автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Развитие теории и разработка методик анализа режимов несимметричных двухцепных воздушных линий электропередачи

На правах рукописи

А/

005051455

с /

ВЕДЕРНИКОВ Александр Сергеевич

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИК АНАЛИЗА РЕЖИМОВ НЕСИММЕТРИЧНЫХ ДВУХЦЕПНЫХ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Специальность 05.14.02 — «Электрические станции н электроэнергетические

системы»

4 АПР 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Екатеринбург - 2013

005051455

Работа выполнена в Федеральном Государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Самарском государственном техническом университете на кафедрах "Автоматизированные электроэнергетические системы" и "Электрические станции".

Научный консультант: - доктор технических наук, профессор

Гольдштейн Валерий Геннадьевич.

Официальные оппоненты: - Ефимов Борис Васильевич

доктор технических наук, профессор, Центр физико-технических проблем энергетики Севера Учреждения Российской академии наук Кольского научного центра РАН (г.Апатиты), директор

- Паздерин Андрей Владимирович.

доктор технических наук, профессор,ФГАОУ В110 «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», заведующий кафедрой «Автоматизированных электрических систем»

- Таджибаев Алексей Ибрагимович

доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ДНО «Петербургский энергетический институт повышения квалификации», ректор

Ведущее предприятие: - Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский Политехнический Университет».

Защита состоится 24 апреля 2013 г. в 14 часов 15 минут на заседании диссертационного совета Д 212.285.03 на базе ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург, ул. Мира, 19, ауд. Э-217.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УрФУ.

Автореферат разослан 22 марта 2013 г.

Ученый секретарь / /

диссертационного совета /

Д 212.285.03, д.т.н. ^ ^д КУ « Зюзев Анатолий Михайлович

к/1"

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

Актуальность темы. Создание и эксплуатация электрических сетей (ЭС) в современных условиях является важной научно-технической проблемой и требует решения большого числа разнообразных задач проектирования и диспетчерского управления режимами.

Важное место среди них занимают научные, технические, экономические и организационные задачи повышения надежности таких специфичных электроустановок, как двухцепныевоздушные линии (ДВЛ) электропередачи.

В современных условиях при растущем повышении требований к точности моделирования стационарных и переходных режимов работы ЭС, в том числе содержащих ДВЛ, определяет необходимость научных исследований, подробного изучения и практических рекомендаций по учету влияний характерной несимметрии этих электроустановок. Наиболее существенно в установившихся режимах несимметрия ДВЛ проявляется при раздельной работе цепей ДВЛ, когда они питаются от различных источников и доставляют электроэнергию различным потребителям, особенно при противоположных направлениях потоков мощности по цепям.

Не менее важен учет взаимной связи между цепями при управлениистатическими режимами и анализе потерь электроэнергии с точки зрения энергосбережения и энергоэффективностии организации эксплуатации, а такжеанализе электромагнитной совместимости(ЭМС)и надежности ДВЛ в процессах, связанных с атмосферными и внутренними перенапряжениями.

Анализ происхождения, распространения и последствий воздействий перенапряжений - это ключевые проблемы ЭМС ответственных ДВЛ, которые требуют тщательного физического и технико-экономического анализа. Он основан на определении характеристик работоспособности и надёжности ДВЛ в условиях разнообразных электромагнитных процессов и воздействий. При этом используются государственные стандарты, нормативные документы, результаты экспериментальных исследований, математического и, прежде всего компьютерного моделирования, данные эксплуатации, а также результаты прогнозирования названных характеристик для вновь создаваемых и реконструируемых объектов.

Совершенствование методов анализа установившихся и переходных режимовДВЛ с учетом их физических особенностей (в частности, реальной несимметрии) диктуются необходимостью принятия обоснованных решенийпри проектировании, модернизации, стратегии и тактикикапитальных ремонтах и, наконец, при выводе из эксплуатации. Это определяеттехнические и схемные мероприятия, позволяющие снизить уровни эксплуатационных физических воздействий (ЭФВ), опасныхс точки зрения нарушения ЭМС и, соответственно, повысить надёжность работы ДВЛ.

Сказанное выше определяет актуалъностьтемы и проблемы диссертации, а также основные направления практического применениями результатов.

Цель работы и задачи исследований -развитие методологии решения комплекса научных и технических проблем в области теории и практики использования двухцепных воздушных линий электропередачи в электрических систе-мах.При этом направление исследования определяется как устранение имеющихся в настоящее время недостатков в решении задач анализа, планирования режимов и снижение аварийности ДВЛ. Научные задачи:

1. Обоснованней разработка уточненных математических моделей ДВЛ, учитывающих несимметрию и электромагнитное взаимовлияние цепей линии.

2. Развитие и разработкамногопроводной схемы замещениядля анализа установившихся режимов ДВЛ.

3. Разработка уточненных математических моделей и определение начальных условий при внешних и внутренних перенапряжениях.

4. Разработка и применение нетрадиционных безтросовыхсхемгрозозащи-ты ДВЛ 35-220 кВ с использованием подвесных ОПН.

5. Математическое моделирование опор ДВЛ, устройств грозозащиты и комплексов «провод — подвесной ОПН - опора», для оценки показателей надежности ДВЛ.

6. Анализ влияния особенностей конструкции ДВЛ на характер и величины внутренних перенапряжений.

Практические задачи:

1. Разработка модели и программы расчета установившихся режимов ДВЛ ЭС, учитывающей взаимное влияние цепей друг на друга

2. Определение статистических характеристик грозовых и коммутационных перенапряжений ДВЛ и разработка рекомендаций для их уменьшения.

3. Усовершенствование схем защиты от перенапряжений ДВЛ 35-220 кВ. Научная новизна работы заключается в разработке методологии решения

задач повышения надежности и энергоэффективностиЭС, возникающих в процессе эксплуатации и проектирования. К числу результатов, обладающих новизной, относятся:

• Уточненные математические моделиДВЛ, учитывающиенесимметрию и элекгромагнитное взаимовлияние цепей линии.

• Математические модели стационарных и переходных процессов с учетом конкретных видов исполнения ДВЛ.

• Моделирование специфических электромагнитных процессов, возникающих при ударах молнии в систему провода - тросы ДВЛ.

• Моделирование и исследование комплекса мер защиты электрических сетей высокого напряжения с ДВЛ от перенапряжений с помощью подвесных ОПН, а также выработка рекомендаций по их применению и обеспечению надёжной эксплуатации.

Практическая ценность работы.

Разработаны алгоритм и компьютерная модель расчета установившихся и переходных режимов работы ДВЛ ЭС, учитывающая несимметрию и электромагнитное взаимовлияние цепей друг на друга и земли.

• Разработка подхода к приближенному эквивалентированиюДВЛ представленной многопроводной схемой замещения, вместо традиционной однолинейной схемы замещения.

