ГЛАВА ВТОРАЯ
ОСОБЫЕ РЕЖИМЫ ДАЛЬНИХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ
1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСОБЫХ РЕЖИМОВ
Электропередача обычно проектируется, исходя из некоторого, установленного экономическим анализом перетока мощности. При этом проверяется возможность перегрузки передачи. Кроме того, определяются условия работы передачи в послеаварийном режиме, когда в результате аварии могут быть отключены: одна из ее цепей, один из участков на параллельных цепях, одна из групп параллельно работающих трансформаторов.
По длительно существующим нормальным и послеаварийным режимам определяются основные показатели работы электропередачи, рассчитывается ее статическая устойчивость, определяются потери мощности и энергии. Однако, кроме длительно-существующих режимов, в электропередаче могут существовать непродолжительные режимы.
Эти режимы не могут считаться аварийными, так как имеют место на неповрежденной линии, при находящемся в нормальном состоянии оборудовании. Но они в то же время и не являются нормальными, поэтому правильнее назвать их особыми режимами.
Особым, довольно длительным режимом может быть режим при отключении одной из фаз линии или трансформатора, когда имеет место работа «на двух фазах» или «на пяти фазах».
К особым относятся также режимы очень больших перегрузок и форсировок, режимы асинхронного хода, когда выпавший из синхронизма генератор или группа генераторов, работая как асинхронные, выдают активную мощность и потребляют некоторую реактивную мощность. Сюда следует отнести режимы ресинхронизации, когда выпавшие из синхронизма генераторы без отключения втягиваются в синхронизм. Особыми являются режимы работы мало загруженных линий или режимы, когда линии работают совершенно без нагрузки — «на холостом ходу», а также и режимы самовозбуждения генераторов, синхронных двигателей, компенсаторов и асинхронных машин. Несмотря на относительную кратковременность, такие режимы могут иметь важное значение для работы электропередачи.
Рассмотрение особых режимов начнем с холостого хода.
2. УСТАНОВИВШИЕСЯ РЕЖИМЫ ХОЛОСТОГО ХОДА
Явления, характерные для холостых нормальных и аварийных режимов электропередач, весьма разнообразны. К ним относятся повышения напряжения, возникающие при несимметричных коротких замыканиях на холостых линиях, получившие название динамических перенапряжений, повышение напряжения во время переходного процесса, при включении открытой на конце линии, т. е. на холостом ходу, опасные коммутационные перенапряжения, появляющиеся при повторных зажиганиях дуги в выключателях во время отключения ими большого емкостного тока линии, работающей в режиме холостого хода.
Для установившегося режима холостого хода характерным является повышение напряжения на открытом конце линии, перегрузка генераторов реактивным током, самовозбуждение генераторов. Эти явления играют большую роль при подъеме с нуля напряжения электропередач, осуществляемом для проверки изоляции линии или для синхронизации станции, отделенной от системы линией передачи; существенны они и при самосинхронизации генераторов, отделанных от системы длинной линией.
При осуществлении холостых режимов дальних электропередач возникает ряд трудностей.
Прежде всего следует отметить то обстоятельство, что зарядная мощность линии может значительно превышать номинальную мощность генератора, подключаемого к передаче, что приведет к недопустимой его перегрузке.
С наличием большой зарядной мощности связано и повышение напряжения на линии электропередачи.
Так, напряжение на открытом конце холостой линии при неполной компенсации ее зарядной мощности значительно превышает напряжение в начале передачи. Следовательно, для осуществления обычными методами син хронизации удаленной станции и приемной системы не обходимо понижать напряжение в начале передачи или устанавливать компенсирующие устройства на ее конце. Однако снижение напряжения в начале дальней электропередачи может затрудняться самовозбуждением генераторов, а желательная с точки зрения устранения перегрузки и предотвращения самовозбуждения параллельная работа нескольких мало загруженных генераторов, несущих емкостную нагрузку, может затрудняться их неустойчивостью. Таким образом, оказывается необходимым выделить и рассмотреть ряд отдельных вопросов, связанных с работой холостых линий электропередач. Это выделение может быть несколько искусственно, так как в действительности отдельные вопросы тесно связаны между собой, однако оно необходимо с точки зрения методической.
Напряжение на линии и нагрузка генераторов в установившемся режиме холостой электропередачи. Реактивную мощность, появляющуюся («генерируемую») в начале линии, называют зарядной мощностью. Для холостой некомпенсированной линии длиной l эта мощность приближенно определяется согласно (1-16) выражением
Характеристики, приведенные на рис. 2-1, и формулы (2-1а) и (2-1б) относятся к случаю, когда не учтены потери активной мощности в проводах линии и не учтено явление коронирования проводов. Учет потерь активной мощности приводит к тому, что у кривых Q1=f(l) и U2=f(l) исчезают разрывы (при l=1500, 4500 км), а при 3000 и 6000 км Q1 оказывается не равна нулю; кроме того, кривые теряют свою симметричность. Влияние коронирования оказывается двояким. Потери активной мощности замедляют рост величины U2, а увеличение емкости проводов (по сравнению с их геометрической емкостью), обусловленное коронированием, приводит к росту реактивной мощности, генерируемой линией, а следовательно, к дополнительному увеличению напряжения U2. Результирующее действие короны оказывается следующим.
При длинах линии меньше 400—600 км коронирование почти не влияет на величину напряжения U2, а при больших длинах линии вызывает увеличение напряжения. В линиях длиной больше 1 200—1 400 км корона резко замедляет рост напряжения на открытом конце линии. На рис. 2-1,а, б показал характер влияния короны на перенапряжения на открытом конце передачи линий до 1 500 км.
