Г. Н. Александров, П. В. Горбунов, В. П. Редков
ИССЛЕДОВАНИЕ ТОРОИДАЛЬНЫХ ЭКРАНОВ ДЛЯ НАТЯЖНЫХ ГИРЛЯНД ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ
На поддерживающих гирляндах воздушных линий электропередач сверх- и ультравысокого напряжения расщепленный провод экранирует нижние изоляторы гирлянды, находящиеся в зоне наиболее сильного электрического поля. Это позволяет отказаться от установки дополнительных экранов для выравнивания распределения напряжения вдоль изолирующей подвески [1—3]. Поскольку взаимное положение провода и натяжной гирлянды существенно отлично, изменение конструкции провода мало влияет на распределение напряжения по изоляторам, поэтому для выравнивания распределения напряжения и экранировки сцепной арматуры ВЛ с номинальным напряжением свыше 500 кВ применяются тороидальные экраны. Экраны вместе с окончанием провода формируют электрическое поле, в котором находится гирлянда.
Увеличение сложности экспериментальных исследований распределения напряжения вдоль длинных натяжных многоцепных гирлянд определяет целесообразность разработки расчетной методики, аналогичной разработанной ранее для поддерживающих гирлянд [4]. Как показано в [4], при большой длине гирлянд (l>5 м) распределение напряжения определяется в основном внешним полем промежутка расщепленный провод — опора, т. е. при расчете можно пренебречь искажением поля изоляторами, имеющими металлические элементы и изолирующие детали с повышенной диэлектрической проницаемостью.
Поскольку окончание провода экранируется системой тороидов, для упрощения расчетов целесообразно окончание провода также эквивалентировать тороидами, количество и расположение которых соответствует реальному проводу. Для сохранения конфигурации провода и распределения заряда на нем было принято, что эквивалентная система тороидов имеет ту же поверхность, что и провод, радиус трубы тороидов равен радиусу проводов r0, а радиус осевой линии тороидов Ro — радиусу расщепления проводов rр. Тогда из условия
(1)
где n — число составляющих в фазе, т — число тороидов на единицу длины линии, получим расстояние между соседними тороидами эквивалентной системы
(2)
Очевидно, что выбор длины участка провода существенно влияет на результаты расчетов, причем для их упрощения следует уменьшить длину участка, в то время как требование уменьшения погрешности вызывает необходимость увеличения длины учитываемого в расчетах участка провода. Поэтому на первом этапе расчетов была поставлена задача определения длины участка провода с учетом принятой погрешности расчетов.
Расчет поля системы тороидальных экранов производился в соответствии с методикой [5]. Заряды на экранах и тороидах, эквивалентирующих провод, вычислялись с помощью системы потенциальных уравнений. При этом было выявлено, что длина участка провода, примыкающего к гирлянде, принимается во внимание при расчете заряда на тороидах и напряженности поля вдоль гирлянд и существенно влияет на результаты расчетов (рис. 1). С увеличением ее уменьшается погонный заряд qn в средней части участка провода (кривая 1) и приближается к погонному заряду бесконечно длинного провода (кривая 2), что подтверждает правильность принятой методики эквивалентирования провода.
Заряд на экране гирлянды, напряженность поля вдоль оси провода при увеличении учитываемой длины участка провода также изменяются все медленнее, приближаясь к величине, соответствующей бесконечно длинному проводу.
Рис. 1. Зависимости изменения зарядов, максимальной напряженности и погрешности ее определения от длины участка провода 8 X АС = 400/51 с радиусом расщепления rР = 0,6 м, примыкающего к гирлянде с тороидальным экраном радиусом
Ro= 1 м.
Приведенные на рис. 1 результаты позволяют оценить с достаточной точностью длину участка проводов. Характер зависимостей заряда в середине участка qп (кривая 1), заряда на экране qэ (кривая 4) и максимальной напряженности поля вдоль оси гирлянды Ех (кривая 3) при увеличении длины расчетного участка провода дает основание предположить, что их дальнейшее уменьшение с возрастанием несущественно, т.е принять эти величины при l, равном 50 м соответствующими бесконечно длинном) проводу. Поскольку погрешность экспериментальных данных о допустимом напряжении на изоляторах по уровню радиопомех с учетом разброса результатов измерений составляет примерно 3%, расчеты падения напряжения на изоляторах можно выполнить с той же погрешностью. Как показывает анализ зависимости погрешности вычисления напряженности электрического поля γЕх(кривая 5), для указанной конструкции провода длина участка примерно равна 25 м.
Аналогичные расчеты проведены для различных конструкций расщепленного провода при изменении радиуса его расщепления от 0,3 до 1,5 м. При увеличении радиуса расщепления провода возрастает минимально необходимая длина расчетного участка провода lmin. Эти величины связаны зависимостью
(3)
При расчетах предполагалось, что всегда на конце расщепленного провода имеется экран с радиусом R0 = 1,67rр (в большинстве случаев это соответствует принятой практике для ВЛ УВН).
Расчетная методика представляет особый интерес при выборе системы экранирования натяжных гирлянд ВЛ УВН, которая должна удовлетворять двум основным требованиям: 1) ограничение коронного разряда при наибольшем рабочем напряжении электропередачи; 2) ограничение падения напряжения на наиболее нагруженных изоляторах гирлянды.
Первое условие реализуется путем ограничения напряженности поля на поверхности тороидальных экранов и выбора соответствующих пределов изменения радиуса осевой линии экрана R0 и радиуса трубы экрана, при которых напряженность электрического поля на поверхности экрана не превышает допустимую 0,9Eк.
Ограничение падения напряжения на изоляторах вычисляется на основе анализа электрического поля вдоль оси гирлянды. Напряженность электрического поля рассчитывалась вдоль оси х (рис. 2), совпадающей с осью одной из цепей многоцепной гирлянды, вдоль которой измерялось распределение напряжения. Падение напряжения на i-м изоляторе
(4)
где Ни — строительная высота изолятора.
Разработанная методика была использована для оценки размеров системы защитных тороидальных экранов и распределения напряжения
Рис. 2. Расчетная зависимость максимального падения напряжения на изоляторе четырехцепной натяжной гирлянды из 45 изоляторов ПС-300 конус от расстояния между экраном и гирляндой (О — экспериментальные точки)
по натяжной четырехцепной гирлянде из изоляторов ПС-300 конус (строительная высота Ни = 170 мм) с расщепленным проводом и обходным шлейфом из расщепленного на восемь составляющих провода АС-400/51 с радиусом расщепления rр= 0,6 м. Как показали расчеты, для экранирования окончания провода и гирлянды может быть использована система из сдвоенных тороидальных экранов с Rо= 1 м и rоэ= 4 см при расстоянии между экранами 0,5 м. Экспериментальная проверка такого экрана подтвердила возможность его применения для ограничения коронного разряда.
Экспериментальные исследования показали, что существенное влияние на распределение напряжения вдоль натяжной гирлянды и падения напряжения на наиболее нагруженных изоляторах у провода оказывает взаимное расположение гирлянды и ближайшего к ней экрана, которое характеризуется расстоянием а (см. рис. 2). Хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных подтверждает целесообразность разработанной методики расчета для оценки параметров натяжных многоцепных гирлянд.
ВЫВОДЫ
- Для упрощения инженерных расчетов возможна замена расщепленного провода системой соосных тороидов, поверхность которых равна поверхности эквивалентируемого провода.
- Анализ электрического поля натяжной гирлянды позволяет получить распределение напряжения вдоль гирлянды с достаточно большой точностью, что подтверждается сопоставлением с экспериментальными данными.