• Разработка рекомендаций по выбору установки подвесных ОПН на опорах линии для определения характеристик грозовых и коммутационных перенапряжений ДВЛ.

Основные положения, выносимые на защиту.

• Математические модели и методики расчета установившихся и переходных режимов ДВЛ.

• Методика преобразования многопроводной схемы замещения к эквивалентной однолинейной схеме ДВЛ.

• Математическая модель процессов воздействия грозовых и внутренних перенапряжений и защитные средства от них на ДВЛ.

Обоснованность и достоверность 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 такжеудовлетворительным совпадениемрасчетных результатов спо-лучепными на реальных объектах.

Связь работы с научными программами, планами, темами, грантами. Настоящая диссертационная работа выполнялась в рамках научно-технической программы СамГТУ "Энергосбережение и управление энергоэффективностыо" на 2005-2010 гг. (Решение ученого совета от 30.03.01, протокол №7) в рамках основ-mix направлений программы "Энергосбережение" Минобразования России до 2010 г., а также в рамках тематических планов СамГТУ на 2011 и 2012 годы: работа на тему «Разработка математической модели трёхфазных несимметричных электротехнических систем высокого напряжения» (per. № 01201157430 от 22.04.2011) и «Разработка информационно-аналитической модели для оптимизации режимов работы систем управления уровнем потерь и организации энергосберегающих технологий в электротехнических комплексах и системах электроснабже-ния»(рег. № 7.797.2011 от 2012 года).

Объектом исследования является высоковольтная двухцепная воздушная линия электропередачи.

Основные методы научных исследований. При проведении данной работы использованы методы математического анализа, физического математического моделирования, теории матриц и методы решения уравнений математической физики, теория искусственных нейронных сетей, теории вероятности и математической статистики. Теоретические исследования послужили основой для разработки математических моделей и инженерных методик. Экспериментальные исследования проводились на реальных электроэнергетических объектах. Оценка корректности моделирования производилась путем сравнения с результатами, полученными по данным эксплуатации ЭС.

Реализация результатов работы.Результаты представленной диссертационной работы реализованы в ряде проектов, выполненных за последние 10 лет под руководством и при непосредственном участии автора на энергетических

предприятиях. Результаты внедрены в практику проектирования и эксплуатациив филиале ОАО «СО ЕЭС» - «ОДУ Средней Волги» (г. Самара), ЗАО «РОСГ1РОЕКТ» (г. Санкт-Петербург). Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедр «Электрические станции» и «Автоматизированные электроэнергетические системы» Самарского государственного технического университета, а также кафедр «Электрические сети и электротехника» и «Электроэнергетические системы» Томского политехнического университета.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: Международных научн.-техн. конференциях «Радиотехника, электротехника и энергетика», МЭИ(ТУ), (г. Москва, 1999, 2000, 2003, 2007, 2008, 2010, 2011 гг.); XXIII сессии Всероссийского научного семинара «Электроснабжение промышленных предприятий», (г. Новочеркасск, 2002 г.); международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2003 г.), на 13 межвузовской конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2003 г.), на III международной научно-практической конференции «Энергосистема: управление, конкуренция, образование» (г. Екатеринбург, 2008 г.); на международной научно-практической конференции «Наука и производство 2009» (г. Брянск, 2009 г.);на международной научно-технической конференции «Экономика и управление: теория, методология, практика» (г. Самара, 2009 г.); на международной научно-технической конференции «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (г. Тольятти, 2009 г.); на 4 и 5 открытой молодежной научно-практической конференции «Диспетчеризация в электроэнергетике: проблемы и перспективы» (г. Казань, 2009, 2010 гг.); на Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации.» (г. Новосибирск, 2010 г.); на международной конференции «Проблемы повышения эффективности и надежности электрических сетей и систем электроснабжения предприятий нефти и газа» (г. Самара, 2010 г.); на Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (г. Екатеринбург, 2010 г.); на II международной научно-практической конференции «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» (г. Пенза, 2011 г.);на международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазам молодежи» (г. Самара, 2011 г.), на XIII международной конференции по электрическим машинам, устройствам и электрическим сетям (г. Варна, Болгария, 2011 г.), на международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (г. Екатеринбург, 2012 г.).

Кроме этого, материалы диссертации обсуждались на научно-технических семинарах кафедрах «Автоматизировашше электроэнергетические системы» и «Электрические станции» ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет за период с 2005 по 2012 годы.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 50 печатных работы из которых: одна монография в центральном издательстве, 13 в реферируемых ВАК изданиях, 30 -в трудах региональных, всероссийских и международных научно-технических конференций и семинаров.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 279 страниц. Библиография включает 272 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определены: актуальность темы, научная новизна, практическая значимость работы, методы научных исследований, обоснованность и достоверность результатов исследований, рекомендаций и выводов работы, основные положения выносимые на защиту, связь темы диссертации с научно-техническими программами и планами, приведены сведения о реализации результатов работы на практике, внедрении в учебном процессе и ее апробации.

В первой главе содержатся сведения о специфике работы ДВЛ, их классификации и конструкции, а также статистическая информация об аварийности в электрических сетях вследствие грозовых и внутренних перенапряжений. Рассмотрено описание эксплуатационных физических воздействий ДВЛ, которые являются причиной аварийности.

Расчеты электрических режимов являются основными при решении огромного количества задач, связанных с проектированием, эксплуатацией и защитой ЭС. Результаты расчетов используются при планировании режимов и оперативном управлении, а также служат базой для оптимизации, оценки устойчивости и надежности ЭС. Решениям указанных задач посвящено большое количество работ, авторами которых являются: Кадомская К.П., Гольдштейн В.Г., Гринберг Г.А., Гусейнов A.M., Заславская Т.Б., Костенко М.В., Халилов Ф.Х., Берман A.IT., Бартоломей П.И., Ерохип П.М., Закарюкин В.П., Мисриханов М.Ш., Тихо-деев H.H., Новикова А.Н., Таджибаев А.И., Крюков A.B. и т.д.

Условиями нормального режима работы трехфазной сети переменного тока низкого, среднего и высокого напряжения являются симметрия параметров нагрузочных режимов передачи и характеристик электрических элементов системы. Однако при работе ЭС встречаются режимы, не удовлетворяющие представленным условиям. Примером этого может являться режим, возникающий при длительной работе линии с поврежденным или отключенным фазным проводом, при этом существенно нарушается симметрия параметров режима. Другим примером может послужить сеть, значительную часть нагрузки которой определяют выпрямительные установки, питающие тяговые подстанции электрифицированных железных дорог переменного тока.

Несимметричные режимы в ЭС могут являться следствием различия сопротивлений в цепях отдельных фаз, это происходит в неполнофазных режимах, при сооружении линий без транспозиции, с неполным или удлиненным циклом транспозиции. Различие по фазам нагрузочных токов вызывается однофазной нагрузкой или специфическими особенностями эксплуатационных режимов некоторых потребителей.

