Анализ установившихся режимов многоцепных воздушных линий электропередачи на основе метода фазных координат

Актуальность темы

.

Для современных электроэнергетических систем (ЭЭС) характерны, с одной стороны, рост мощностей систем электроснабжения, а с другойзначительное ужесточение территориальных и иных ограничений. Это приводит к необходимости географического сближения и функционального соединения передачи больших (на уровне ГВт) электрических мощностей и их распределения, то есть создания в ЭЭС специфических комплексных электроустановок, объединяющих в непосредственной близости элементы системных и распределительных электрических сетей.

Для решения этих проблем известен ряд эффективных способов, наиболее обеспеченных теоретическими и техническими решениями. Из них, не претендуя на исчерпывающую полноту классификации, состава достоинств и недостатков, можно выделить следующие, представленные в таблице В.1.

Анализ показывает, что в условиях жестких территориальных ограничений на развитие электрических сетей в целом ряде случаев экономически целесообразно применение комбинированных МВЛ, на опорах которых размещены две и более трёхфазных ВЛ разных номинальных напряжений. Таким образом принципиальной особенностью МВЛ является совмещение на отдельных ее участках в единой конструкции ВЛ большой электрической мощности высокого и сверхвысокого напряжения и ВЛ распределительной сети. Это значительно сокращает затраты, уменьшая площади, отчуждаемые под трассы ВЛ и территории подстанций, снижает уровни напряжённостей электромагнитного поля вблизи ВЛ, что особенно немаловажно в условиях густонаселённых районов страны с высокой концентрацией энергопотребления.

Таблица В.1.

Сравнение способов передачи и распределения больших электрических мощностей.

Наименование Достоинства Недостатки.

1. Применение сверхвысоких напряжений (СВН) на переменном и постоянном токе • Это — классический ступенчато-иерархический способ организации энергоснабжения. Количество ступеней от 2 в системах глубокого ввода и более в обычных СЭС. • Снижение потерь с ростом номинального напряжения. • Необходимость отведения большой территории под охранные зоны и снижение негативных экологических влияний. • Сложность и многоступенчатость распределительной сети и увеличение потерь на преобразование параметров электроэнергии на каждой ступени. • Затраты на сооружение подстанций (в том числе преобразовательных) распределительной сети.

2. Кабельные сети, использующие современные виды твердой и жидкой изоляции • Отсутствие необходимости отведения большой территории для сооружения передачи. • Сложность технической диагностики (в том числе контроля параметров изоляции) и поиска мест повреждения. • Необходимость применения сложного диагностического оборудования, в том числе оптоволоконной диагностики. • Сложность осуществления ремонта. • Относительно высокая стоимость.

3. Кабельные сети, использующие эффект высокотемпературной сверхпроводимости • Кардинальное снижение потерь мощности при передаче и распределении. • Существенное сокращение ступеней преобразования напряжений. • Высокая стоимость эксплуатации. • Повышенные требования к надёжности и необходимость разработки и апробации новых конструктивных элементов передачи. • Необходимость мероприятий гю обеспечению синусоидальности токов и напряжений (на постоянном токе). • Целесообразность применения ограничена районами с высокой концентрацией нагрузок, в частности системами электроснабжения мегаполисов.

4. Электрические сети на основе МВЛ • Снижение площади и затрат на сооружение электропередачи и ПС. • Сокращение ступеней преобразования напряжений. • Возможность повышения пропускной способности ВЛ за счёт реконструкции. • Необходимость совпадения трассировки линий различных классов напряжения. • Усложнение управления, технического обслуживания ВЛ, защиты от аномальных режимов и воздействий.

Выбор оптимального способа построения конкретной системы передачи и распределения электрических мощностей производится на основе экономического сравнения вариантов с учетом данных и характеристик, приведенных в данной таблице.

Намечающаяся в последнее время тенденция к увеличению плотности сооружения ВЛ повышает актуальность целого спектра проблем, связанных с проектированием и эксплуатацией комбинированных МВЛ. Среди них нужно выделить проблему учета специфики МВЛ, как многокомпонентной конструкции. Ее основные составные части: — ВЛ основной передачи на ВН или СВН (одна или несколько цепей), которая определяет в большинстве случаев общую длину МВЛ- - ВЛ распределительных сетей, которые на отдельных участках совпадают с основной трассой- - ответвления, присоединения к промежуточным ПС, отпайки и другие присоединения основной передачи и распределительной сети. Сказанное выше определяет актуальность темы и проблемы диссертации, а также основные направления практического применения её результатов.

