Четырехфазные линии электропередачи для сетей с изолированными нейтралями

УДК 621.316.9:681.3.06

Н.С. Бурянина, Ю.Ф. Королюк, Е.В. Лесных, А.И. Шеметов

ЧЕТЫРЕХФАЗНЫЕ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ДЛЯ СЕТЕЙ С ИЗОЛИРОВАННЫМИ НЕЙТРАЛЯМИ

Предлагается создать принципиально новую электрическую систему - четырехфазные электрические сети. Основой четырехфазных электрических сетей являются четырехфазные линии электропередачи, которые по пропускной способности сопоставимы с двухцепными трехфазными линиями, а потери мощности в них в 1,5 раза меньше, чем в двухцепных трехфазных. Связь четырехфазных электрических систем с трехфазными осуществляется обычными трехфазными трансформаторами. По надежности четырехфазные линии сравнимы с двухцепными трехфазными, а по стоимости в 1,6-1,8 раз дешевле.

Вопрос качества и надежности электроснабжения сельских потребителей стоит остро практически на всем пространстве бывшего Советского Союза. Сельские потребители электрической энергии считаются второсортными. Даже ГОСТом предъявляются пониженные требования к качеству напряжения потребителей сельской местности. Особенно актуально это для Севера, где промышленность и село питаются от одних и тех же линий, преимущественно напряжением 6-35 кВ. При больших расстояниях между объектами электроснабжения экономически нецелесообразно строить двухцепные линии электропередачи. Как правило, линии одноцепные. При небольшой мощности отдельных поселков, но при их большом количестве линии перегружены, потери напряжения в конце линии достигают 20% и более. Очень большие потери мощности - на некоторых линиях они достигают 20-30% и более. Чтобы обеспечить надежность электроснабжения потребителей I и II категорий, устанавливаются дизельные электростанции, стоимость выработанной электроэнергии которыми на порядок выше передаваемой по сетям.

При проектировании электрических сетей на Севере обычно ориентировались на перспективу 15-20 лет. За этим сроком считалось, что электрическая сеть будет кардинально усилена введением более высоких напряжений, прокладкой новых линий и т.д. Однако практика показывает, что новые потребители подключаются к построенным линиям, линии удлиняются, перегружаются, соответственно снижаются уровни напряжения у потребителей, увеличиваются потери мощности и энергии в сети, снижается надежность электроснабжения, приходится часто включать дизельные электростанции. Себестоимость электроэнергии существенно увеличивается. Электрические сети Севера перегружены, новых потребителей подключать невозможно из-за недопустимого снижения напряжения, отсутствует резервное сетевое питание. Отклю-

чение линий нередко приводит к замораживанию систем жизнеобеспечения.

Якутским государственным университетом предложена четырехфазная линия электропередачи. Область применения - сети с изолированной нейтралью (6-35 кВ) [1, 2]. По предложенной четырехфазной линии можно передавать мощность примерно в 1,1-1,2 раз большую, чем по двум трехфазным. Четырехфазная линия обладает надежностью двухцепной линии, потери мощности в ней меньше примерно в полтора раза, чем в двухцепной трехфазной. Последнее объясняется тем, что четырехфазная линия выполняется четырьмя проводами, а две трехфазных - шестью.

Предлагаемая четырехфазная линия электропередачи является компромиссным решением проблемы электроснабжения сельских потребителей. С одной стороны, она дешевле двухцепной примерно в 1,6-1,8 раз, что позволяет рассматривать ее экономические показатели в сравнении с аналогичными показателями одноцепной линии; с другой стороны, обладая надежностью двухцепной электропередачи, имеет потери мощности примерно в полтора раза меньшие, чем двухцепные. При этом для ее осуществления не требуется разработка нового оборудования.

Совокупность четырехфазных линий электропередачи, трансформаторных подстанций образует принципиально новую электрическую систему - четырехфазные электрические сети. Связь четырехфазных электрических сетей с традиционными трехфазными как со стороны питания, так и со стороны потребителей осуществляется обычными трехфазными трансформаторами.

Естественно, что область применения четырехфазных электрических сетей не ограничивается только электроснабжением сельскохозяйственных потребителей. Они являются альтернативой трехфазным сетям 6-35 кВ. Увеличение стоимости четырехфазных сетей по сравнению с одноцепными трехфазными компенсируется снижением

потерь электроэнергии и повышением надежности. Особенностью электрических сетей промышленного региона является преобладание двухцепных линий электропередачи, снабжающих потребителей I и II категорий. Если же сравнивать четырехфазные сети с двухцепными трехфазными в промышленных районах, то последние в 1,61,8 раз дороже.