Другим примером сложной несимметрии являются двухцепные воздушные линии электропередачи, в которых провода фаз располагаются в непосредственной близости друг от друга с соизмеримыми расстояниями (определяемыми длиной траверс) междуфазных и междуценных фазных проводов.

е)

ж)

Рис 1. Схемы подключения 2-х цепных ЛЭП

Двухцепные линии можно отнести к принципиально несимметричным электроустановкам, поскольку трехфазные системы токов и напряжений цепей не будут создавать сбалансированные электромагнитные поля даже в условиях симметричных значений режимных параметров. Кроме того, необходимо учесть, что мощности, передаваемые по цепям, могут отличаться, как по величине, так и по направлению. Однолинейное представление электрических схем в приведенных случаях может приводить к значительным погрешностям, что обуславливает необходимость расчетов несимметричных режимов в электрических сетях и системах. В настоящее время в России для двухцепных линий напряжением 35-330 кВ применяются унифицированные конструкции металлических и железобетонных опор.

Воздушные двухцепные линии электропередачи могут работать при разных схемах подключения и конфигурации сети. На рисунке 1 представлены несколько вариантов работы двухцепной ЛЭП. Возможны варианты, когда две линии питаются от разных секций шин, а приходят на общую (рис. 1а) и наоборот (рис. 16). Начало и конец двухцепной линии могут быть на общих и разных шинах (рис. 1 в, г). Двухцепная линия может оказаться лишь на части протяженности2-х линий или изменить значение мощности в одной из линий (рис. 1д, е), а также может быть произведен отбор мощности линий (рис. 1 ж).

В настоящее время в электроэнергетике и электротехнике большое внимание уделяется согласованию условий нормальной безаварийной и эффективной работы электроустановок (ЭУ), производящих, передающих, преобразующих и потребляющих электроэнергию при её надлежащем качестве. В процессе работы ЭУ подвергаются многочисленным внешним и внутренним эксплуатационным

физическим воздействиям (ЭФВ), которые по виду энергии часто являются электромагнитными возмущениями (ЭМВ). С другой стороны, ЭУ сами являются источниками ЭФВ на окружающие объекты и среду.

Указанные явления в соответствие с основными положениями ЭМС можно рассматривать как энергетическое проявление случайного или запланированного взаимодействия ЭУ, технических средств (ТС), биологических, экологических объектов с внешними источниками энергии или при перераспределении в них её внутренних запасов.

Необходимо подчеркнуть, что ЭМС с теоретической точки зрения представляет собой специфический раздел электротехники, как науки. Он самым тесным образом соприкасается и связан с важнейшими электротехническими, электроэнергетическими и электротехнологическими приложениями. Это — теория и практика электрических режимов, качество электроэнергии, техника высоких напряжений и электрической изоляции, экранирование и защита от воздействий разнообразных электромагнитных полей и др. Одними из самых близких к ЭМС направлений являются теории надёжности, ресурсов и старения ЭУ, электрических сетей и систем.

Однако, как уже говорилось выше, несмотря на отчетливую родственную связь, например, с теорией надёжности, есть и принципиальное отличие. Оно заключается в том, что при исследовании ЭМС интерес представляет не только и не столько сам двоичный факт определения состояния отказа объекта или его работоспособного состояния. Необходимый атрибут в исследовании ЭМС - это определение и физическое описание энергетического взаимодействия, и процесса изменения свойств объектов с учётом технических и экономических последствий этих взаимодействий.

Наличие электромагнитной энергии - это непременный атрибут ЭУ и окружающей ее среды. При неизбежных изменениях их физического состояния происходит её перераспределение. При этом возможны её различные проявления и преобразования по виду и форме.

Проявляющаяся в электромагнитном явлении (ЭМЯ) энергия и её параметры будут определять ЭМВна названные объекты или среду. ЭМВ являются источником и первопричиной электромагнитных процессов, по сути дела, доставляющих электромагнитную энергию ЭМЯ непосредственно к ТС, биологическим объектам и другим системам и их элементам, для которых в описанных условиях надо обеспечить нормальную работу. Названная передача происходит по так называемым каналам, которые могут иметь или кондуктивную, или - индуктивную (полевую) природу. ЭМВ при этом могут изменяться по виду, форме и значениям параметров. Часть ЭМВ, пришедшую на конкретную ЭУ называют электромагнитной помехой (ЭМП). Этот термин широко используется в ГОСТ, инструкциях и документах, научно-технических работах, монографиях и др.

Реализация положений ЭМС в ЭС, обеспечивая их нормальную работу, стойкость к ЭМП (ЭМВ) и нейтральность в этом аспекте по отношению к другим объектам, ограничивает нарушения ЭМС. Иначе говоря, в работе ЭУ, в первую очередь, должны быть минимизированы отказы, нарушения и ухудшения техно-

логических, логических функций, технико-экономических характеристик (в частности, нарушений качества электроэнергии, повреждений изоляции и др.) при внешних и внутренних ЭМП. Во вторых, они сами не должны создавать опасные или мешающие влияния и ЭМП для себя и других электроустановок, производственных, бытовых, биологических и других объектов.

Существует два аспекта анализа ЭМС. Первый - основан на детерминированном или статистическом определении характеристик работоспособности и надёжности ЭСпри разнообразных внешних и внутренних ЭМП. Для этого используются статистические данные эксплуатации об аварийности и нарушениях работы ЭС. Второй - связан с прогнозированием ЭМС для находящихся в эксплуатации и проектируемых ЭУ.

ЭМС на уровне современных требований можно надёжно обеспечить, применяя по отдельности или в комплексе следующие мероприятия:

• согласование уровней ЭМП со способностями конкретных объектов к их преодолению, то есть стойкостью к их воздействиям;

• ограничение или полное подавление ЭМП и в процессах их появления, распространения и непосредственных воздействий на ЭУ;

• создание условий и применение средств, обеспечивающих полный или частичный отвод энергии ЭМВ (ЭМП) мимо ТС и биологических объектов;

• создание условий разновременности процессов появления ЭМП и функционирования ТС и объектов в зоне их интенсивного проявления.

Одно из значительных направлений — обеспечение ЭМС для ЭУ с различной способностью противостояния ЭФВ в условиях разнообразия видов и состояния ЭУ, существенных различий их принципов работы, технических характеристик и организации эксплуатации.

Особое значение здесь имеет большое количество в ЭС стареющего и изношенного электрооборудования. Эта проблема занимает важное место в обеспечении ЭМС, так как каждое ЭМВ изменяет внутреннее состояние электрооборудования. Чаще всего, при этом ухудшается его способность преодолевать эти и другие воздействия и сохранять технологическую работоспособность. При этом нормальная работа электрооборудования нарушается одномоментно или постепенно, что приводит с течением времени к всё более частым авариям на отдельных участках и в целом в ЭС.