По этим данным находим:
Даже при сниженном вдвое напряжении в начале линии зарядная мощность ее превышает в 2,7 раза мощность генератора.
Рис. 2-2. Зарядная мощность электропередач при различных длинах и напряжениях.
Таким образом, прежде чем производить подъем линии «с нуля», осуществляя постепенное увеличение на ней напряжения, что может быть необходимо по условиям проверки изоляции линии или для подготовки ее к синхронизации, при точной синхронизации1 требуется проверить: а) перегрузку генератора, вопрос о допустимости которой будет зависеть от того, насколько она велика и продолжительна, б) в случае недопустимой перегрузки одного генератора возможность включения параллельно нескольких генераторов для работы на холостую линию; в) необходимость включения того или иного количества компенсирующих устройств (реакторов или недовозбужденных синхронных компенсаторов), поглощающих избыточную реактивную мощность линии.
При самосинхронизации условия работы будут несколько иные (см. ниже).
Разумеется, что необходимость в реакторах различна в зависимости от того, какую длину имеет линия, какова ее зарядная мощность и допустимая перегрузка генераторов.
Зарядная мощность линии быстро возрастает с длиной передачи и при длинах передачи порядка 500— 1 250 км (рис. 2-2) она имеет весьма заметную величину.
Выполнение линий высокого напряжения (Uн=300 — 500 кВ) расщепленными проводами приводит к уменьшению волнового сопротивления и росту зарядной мощности электропередач, что осложняет осуществление холостых режимов передачи. Применение в дальних электропередачах продольной компенсации и шунтирующих реакторов также влияет на величину зарядной мощности. Она уменьшается при включении в линию конденсаторов последовательной компенсации, увеличивающих сопротивление ветви хс— ∆хэ (рис. 2-3).
Намагничивающие токи и потери реактивной мощности в обмотках трансформаторов также оказывают влияние на величину зарядной мощности передачи. Наличие намагничивающих токов трансформатора дает эффект, аналогичный уменьшению зарядной мощности линии.
Шунтирующие реакторы компенсируют реактивную мощность, "генерируемую" линией (рис. 2-4). Если, например, на открытом конце линии включен реактор мощностью Qp, то реактивная мощность в начале линии будет определяться через напряжение конца выражением
Сравнивая выражения (2-2) и (2-16), легко видеть, что даже один реактор может значительно изменить зарядную мощность электропередачи.
Рис. 2-4. Зависимость между мощностью реактора на открытом конце линии и напряжением на линии.
а — зависимость напряжения на открытом конце от мощности реактора; б — мощность реактора, необходимая для обеспечения равенства напряжений в начале и конце передачи.
Мощность реакторов, необходимая для поддержания на открытом конце передачи номинального или близкого к нему напряжения, имеет значительную величину (рис. 2-4) и превышает мощность реакторов, целесообразную по условиям экономичной работы передачи в нормальных режимах. Конечно, увеличивать мощность реакторов сверх величин, определяемых требованиями нормальных нагрузочных режимов, весьма нежелательно. Напротив, следует по возможности стремиться выполнить линию совсем без шунтирующих реакторов, так как чем меньше будет в передаче элементов, не участвующих непосредственно в генерации и передаче энергии, тем надежнее будет ее работа. Поэтому характерной особенностью холостых режимов дальних электропередач, зарядная мощность которых не компенсирована, будет значительная загрузка генераторов реактивной мощностью.
В этих режимах генераторы выдают активную мощность, необходимую для покрытия потерь в самих генераторах, трансформаторах и в линии. При повышенном напряжении передачи, больших емкостных токах и заметных потерях на корону (рис. 2-5) мощность генераторов может быть довольно значительна.
В задачи расчета режимов ненагруженных дальних электропередач входит определение реактивной мощности в начале передачи и напряжений по концам. Анализ осложняется необходимостью учета нелинейности параметров системы, а именно насыщения стали генераторов, трансформаторов и реакторов, потерь на корону, имеющих в этих режимах существенное значение.
Учет намагничивающих токов трансформаторов и компенсирующих устройств с нелинейными характеристиками вносит дополнительное усложнение в расчеты. При проведении таких расчетов целесообразным оказывается графоаналитический метод (метод пересечения характеристик). Изложим здесь вкратце этот метод, подчеркнув, что применение его отнюдь не ограничивается исследованиями режимов холостого хода. Напротив, он может применяться при расчетах любых режимов с учетом нелинейности характеристик элементов передачи.
При проведении расчетов пользуются характеристиками холостого хода генераторов, представленными в виде зависимости
как показано на рис. 2-6.
Вспомним, что можно найти зависимость продольной составляющей внутренней э. д. с. Eid от напряжения на шинах генератора и значения мощности, отдаваемой генератором в сеть, т. е. по характеристике внешней сети или, коротко, "по внешней характеристике" (идя "от сети"). С другой стороны, величина э. д. с. Eid зависит от тока возбуждения и может быть определена по характеристике холостого хода (рис. 2-6), идя "от генератора". Очевидно, что во всяком установившемся режиме может иметь место только одно значение э. д. с. Eid, независимо от того, как оно определено — "от сети" или "от генератора".
Расчет установившегося режима передачи на основе этих соображений может быть сведен к определению зависимости между режимами отдельных участков передачи и режимом работы генератора и подбором таких значений параметров режима, при которых Eid, определенная "от сети" и "от генератора", будет одинакова (точка а на рис. 2-6,а и точки В и С на рис. 2-6,б).
Практически расчет установившегося режима холостого хода приводится в следующем порядке.
