряжения (рис. В-11).
Увеличение напряжения линии приводит к уменьшению потерь, связанных с протеканием по проводам линии рабочего тока, отвечающего передаваемой по линии мощности. Но, как было отмечено выше, с увеличением напряжения происходит рост потерь холостого хода (увеличение емкостных токов и потерь на корону). Этот рост потерь холостого хода может привести к тому, что при малых нагрузках у линий передачи более низкого напряжения к. п. д. может оказаться выше, чем у линии передачи более высокого напряжения. Отсюда, следует вывод, что применение высокого напряжения на линиях передач оказывается оправданным только при передаче по ним достаточно большой мощности и что при малых нагрузках было бы целесообразно его снижать.
Рис. В-10. Зависимость предельно передаваемой мощности от величины номинального напряжения электропередачи при обычных параметрах генераторов и трансформаторов.
1 — при длине электропередачи 200 км; 2 — при длине электропередачи 800 км.
Рис. В-11. Влияние уменьшения сопротивлений трансформаторов и сильного регулирования возбуждения на величину предельно передаваемой мощности.
1 — генераторы не имеют АРВ сильного действия; 2 — при АРВ сильного действия на генераторах; - - - обычные сопротивления генераторов и трансформаторов; - - - то же, улучшенные.
Таким образом, основными влияющими факторами при выборе напряжения передачи оказывается передаваемая мощность и длина линии.
Линия передачи высокого напряжения, требующая большей высоты опор, большего расстояния между проводами, большего числа изоляторов* и соответственно имеющая больший вес опор и фундаментов, требует большего расхода материалов и оказывается более дорогой.
При выборе напряжения электропередачи необходимо учесть влияние конструкции линии на ее технико-экономические показатели и проделать сравнительные расчеты, чтобы оценить требующееся сечение проводов.
*При напряжениях 200—700 кВ высота опор лежит в пределах от 25 до 30 м расстояние между фазами от 7,5 до 17 м и число изоляторов от 10 до 24.
При больших мощностях, передаваемых на большие расстояния, целесообразно применять расщепленные провода, дающие меньшее индуктивное сопротивление и меньшее волновое сопротивление и соответственно обеспечивающие повышение предельной передаваемой мощности (рис. В-12). При передаче энергии на расстояния больше 500—600 км линия передачи обычно является наиболее дорогим элементом, составляющим от 30 до 65% общей стоимости всей передачи, не считая генераторов (рис. В-13).
Применение высоких напряжений, удорожающих линию, оказывается оправданным с точки зрения капитальных затрат и эксплуатационных расходов только при передаче достаточно больших мощностей.
Общая характеристика предельно передаваемых мощностей при различных напряжениях и различных длинах передачи, составленная по данным о современных выполненных передачах, приводится на рис. В-14. Разумеется, что все изложенные выше соображения о выборе тех или иных параметров для проектируемой электропередачи являются предварительными. Окончательный выбор производится после технико-экономических сопоставлений ряда рассмотренные проектных вариантов с разными элементами и различными показателями.
Основными показателями, используемыми при дальнейшем сопоставлении (приложение 1), служит себестоимость передачи энергии и капитальные затраты, вычисленные для каждого из сравниваемых вариантов. Рис. В-15 показывает примерный характер зависимостей, получающихся при сопоставлениях, проведенных для выбора оптимального напряжения; полученные здесь зависимости относятся к случаю одинакового числа цепей в сравниваемых вариантах. При изменении числа цепей характер зависимостей приобретает вид, показанный на рис. В-16.
После рассмотрения результатов сопоставления и выбора наиболее конкурентоспособных вариантов последние подвергаются дальнейшему, более обстоятельному исследованию. Такое последовательное сопоставление позволяет свести число сравниваемых вариантов до 2—3, для них провести проектные исследования и, наконец, выбрать один из них и провести для него полное исследование.
Рис. В-14. Возможные области работы современных электропередач.
1 — электропередача напряжением 35 кВ; 2 — 110 кВ; 3 — электропередача 220 кВ; 4 — электропередачи 400 кВ; 5 — электропередача 403 кВ с последовательной компенсацией или другими мерами увеличения пропускной способности; 6 — электропередача 400 кВ при одновременном применении сильного регулирования и других мер улучшения пропускной способности.
Рис. В-16. Себестоимость передачи энергии по различным электропередачам напряжения 400 кВ.
Ограничиваясь здесь изложенными соображениями об общих задачах, возникающих при выборе основных параметров электропередачи и их режимов, не будем давать детальных рекомендаций по эксплуатационным расчетам, равно как и не будем заниматься вопросами техники проектирования, получения расчетных формул, рассмотрением нормативных и проектно-справочных материалов.