В теории ЭМС важнейшим положением является формальное описание и теоретическая концепция качественного и количественного решения задачи ЭМС. Эту задачу можно определить как анализ и синтез условий взаимного существования конкретных физических систем при разнообразных ЭФВ и, прежде всего, ЭМВ, в которых тем или иным образом участвует электромагнитная энергия. Результат решения должен констатировать, что физические системы электромагнитно совместимы, если после взаимодействия они остаются в условиях нормального функционирования. В иных случаях говорят о несовместимости в той или иной мере.

Анализ опыта эксплуатации электроустановок ЭС указывает на их большую аварийность, в которой значительная доля связана с перенапряжениями.

Обеспечение ЭМС электрооборудования ЭС при воздействиях перенапряжений определяет круг технико-экономических задач, среди которых значительное место занимает управление параметрами перенапряжений, то есть их ограничение до величин, допустимых для электроустановок 35-330 кВ ЭС.

Высоковольтные линии - наиболее часто повреждаемые элементы электрических систем из - за территориальной рассредоточенности и подверженности влиянию внешних неблагоприятных условий среды.ДвухцепнаяВЛ не всегда обеспечивает необходимую надежность, так как при повреждении опор, гололеде, ветре и т.п. возможен полный перерыв питания, что повышает вероятность развития системной аварии с отключением потребителей.

В периоды грозовой активности при грозовых перенапряжениях имеют место отключения ДВЛ, вызванные обратными перекрытиями изоляции линий электропередачи из-за высокого сопротивления в цепи стекания тока молнии в землю. При этом, зачастую, отключаются сразу обе цепи ДВЛ.

В табл. 1 представлены данные по отключениям ВЛ 35-110 кВ в одном из филиалов ОАО «МРСК Волги».

Двухцепные воздушные линии электропередачи являются специфическими объектами электрических сетей и представляются довольно часто повреждаемым элементом ЭС. Поскольку расстояния между всеми проводами обеих цепей ДВЛ определяются только длинами траверс опоры, взаимная связь между ними оказывает существенное влияние не только в переходных, но и в установившихся режимах, особенно при различии потоков мощностей по цепям, как по величинам, так и по направлениям.

Таблица 1

Грозовые отключения ВЛ 35-110 кВ за 2008, 2009 гг. филиала ОАО «МРСК Волги» -«Самарские распределительные сети»

2008 | 2009

Протяженность, км 9256

Общее число отключений ЛЭП 189 248

Общее число грозовых отключений ЛЭП 59 41

Общее число отключений ДВЛ 89 144

Общее число грозовых отключений ДВЛ 32 33

% грозовых отключении ЛЭП 31,22% 16,53%

% грозовых отключений ДВЛ 35,96% 28,47%

Удельное число отключений, ед/ 100км 2,042 2,68

Совершенствование методов расчёта режимов является особенно важным в сетях, где наблюдается нехватка данных телеизмерений, поскольку расчётные методы являются средством получения псевдоизмерений. Для задач эффективно-

го управления и оптимизации режимов, регулирования напряжения в узлах потребителей, выбора устройств компенсации реактивной мощности, выбора устройств релейной защиты и автоматики, а также для оценки эффективности работы электрической сети необходимым является получение как можно более точных исходных данных.

Во второй главе производится обоснование и разработка уточненной математической модели двухцепной линии электропередачи.

В ДВЛ, как в объекте с распределенными параметрами, единый электромагнитный процесс квазистационарного установившегося режима (УР) состоит из взаимосвязанных продольного электромагнитного и поперечного электростатического процессов. В общепринятых расчетных моделях они приближенно отображаются в виде общей многопроводной схемы замещения (МСЗ) с сосредоточенными параметрами в виде объединения продольных и поперечных парциальных схем, сформированных раздельно. В связи с этим, при расчёте линий электропередачи в общем случае применяют упрощённые однолинейные Т- и П-образные схемы замещения с сосредоточенными параметрами. Такой подход подразумевает отказ от учёта принципиальной несимметрии трёхфазной ДВЛ, что негативно сказывается на точности конечного результата расчёта УР.

Общепризнанным подходом в решении практических задач анализа режимов в электрических сетях является использование в качестве основополагающей концепции математического описания соответствующих физических процессов с помощью уравнений Максвелла для электромагнитных полей.

Установившиеся режимы ВЛ традиционно анализируются без учета взаимного влияния соседних проводов, тросов и цепей (для ДВЛ), а также земли и, самое главное, принципиальной несимметрии одноцепных и особенно двухцеп-ных линий. Однако, в современных условиях, требования к точности расчетов УР стали намного жестче в связи с появлением ряда пракгических задач, связанных с учетом электроэнергии, повышением пропускной способности за счет использования внутренних свойств ДВЛ и прогнозирования режимов их работы при значительной разнице в загрузке линий и др. В работе был принят ряд допущений: в дальнейшем считаю параметры каждой среды однородными, изотропными и постоянными, а объемные заряды - отсутствующими. Неоднородное строение земли учитываю введением эквивалентного сопротивления рз = const и

полагаю е2 = const, /л = /л0 = const ■ Влияние сложной многожильной структуры

сталеалюминевых проводов учитывается введением поправочных эмпирических коэффициентов. Ионизационные процессы и объемные заряды в воздухе при напряжении ниже коронного будем считать отсутствующими, так же, как и влияние общей короны, которое, можно учесть с помощью эмпирических вольт-кулоновых характеристик.

Для расчетов несимметричных режимов трехфазных систем чаще всего применяют метод фазных координат или метод симметричных составляющих и различные их модификации.

Для того, чтобы применять МС-3 в общепринятом виде для расчета режима несимметричной ДВЛ, необходимо определить следующие условия и допущения:

- Электромагнитная связь между проводами и цепями ДВЛ приближенно учитывается значениями взаимных индуктивностей и емкостей.

- Учет собственных емкостей цепей и емкости взаимной связи производится по общим традиционным принципам расчета УР, то есть, при построении расчетной эквивалентной схемы замещения, поперечные емкости (фазные на землю, междуфазные и междуцепные) задаются половинными значениями по концам ДВЛ, а продольные - не учитываются.

- Для решения задачи используется идеология метода расчета режима линии электропередачи по данным, заданным в начале ЛЭП.

- Параметры режима по цепям могут отличаться, как по величине, так и по направлению, поэтому в соответствующих одноименных или разных узлах ДВЛ задаются трехфазные равные или неравные по величине значения нагрузки и напряжения в источниках питания. Последнее означает, что известна трехфазная система напряжений на общих шинах ДВЛ или отдельно по цепям за предвключенным трехфазным реактивным сопротивлением. Нагрузки моделируются в виде постоянных комплексных трехфазных сопротивлений. Их приближенные значения при необходимости можно з'точнить в итерационном процессе расчета параметров режима ДВЛ.