Выполненные теоретические исследования на энергетическом факультете Якутского государственного университета показали, что принципиальных препятствий для сооружения четырехфазных электропередач нет. Потери напряжения при тех же передаваемых мощностях, что и у двухцепных трехфазных линий, меньше, также меньше потери мощности, особенно если их сравнивать с потерями в одноцепной линии. Подвеска проводов разных двухфазных цепей на расстоянии, не создающем их опасное сближение, исключает трехфазные и четырехфазные короткие замыкания (КЗ), т.е. в результате КЗ возможно отключение только одной двухфазной цепи четырехфазной

Группа

линии. А это обеспечивает передачу половины предельной мощности четырехфазной линии. Значит, жизнеобеспечивающие объекты населенных пунктов останутся в работе.

Четырехфазные электрические системы могут работать в составе существующих трехфазных электрических систем. Связь с трехфазными сетями осуществляется через два трехфазных трансформатора.

Схема четырехфазной электропередачи изображена на рис. 1.

По существу, она является сдвоенной линией «два провода-земля» (ДПЗ), впервые предложенной в 30-х годах. Напряжения и токи в одной ДПЗ соответственно равны по величине и противоположны по направлению напряжениям и токам в другой ДПЗ. Существенным отличием четырехфазной линии от ДПЗ является отсутствие тока в земле.

Технические характеристики четырехфазной линии электропередачи рассматривались в сравнении с двухцепной и одноцепной трехфазными линиями напряжения 35 и 10 кВ /2/. Ниже приведено сравнение четырехфазной линии 10 кВ длиной 10 км с двухцепной.

Группа

Рис. 1. Схема простейшей четырехфазной электропередачи

ДР

0.6

0.4

0.2

0

а/ б

/ / ' /. /у / Уъ

/ х'

0

1

2

3

4

Р

5

Рис. 2. Зависимости потерь мощности от передаваемой: а - в двухцепной трехфазной линии; б - в четырехфазной без симметрирования; в - в четырехфазной с симметрированием.

С учетом ограничений по напряжению на линии максимальная передаваемая мощность по двум цепям трехфазной линии равна 4,5 МВт при соє] нагрузки, равным 0,8. На рис. 4 приведены зависимости потерь мощности от передаваемой в двухцепной трехфазной и в четырехфазной линиях. Потери мощности в обеих электропередачах не включают потери в трансформаторах передающей и приемной подстанций.

Недостатком четырехфазных электропередач является появление несимметрии напряжений. В /2/ рассмотрено несколько способов симметрирования напряжений. Один из них реализуется включением реакторов ме^ду заземляемой обмоткой трансформаторов и землей. Величина сопротивления равна примерно продольному реактивному сопротивлению прямой последовательности линии. Предлагается перенести включение реактивного сопротивления на сторону низкого напряжения, в частности, на напряжение 0,4 кВ. Если трансформаторы, связывающие линию с потребителями, имеют одинаковые схемы соединения обмоток высокого и низкого напряжения, то необходимо включать сопротивление в одноименную фазу. Если с одной стороны трансформатора обмотки со-

6,5

единены в звезду, а с другой в треугольник, необходимо включать реакторы в две фазы.

Минимальная несимметрия напряжений на нагрузке соответствует сопротивлению реакторов, включаемых со стороны 10 кВ между заземляемой обмоткой трансформаторов и землей, равному 2,9 Ом, и сопротивлению реакторов, включаемых продольно в две фазы со стороны 0,4 кВ, равному 0,0051 Ом. С точки зрения уровней несимметрии напряжения схема с включением реакторов на линии предпочтительна, однако на настоящий момент промышленность не производит продольные реакторы с регулируемыми сопротивлениями, измеряемыми единицами и десятками Ом (линии разной длины требуют реакторов с разными сопротивлениями). А со стороны

0,4 кВ можно использовать токоограничивающие реакторы 6-10 кВ, выполнив отпайку от нескольких витков. Поэтому схему с продольным включением реакторов на напряжении 0,4 кВ можно осуществить, используя исключительно оборудование, выпускаемое отечественной промышленностью.