Цель и задачи исследования

.

Целью работы является научное обоснование, разработка и практическая реализация математической модели стационарных режимов несимметричных МВЛ на основе метода фазных координат. Для достижения этой цели сформулированы и решены следующие научные и практические задачи.

• Обоснование и разработка уточнённых методов математического моделирования МВЛ, учитывающих электромагнитное взаимовлияние их отдельных элементов в установившихся режимах.

• Исследование специфических особенностей установившихся режимов МВЛ.

• Научное обоснование приближённого эквивалентирования многопроводных схем замещения (МСЗ) МВЛ.

• Разработка методики расчёта потерь мощности в установившемся режиме при передаче электрической энергии по МВЛ.

• Реализация подхода к коммерческому разделению потерь между собственниками отдельных частей МВЛ.

• Выработка рекомендаций по моделированию МВЛ однолинейными схемами замещения, оптимизации конструкции МВЛ и др.

• Практическая оценка несимметрии напряжения в конце цепи МВЛ в установившемся режиме.

Основные методы научных исследований.

При выполнении данного исследования использованы методы математического анализа и моделирования, уравнения математической физики, метод фазных координат. Аналитические выводы являются базисом для разработки расчётных моделей и методик. Исследования и компьютерные эксперименты проводились с использованием уточненных моделей реальных электроэнергетических объектов. Оценка их корректности и репрезентативности проводилась путём сравнения с данными измерений в условиях эксплуатации МВЛ.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность полученных результатов научных положений и выводов исследований базируется на использовании фундаментальных основ теоретической электротехники, а также использовании теории установившихся и переходных процессов в электрических системах. Ряд выводов основан на корректном применении математических методов и подтверждается адекватным поведением моделей, а также удовлетворительным совпадением результатов, полученных в компьютерных экспериментах и на реальных объектах.

Научная новизна.

• Развёрнутая математическая модель МВЛ в виде МСЗ и обобщённого четырёхполюсника (ОЧП), учитывающая внутреннюю параметрическую несимметрию трёхфазных цепей МВЛ.

• Методика расчёта установившегося режима МВЛ, учитывающая электромагнитное и электростатическое взаимодействие её отдельных элементов.

• Методика приближённого эквивалентирования МСЗ однопроводными схемами, учитывающими внутреннюю несимметрию МВЛ.

Основные положения, выносимые на защиту.

• Математическая модель в виде МСЗ и ОЧП, реализованная в виде методики расчёта установившихся режимов МВЛ.

• Методика приближённого эквивалентирования МСЗ однопроводными схемами, учитывающими внутреннюю несимметрию МВЛ.

• Результаты аналитических и расчетных исследований установившихся режимов МВЛ.

Практическая ценность.

• Разработан подход к оптимизации конструкции МВЛ по условию минимума потерь мощности на основе анализа их установившихся режимов.

• Предложены способы учёта влияния неоднородной структуры МВЛ и мест подключения нагрузок и источников при расчёте установившихся режимов.

• Даны рекомендации по снижению затрат на сооружение комбинированных МВЛ за счёт минимизации площади её санитарно-защитной зоны.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы в целом и ее части представлялись и докладывались на Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодёжи» (г. Екатеринбург, 2010) — на Международной конференция «Проблемы повышения энергоэффективности и надёжности электрических сетей и систем электроснабжения предприятий нефти и газа» (г. Самара, 2010) — на У открытой молодёжной научно-практической конференции «Диспетчеризация в электроэнергетике: проблемы и перспективы» (г. Казань, 2010) — на II Международной научно-практической конференции «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» (г. Пенза, 2011) — на X международной молодёжной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (г. Нижний Новгород, 2011) — на Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодёжи» (г. Самара, 2011) — на Тринадцатой международной конференции «International Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems» (г. Варна, 2011) — на Международной научно-практической конференции «Электрические аппараты и электротехнические комплексы и системы» (г. Ульяновск, 2012) — на Седьмой Международной молодёжной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2012).

Реализация результатов работы.

Результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования и эксплуатации в филиале ОАО «СО ЕЭС» — «ОДУ Средней Волги» (г. Самара), ЗАО «РОСПРОЕКТ» (г. Санкт-Петербург). Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедр «Электрические станции» и «Автоматизированные электроэнергетические системы» Самарского государственного технического университета.

Публикации.

Основные научные результаты диссертации отражены в 15 публикациях, в том числе 5 публикациях в рецензируемых научных журналах из Перечня, утверждённого ВАК.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит их введения, 4 глав, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объём работы содержит 137 стр. основного текста, включая 29 рисунков, 8 таблиц и список литературы из 112 наименований.