Д»<1).

ДДЗ).

СД5),

«„<7) .

л„<9).

с„(П).

шт.

Рис. 2. Продольная часть эквивалентной схемы ДВЛ в 2-форме, состоящая из комплексных сопротивлений с взаимными индуктивными связями фазы А и троса Т.

Проведенный анализ показал, что для реализации задачи данной работы целесообразно использовать теорию четырехполюсников. Для этого ДВЛ представлена в виде (рис. 2) обобщенного четырехполюсника (ОЧП). На рис. 2 символами Н и К обозначены обобщенные вход и выход ОЧП. Для наиболее частого варианта конфигурации ДВЛс одним грозозащитным тросом узлы начал и концов (Н - К) проводов цепях ДВЛ обозначены следующим образом:1 цепи ДВЛ - А, В, С, II цепи - а, в, с и троса - Т.

А

- 1

1 ' 1

1 '' 1

• I

' !

-■ии-

с-ЛИ).-гуп)..

продольная часть

.«2) • ВЛ 4)

. ад

- <м»

- 7.(14)

«Л)'

«II).. Г,<13)._

ЩНьЬ&ЪЗНТЯ нас/яь

У Ч

---

1,

• ад

•л"» . К( н>

Рис. 3. Поперечная часть эквивалентной схемы ДВЛ, состоящая из емкостных проводимостей, одинаковая в 7 и У- формах и показанная в виде условных связей

для фазыЛ и троса Т.___________

А<2) -МО-

Л,0) ад».

Одб) С.<5),

!М8> ««Г).

5,(1«)

'.(12) ань

п<»> «131

Рис. 4. Продольная часть эквивалентной схемы ДВЛ в К— форме, состоящая из кондуктивных комплексных сопротивлений (проводимостей) фазЛ и а.

Продольные собственные, взаимные активно-индуктивные сопротивления и собственные и взаимные емкости исходно моделируются в эквивалентной МСЗ для расчета режима ДВЛ в естественном виде комплексных сопротивлений по справочным данным и формулам, известным в теоретической электротехнике.

Анализ показывает, что 2 - форма позволяет естественным образом в виде падений напряжения учитывать взаимные индуктивные процессы. Однако, она неудобна для дальнейшего использования, из-за необходимости построения систем уравнений по П-ому закону Кирхгофа или по методу контурных токов, которые практически не применяются в расчетах УР. Она плохо стыкуется с общепринятыми узловыми способами задания нагрузок, взаимных и собственных емкостей ДВЛ, а также мощностей, напряжений и токов в источниках питания.

Поэтому в качестве расчетной целесообразно использовать продольную часть эквивалентной схемы ДВЛ, представленную на рис. 3 и получившую название У— формы. Она, по определению, эквивалентна по входным и выходным токам и напряжениям в узлах 1 — 14 с 2 — формой и в ней нет взаимных индуктивных связей, которые эквивалентируютсякондуктивными комплексными про-водимостями (сопротивлениями).

На рис. 4. эта продольная часть представлена по аналогии с рис. 3. в сокращенном виде. Здесь показаны все продольные активно-индуктивные сопротивления проводов и тросов ДВЛ, а взаимные сопротивления - только для одного провода фазы А и одного троса Т.

Очевидно, что поперечная составляющая эквивалентной схемы в У - форме (рис. 4) такая же, как в 2 - форме (рис. 3.). Следовательно, можно констатировать, что У- форма отвечает требованиям использования метода узловых напряжений для расчета режимов ДВЛ.

Для определения прогнозных значений электрических нагрузок существуют известные современные методы, которые могут с нужным интервалом упреждения сформировать график нагрузки. Для ДВЛ, питающих локальный район с разнородными потребителями автором предлагается метод, основанный на использовании искусственных нейронных сетей.

Разработанная ИНС позволяет определить значения электрической нагрузки ДВЛ на краткосрочный период. Определен состав набора входных данных, структура ИНС и создана ИНС для определения прогнозных значений электрической нагрузки ДВЛ, с учетом температуры наружного воздуха.

Созданная ИНС для прогнозирования электрической нагрузки была протестирована на дпухцепнойВЛ 220 кВ Куйбышевская-Зубчаниновская1 и II цепь с отпайками, которая в Самарской энергосистеме питает бытовую и промышленную нагрузку. Эти ВЛ являются тупиковыми, следовательно, по ним отсутствуют реверсивные перетоки мощности и их суммарная нагрузка фактически является потреблением нагрузочного узла, к которому относятся ПС 220 кВ Яблочная, Зубчаниновка и Юбилейная. Для определения набора входной информации выполнен анализ временного ряда фактической нагрузки и определения влияния температуры наружного воздуха на величину нагрузки.

Значения ошибки прогнозирования электропотребления с применением полученных ИНС изображены в таблице 2.

Полученные результаты подтверждают возможность использования ИНС для прогнозирования нагрузки для целей расчета режима ДВЛ. Достигнутые значения средней ошибки прогнозирования не являются минимально возможными, гак как нагрузка узла содержит промышленную нагрузку, зависящую от технологических процессов, для их учета необходимо в качестве входов ИНС предусмотреть величины, описывающие в непрерывном, либо категориальном значении характеристики влияющего технологического процесса.

Таблица 2

Значения ошибки прогнозирования ИНС.__

Час 1 5 8 12 20

Средняя ошибка,% 2,68 3,14 3,63 3,30 3,09

Min ошибка, % 0,081 0,05 0,04 0,04 0,004

Мах ошибка, % 5,71 6,47 7,00 7,37 6,87

В третьей главе произведен анализ установившихся режимов многопроводной ДВЛ. Анализ показал, что применение 2 - формы в расчетах установившихся режимов позволяет естественным образом, в виде падений напряжения, учитывать взаимные индуктивные (продольные) процессы. Однако заметим, что эта форма неудобна для дальнейшего использования при анализе режимов реальных сетей с большим количеством ветвей и узлов из-за необходимости построения

систем уравнений по второму закону Кирхгофа или по методу контурных токов, которые практически не применяются в расчетах установившихся режимов. Она также плохо согласуется с общепринятыми узловыми способами задания нагрузок, взаимных и собственных емкостей ДВЛ, а также мощностей, напряжений и токов в источниках питания.

Тем не менее, в тех случаях, когда это не связано с анализом режимов в сетях с большим количеством узлов и ветвей, ее использование целесообразно и эффективно. В частности, это относится к анализу режимов конкретной, отдельно рассматриваемой ДВЛ. Расчет установившегося режима в ДВЛ будет состоять из следующих позиций:

• формирование эквивалентной многопроводной схемы замещения для двухцепной линии;

• определение элементов матриц Z и В=А~';

• составление и последовательное применение уравнений Максвелла, Ома и Кирхгофа для отдельных частей и всей многопроводной схемы двухцепной линии.