Токи коротких замыканий в четырехфазной электропередаче не ниже, чем токи двухфазных КЗ в трехфазных

1,5

2,5

3,0

8,5

1,5

'Л,

2,

2,5

Рис. 3. Промежуточная опора 35 кВ

т

5

і>

6,

линиях. Значит, для защиты электропередачи от КЗ можно применять максимально-токовую защиту, если она удовлетворяет требованиям чувствительности. Кроме этого, эффективными защитами могут быть поперечная дифференциальная и защита, реагирующая на токи нулевой последовательности. Обе защиты обладают абсолютной селективностью в режиме работы четырех фаз. Никаких особенностей нет при использовании дистанционной защиты от междуфазных коротких замыканий.

Достоверность полученных результатов подтверждена физическим экспериментом на электродинамической модели четырехфазной электропередачи напряжением 1,2 кВ. Рассчитанные режимы как при нормальной работе, так и в аварийных ситуациях, совпали с экспериментом.

Конструкция четырехфазной линии электропередачи зависит от класса напряжения. Линия 35 кВ может быть выполнена либо на П-образных опорах (рис. 3.), либо на двух отдельных стойках по два провода на каждой. Последние должны быть разделены расстоянием, чтобы при падении одной стойки вторая не пострадала. Это, во-первых, исключает короткое замыкание всех четырех фаз, а значит, при повреждении двух фаз линия может быть переведена в режим ДПЗ, и сохранится передача части мощности. Во-вторых, можно предусмотреть ремонт линии по частям (по две фазы) с сохранением электроснабжения потребителей оставшимися двумя фазами по системе ДПЗ. В этом случае по надежности четырехфазная электропередача сопоставима с двумя цепями трехфазной.

Линии 6 и 10 кВ предлагается выполнить на одной стойке с горизонтальным расположением проводов на двух траверсах аналогично двухцепным трехфазным линиям.

Выводы

1. Четырехфазные линии электропередачи являются решением проблемы электроснабжения сельских потре-

бителей. Они дешевле двухцепной примерно в 1,6-1,8 раз, что позволяет рассматривать их экономические показатели в сравнении с аналогичными показателями одноцепной линии, обладают надежностью двухцепной электропередачи и не требуют разработки нового оборудования.

2. Четырехфазные линии электропередачи по сравнению с двухцепными трехфазными имеют в 1,5 раз меньшие потери мощности. Это обстоятельство, а также более низкая стоимость по сравнению с двухцепными трехфазными линиями позволяет рекомендовать их применение в промышленных районах с преобладанием потребителей I и II категорий.

3. Совокупность четырехфазных линий электропередачи, трансформаторных подстанций образует принципиально новую электрическую систему - четырехфазные электрические сети. Связь четырехфазных электрических сетей с традиционными трехфазными как со стороны питания, так и со стороны потребителей осуществляется обычными трехфазными трансформаторами.

4. Из-за отсутствия одной фазы в каждой двухфазной цепи четырехфазной линии появляется несимметрия токов и напряжений.

5. Симметрирование напряжений со стороны приемников целесообразно осуществлять продольным неполнофазным включением реакторов.

Литература

1. Патент 2256273 Российская Федерация, МПК7 Н 02 1 3/ 00, 3/04. Электрическая система / БурянинаН.С., Королюк Ю.Ф., Бурянина Е.В., Олесова В.Л., Олесов Л.А.; заявители и патентообладатели Бурянина Н.С., Королюк Ю.Ф. № 2003132023/09; заявл. 31.10.2003; опубл. 10.07.2005. Бюл. № 19.

2. Бурянина Н.С., Королюк Ю.Ф., Лесных Е.В., Шеметов А.И. Четырехфазные линии электропередачи // Новости электротехники. СПб., 2005. № 1. С. 65-68.

N.S. Burjanina, J.F. Koroljuk, E. V Lesnyh, A.I., Shemetov

Four-phase power lines for networks with insulated midpoint wires

It is offered to create essentially new electric system - four-phase electric networks. A basis of four-phase electric networks are four-phase power lines which on throughput are comparable to double-circuit three-phase lines, and in them in 1,5 times it is less than loss of capacity, than in double-circuit three-phase. Connection of four-phase electric systems with three-phase is carried out by usual three-phase transformers. On reliability four-phase lines are comparable with double-circuit three-phase, and at cost in 1,6-1,8 times are cheaper.