4.5. Выводы по главе 4.

Произведённый расчёт стационарных режимов многоцепных ВЛ в Гформе подтверждает, что по параметрам режима в начале и конце цепей достигается совпадение с Z — формой. При этом можно констатировать отсутствие взаимоиндуктивных связей в расчётной модели.

Даны рекомендации по оптимизации конструкции вновь сооружаемых МВЛ по условию минимума потерь активной мощности и минимума площади санитарно-защитной зоны.

Для получения при моделировании установившихся режимов в цепях МВЛ результатов, адекватных действительным значениям параметров, необходимо использовать многопроводные математические модели и методику расчёта режима в фазных координатах. При этом появляется возможность не только учета взаимных несимметричных связей и параметров режимов, но и специфики МВЛ, связанной с различными направлениями передачи по участкам цепей разных напряжений.

Традиционные математические модели в виде однопроводных схем замещения, как видно из таблицы 4.2, в большинстве случаев при определении таких разностных параметров режимов МВЛ, как потери мощности и падения напряжений, дают значительные погрешности. Очевидно, что величины этих погрешностей превосходят допустимые границы для задач эксплуатации и экономических оценок в проектировании. В отдельных случаях относительная погрешность в определении потерь активной мощности в МВЛ, обусловленная использованием симметричных моделей, достигает значений в сотни процентов.

Методы расчёта установившихся режимов МВЛ с использованием многопроводных математических моделей могут быть использованы для оптимизации системы электроснабжения по критерию минимума затрат, а также конструкции ВЛ по критерию минимума потерь мощности в фазных проводниках и грозозащитных тросах. Применение таких алгоритмов на стадии проектирования позволит повысить энергоэффективность сетевого комплекса за счет сокращения величины потерь электрической энергии при её передаче.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработана уточнённая математическая модель воздушной линии электропередачи многоцепного исполнения для применения в расчётах установившихся режимов. Данная модель учитывает электромагнитное и электростатическое взаимодействие фазных проводников и тросов воздушной линии, приводящее к несимметрии первичных параметров отдельных фаз линии.

2. Разработана методика расчёта установившегося режима МВЛ с использованием многопроводных схем замещения и обобщённых четырёхполюсников. Данная методика, в отличии от традиционных, позволяет выявить влияние внутренней несимметрии МВЛ на параметры её режима.

3. Разработана методика приближённого эквивалентирования многопроводных схем замещения МВЛ однолинейными для применения в существующих программах расчёта и анализа установившегося режима. Применение данной методики позволяет снизить погрешности расчёта отдельных параметров режима на 10-К200%, а также применить промышленные программные комплексы в задачах анализа потерь и несимметрии параметров режима МВЛ.

4. Разработана методика расчёта потерь электрической мощности в установившемся режиме при передаче электрической энергии по МВЛ. Применение многопроводных математических моделей воздушных линий позволяет снизить погрешность данного расчёта в зависимости от режима и конфигурации МВЛ в 1,2-^-40 раз в сравнении с однопроводными традиционными моделями.

5. Разработана методика расчётного определения коэффициентов несимметрии напряжения в конце МВЛ. Данная методика отличается от существующих возможностью учёта влияния на величину коэффициента несимметрии не только режимной несимметрии трёхфазной цепи, но и внутренней несимметрии первичных параметров, приводящей к увеличению коэффициента несимметрии по обратной последовательности на 0,02-Ю, 4%.

6. Сформирован подход к коммерческому разделению потерь электрической мощности между хозяйствующими субъектами — собственниками отдельных частей и участков МВЛ. Данный подход позволяет адекватно учесть перераспределение потерь между цепями, в которых протекают отличающиеся по величине и направлению потоки мощности.

7. Даны рекомендации по оптимизации конструкции вновь сооружаемых МВЛ по условию минимума потерь активной мощности. Эффективность оптимизации зависит от класса напряжения линии, числа цепей и числа грозозащитных тросов и позволит снизить потери мощности в проектируемых МВЛ на 2-^8%.

8. Даны рекомендации по оптимизации площадей санитарно-защитных зон МВЛ. Применение сложных конфигураций МВЛ с цепями различных классов напряжения позволит снизить площадь санитарно-защитной зоны вдоль трассы вновь сооружаемых МВЛ на 5-К20%, а также уменьшить капитальные затраты при использовании МВЛ в качестве элементов схем глубокого ввода.