Будем считать, что сформированы матрицы параметров ДВЛ Zh В. Кроме того, заданы параметры режима в виде комплексных векторов напряжения Ufj и токов 1н в начале ДВЛ Н и необходимо определить Uк , Iк в концеА" ДВЛ. Тогда задача расчета установившегося режима для ДВЛ реализуется следующей алгоритмической последовательностью действий.

Используя закон Ома, определяется по левой поперечной части многопроводной схемы вектор емкостных токов 1СН , в виде

1сН = j(äBUn/2 , (1)

где В - матрица емкостных коэффициентов ДВЛ; ш - частота.

Выражение (7) в матричиом виде:

IcAH Baa BAB вас ВАа ВАЬ ВАс ВАТ и АН

IcBH BBA Ввв Ввс Вва Вт ВВс ВВТ ÜBH

!сСИ Bca Всв Вес Bca ВСЬ ВСс BCJ UCH

Icall 1 BaA ВаВ Вас Bj„ ваЬ вас ВаТ X UaH

IckH BbA Вьв ВЬС Bio Вьь вЬс вьт UbH

1аН Вы Bcg Вес Bca ßci Всс ВсТ UcH

IcTH BTA Втв вп: вт<> вть Вп ВАТ Um

С учетом вектора токов 1СН, по первому закону Кирхгофа, определяется вектор токов Iпр в продольной части МСЗ 1пг =1н~1сн ■

Далее для продольной части схемы записывается по закону Ома уравнение ее

состояния для вектора ДII падений напряжений от протекания токов ветвей 1п в виде

AU = ZIn

Выражение (2) в матричном виде:

Uah-UAK Z" Z" Za U ви- U вк Uch-UCK

U аП~ U аК UЬП~ UЬК

UcH-UcK Uth-UTK

(2)

ZcA Zcti ZcC ZcM Zcb Zee Zc

ZiA ZbB if-ЬС iuba iM i-bc iibT ZcA ZiB ZcC Zca Zcb —<i ZcT "2*1-1 ZTR Z_7-

Zhn 7'hh Zhr Zh

IАП IB1I Icn

1аП

1ьп hn

¡ТП

Здесь диагональные 7,- , и внедиагопальные^у элементы матрицы 2 представляют собственные и взаимные активно-индуктивные сопротивления ветвей ДВЛ. Элементы матрицы X вычисляются: для однородной земли и промышленной частоты.

Теперь можно определить вектор напряжений Vк в конце двухцепной воздушной линии

UK=Un-AU

(3)

По аналогии определяется вектор емкостных токов IсК, в виде 1с-к= у'солг/ к/2 ^

Окончательно определяется вектор токов 1к в узле концаА" многопроводной схемы

1к =1ПР-1сК (5)

Для приведенного алгоритма потоки мощности в каждой из цепей могут отличаться друг от друга, как по величине, так и по направлению за счет задания

соответствующим образом параметров режима 17 н, /я , и к , I к . При этом, для последней пары заданных параметров необходима некоторая коррекция описанной выше расчетной процедуры.

Чаще всего в начале двухцепной линии задаются симметричные трехфазные системы напряжений и токов следующими значениями: £/л=£/; 1/в = а21/ ; йс = ; 17«, =17; иь=а2и; ис=аи-, 1л=1; 1в=аг1;

/с = а1; /„=/; 1ь=а21; 1С = а! ;я = е"20'.

Для определенности модули векторов напряжений и и токов I по цепям заданы одинаковыми. В общем случае, они могут быть заданы произвольно, в том числе и с несимметрией по фазам цепей, то есть равные или неравные по величине и фазовым сдвигам трехфазные системы напряжений и токов на общих шинах или отдельно по цепям.

Это позволяет получить с помощью матричных выражений все параметры установившегося режима двухцепной воздушной линии. По ним можно приближенно оценить взаимное влияние цепей ДВЛ, которая, как несимметричный пассивный объект, вносит несимметрию в расчетные параметры режима в конце ДВЛ. Это дает возможность сравнить результаты расчетов, полученных по представленной выше методике при принятых условиях и допущениях, с аналогичными результатами расчетов, выполненных без учета этого влияния.

В качестве расчетной целесообразно использовать продольную часть эквивалентной схемы ДВЛ, представленную на рис. 5 и получившую название Г— формы. Она по определению эквивалентна по входным и выходным токам и напряжениям в узлах 1 - 14 с 2- формой и в ней нет взаимных индуктивных связей, которые эквивалентируются соответствующими комплексными проводимостями (сопротивлениями).

Параметры продольной составляющей эквивалентной схемы в К - форме (рис. 4) можно определить перехода от X - формы к У — форме схем замещения для произвольного количества ветвей, имеющих взаимные индуктивные связи.

Для этого запишем для «продольной» части схемы уравнения ее состояния, которые представляет собой систему комплексных алгебраических уравнений, составленную по закону Ома для вектора ДО* падений напряжений от протекания токов ветвей I п в виде:

Д й = г'1п (6)

Раскрывая данные матричные выражения получается:

или- и.ш 1ал —АВ 2„с ¿Аа 2АЬ 2/)с Ъ-АТ 1ап

ивн- 1! вк 2вя Ъ.вс %Ва КвЬ 2Вс 2ВТ 1вп

и сн- иск —СА ^св 2сс —Са 2с* 2сс 2сг 1сп

из- иаК = 1аЛ —аВ 2оС 2аа 2аЬ —ас Т^аТ X I аП

им! - иьк 1ьв 24С Ъ-Ъа 2м 2Ъс 2ЪТ 1ьп

исН- и сК 1сВ 2га 2С6 2а 2сГ 1сП

Чт- иТк 2ТА 2-тв 2_тс 27а 27» 27с 2,47" 1тп

Здесь диагональные (где /' = у) и внедиагопальшлеТ^ (где Ы/) элементы матрицы 2 представляют собственные и взаимные активно-индуктивные сопротивления ветвей двухцепной воздушной линии в соответствие рис. 2. Обращая матрицу Z, получаем матрицу проводимостейветвей К, и, соответственно, систему уравнений состояния «продольной» части двухцепной линии, разрешенную относительно токов ветвей I

/я=ГД{/ (7)

Выражение (7) представим в матричном виде (8).

Полученная матрица проводимостей ветвей позволяет построить для двухцепной воздушной линии с грозозащитным тросом (количество проводов и = 7) эквивалентную схему замещения в виде полного четырнадцатиугольника со всеми диагоналями. Все элементы - связи (всего 91 ветвь) в этом многоугольнике можно разделить в соответствие с рис. 4 на:

- горизонтальные (1 - 2, 3 - 4 и т.д., п = 7 ветвей);

- вертикальные (1 - 3, 5 - 15 и т.д., п ■ (п -1) = 7 ■ 6 =42 ветви);

- наклонные (1 - 8, 6 - 15 и т.д., п • (и - 1) = 42 ветви).

1ап 1лл 1лв Гас Ила Хаь НАС ПАТ им- иАк

1вп 1вА Хвв Хвс 1Ва Хвь Хвс ХвТ Овн- иВк

1сп 1СА Х.СВ Хсс 1Са ХсЬ Хсс Хст иСн- иск

1аП = ГаЛ Ьв ти Х-аЬ Xас ХаТ X иаН- иаК

1ъп Ъ,А Хьв 1ьс Хл,, Хи,Ь Х-Ьс ХьТ иЬн- иьк

1сП г У г. У „ у Ьь ХсТ йм- иск

¿-сВ ¿-сС ¿-са

1тп ГТА Кгв Х-ТС Хт„ Хть Х-Тс Хат Итн- Отк

Как показывает анализ, для формирования уравнений состояния ДВЛ необходимо использовать табличное представление полной многопроводной схемы замещения в К—форме.

Таблица 3

Ветви эквивалентной схемы замещения ДВЛ с одним тросом в виде полногочетырнадцатиугольника со всеми диагоналями. ___

| 1-2 1-3 1-4 1-3 1-6 1-7 1-Х 1-9 1-10 1-11 1-12 1-13 1-14

2-3 2-4 2-3 2-6 2-7 2-8 2-9 2- 10 2-11 2-12 2-13 2-14

3-4 3-5 3-6 3-7 3-8 3-9 3-10 3-11 3-12 3-13 3-14

4-3 4-6 4-7 4-8 4-9 4-10 4-11 4-12 4- 13 4- 14

3-6 5-7 3-8 5-9 5-10 5-11 5-12 5-13 5-14

6-7 6-8 6-9 6-10 6-11 6-12 6- 13 6- 14

7-8 7-9 7- 10 7-11 7- 12 7- 13 7- 14

8-9 8-10 8-И 8-12 8- 13 8- 14

9- 10 9-11 9-12 9- 13 9-14

10 -11 10-12 10- 13 10-14

11-12 11-13 И-14

12-13 12-14

13-14

В таблице 3 сформированы все ветви с нроводимостями для полногочетырнадцатиугольника со всеми диагоналями.

Для схемы в виде полного многоугольника замещающего п параллельных линий, а также с учетом выражения (8) и данных таблицы 4, можно кратко записать расчетные выражения:

Ъ, =Ъ.М; (9)

^Ху« \jn.jn 2-У »..у*. (Ю)

По выражению (9) определяются проводимости горизонтальных ветвей для схемы полногочетырнадцатиугольника, а по выражению (10) определяются проводимости наклонных и вертикальных ветвей. Вертикальные ветви имеют знаки, обратные знакам проводимостям наклонных ветвей схемы замещения.

Пользуясь данными таблицы 4 и выражениями (9-10), можно получить матрицу проводимостей для схемы полногочетырнадцатиугольникаУ^, отображающую продольные (электромагнитные) процессы, протекающие в двухцепной линии с одним грозозащитным тросом.

Таблица 4

Проводимости ветвей эквивалентной схемы замещения ДВЛ с одним

тросом в виде полногочетырнадцатиугольника

|УлнАх Yah.Br УднИ* Yah.Ch YAн,Cк УАЛ,ЭН Уандк УАЯ.Ьн УащЬ« Уан.сн УАН.сг У^ятн Уля.т*

УА*.Вн YAK.Cn Уак,Ск Хаилк УагЬн УАХ.ЬК Уд* си Уахск УАЬТЯ Ум,Тк

YRH.BR УвнСн Уян.Ск Уваая Увн.Ьи УваЬк УВнсн УБ..« УвнДн УвяТ*

Ybk.Gr Yвк Ск Увк.эн Увклг Увк.Ьн Уок.Ьк Увк.сн &«.« Увк,Тн Ув*.т*

УснСк Усн.ан Усна* Усн,Ьн УсяЬк Усн.сн Усн.« УсцТн Уся-Тк

Ус», Ус,,, Уск.Ьн Ус»,Ьк Ус*« УскТн Уск.14

Уаца! Уан,Ьн УдяЬг V 1 ян сн У.К,« УапТи У»т„

Узх,Ья Уак,Ьс У«,« У«.т- Уак.Т«

Уь«.ьк Уьн гм Уьн,« Уь«.Тн

У)™ Уъг,св Уьк.Тн Уьк.Тк

Угнпг Усн.Тн УсиТк

УсхТн УсьТк

УгаТк

Сказанное выше позволяет сформировать общую эквивалентную схему замещения, включающую в себя источник питания, двухцепную воздушную линию и ее нагрузку (рис. 5).

Е,

к I 1 * А « Г

<■■ 1_1 <• ■

т г 2 мсздвл т

» 1—"—1 * . » г

1_1 , 1

г,.

Рис. 5. Эквивалентная схема для расчета режима.

напряжении

Уравнение состояния двухцепной линии по методу узловых имеет следующий вид:

¥уи=Е-¥и, (11)

где Уу - матрица узловых проводимостей; Уи - матрица ироводимостей, учитывающая предвключеиное сопротивление источников ЭДС. Матрица узловых проводимостей определяется из выражения Уу = Г,4+ Ны +Ги„ , (12)

где Ун - матрица проводимостей для учета продольных процессов; В,4 - матрица проводимостей половин зарядных поперечных емкостей; Уш - матрица, моделирующая источники питания и нагрузки.

Раскроем матрицы узловых проводимостей, использованные в уравнениях (II) и (12).

В матрице узловых проводимостей Уи элементы главной диагонали будут равны проводимостям горизонтальных ветвей, так как сумма сходящихся в узле проводимостей вертикальных и наклонных ветвей равна нулю. Матрица проводимостей для учета продольных процессов:

Уи =

у и Уи Уи Уи Уи Уи Уи у,.* Уи У 1.10 у и. УП7 У/1! У, 14

У,1 Уи Уи Уи Уи Уи У2.10 у1.11 У,п Уи, У7,4

У и Уи у« Уз., Уи Узб У3,7 Уз, Уз.9 Уз, 10 Уз.П Уз и Уи, Уз. 14

У-и У, г Уи У Уи у<« У4.7 У,.г У4,9 У4.10 У4.11 У4 12 У4 11 У414

Уу, 1*2 У,, Уу, Уи Уз.6 У5.7 У,., Уу9 У5.10 У< 11 У,п Уи, У,,4

Гб, Ус.1 Уб! У«., Уб. 5 Убб У6.1 У6.8 Уб.9 У6.10 Уб.п Уб12 Ус, 13 У6,14

У?., У7.2 Уи У7.4 Уи У?.6 У7.7 У™ У7.9 У?. 10 У7,п У7.12 Уи, У 7 14

У,., У»2 уа, Уз.4 П.З У8.6 У8.7 У8.8 Уя.9 У Я. 10 Ун. и Уз. 12 Уен Ув.14

г,, У9.1 Уи У,,, У>. 5 Уи У,. 7 У9.8 У9.9 У9.10 У9 11 У9.11 У9,13 Уя,14

У 10 1 У10.2 У/0.3 У 10.4 Ую.з У,0.6 У 10.7 У10,8 У 10.9 У 10.10 Уши У 10,12 У/о. 13 У/0,14

Уч., У,и У,1.3 у,и у,и У, ¡.б Уп.7 У 11.8 У/1.9 У 11,10 У и. и Уч. 13 У 11,13 У 11.14

У 12.1 Уш У,1.3 Уг,, Уп> У 11.6 У, 17 У,1.* У 12.9 У п. /О У 12,1! У 12,12 У 12,13 УШ4

У,,., У,3.2 Упз У,3.4 у,и У13.6 У,3.7 У НА У 13.9 У 13,10 У 13.11 У 13.12 У 13.13 У 13,14

Уш Уи.1 Уи.! У 1,4 Уи.! Уц.б У,4.7 У 1-1.8 У 149 У 14. Ю У14.11 У 14.12 Уи 13 У¡4.14

В матрице УИ„ трехфазная система предвключеиных сопротивлений (для них использован индекс «прв») источников питания задается в соответствие с общепринятой методикой. В частности, для определенности эти сопротивле-

ния можно определить по мощностям питающих трансформаторов (автотрансформаторов). Трехфазная система сопротивлений, имитирующих нагрузку двухцепной линии, задается в соответствие с известным способом их приближенного моделирования в виде постоянных сопротивлений.

Обратим внимание на то, что перед началом расчета режима двухцепной линии по рассмотренной выше методике эти сопротивления определяются, если нет более точной информации, по средним номинальным значениям напряжений. Далее можно произвести уточнения их значений в итерационном процессе, используя напряжения, полученные в процессе предыдущего расчета.

В матрицеЕ-F„ трехфазная система напряжений источников питания задается для определенности симметричной следующими значениями: Ел = Et , Ев = Era2, Ее - Era, Еа = £,, Е„ = Е2-а2, Ес = Е2-а.

Решая уравнение (11), получим значения всех узловых напряжений, а по ним, соответственно, все параметры режима ДВЛ.

Таблица 5

SH, MBA AUoa, В лиА, В лив, В лис, В K.h„ % Кои, %

<§ 2 634 679 565 614 0,221 0,419

4 1268 1317 1099 1205 0,431 0.811

СП 6 1902 1919 1604 1774 0,63 1,19

8 2536 2488 2081 2321 0,819 1,563

10 3170 3028 2534 2845 0,999 1,935

10 1132 939 691 823 0,068 0,16

20 1912 1868 1372 1642 0,135 0,32

•а 30 2706 2789 2043 2458 0,202 0,479

40 3506 3702 2705 3269 0,268 0,638

о (N 50 4307 4607 3359 4078 0,333 0,798

II 60 5109 5504 4003 4881 0,398 0,957

70 5912 6393 4639 5679 0,462 1,117

80 6715 7275 5276 6473 0,525 1,276

90 7519 8148 5887 7262 0,588 1,437

100 8323 9015 6499 8045 0,651 1,597

В приведенных выше режимах потокораспределение по цепям определяется совокупностью трех факторов:

• источниками и предвюпоченными сопротивлениями в начале ДВЛ;

• внутренними сопротивлениями ДВЛ и взаимными связями цепей;

• нагрузками (сопротивлениями) в конце ДВЛ.

Для разработанной математической модели ДВЛ в виде МСЗ произведена серия расчётов УР с целью определения падений напряжения в фазных проводах Л1/Л. Лив, и Л11с, а также коэффициентов несимметрии по напряжению в конце ДВЛ по обратной (К2и) и нулевой (Ко,,) последовательности. Полученные результаты сравнивались со значениями падения напряжения в фазном проводнике,

полученными расчётом с использованием традиционного однолинейного представления цепей ДВЛ (.AUoci)•

Для ДВЛ классом напряжения UH = 35 кВ протяжённостью 35 км, выполненной на двухцепных опорах марки П35-2, изменялась мощность нагрузки цепи 5н вплоть до 10 МВЛ при неизменном коэффициенте активной мощности, равном 0,91. Аналогичный расчёт произведён для ДВЛ классом напряжения UI{ = 220 кВ протяжённостью 76,83 км, выполненной на двухццепных опорах марки ПМТ-8. Пределы изменения мощности нагрузки 5нв цепи - до 100 МВА при неизменном коэффициенте активной мощности, равном 0,8. Результаты расчётов представлены в таблице 5.

Относительные погрешности использования однопроводных схем замещения при подсчёте падений напряжения снижаются при увеличении мощности нагрузки. Необходимо отметить, что данные результаты получены для ДВЛ, выполненных на осесимметричных двухцепных опорах. В случае использования одно-цепных опор с горизонтальным расположением фаз погрешности заметно возрастают, особенно для средних фаз.

Также произведены расчёты УР для различных значений длины ДВЛ. При этом для ДВЛ номинальным напряжением 1/ц = 35 кВ значение мощности на-1рузки фиксировано Su = 10 МВА при коэффициенте активной мощности, равном 0,91. Для ДВЛ номинальным напряжением Uh = 220 кВ значение мощности нагрузки принято SH = 50 МВА при коэффициенте активной мощности, равном 0,8. Результаты приведены в таблице 6.

Для ДВЛ класса напряжения 35 кВ протяжённостью 35 км, выполненной на промежуточных опорах марки П35-2, проводился расчёт УР с использованием ОСЗ и МСЗ для различных значений мощности нагрузки (SH) при неизменном коэффициенте активной мощности, равном 0,91. Затем определялась относительная погрешность использования ОСЗ для потерь активной (е,„.), реактивной (ejq) и полной (¿'.-в) мощности. Результаты сведены в таблицу 7.

Таблица б

L, км AUon, В лиЛуъ лив, в лис, в К2т % К-Ои, %

35 кВ 5 453 482 415 440 0,158 0,222

15 1358 1398 1181 1288 0,458 0,785

11 JC 25 2264 2244 1884 2089 0,738 1,358

IS 35 3170 3028 2534 2845 0,999 1,935

о 10 528 600 454 542 0,044 0,087

30 1613 1814 1342 1609 0,131 0,298

м сч II £ 50 2736 3016 2214 2668 0,218 0,511

70 3900 4205 3070 3720 0,304 0,724

90 5105 5380 3911 4765 0,389 0,939

Таблица 7

SII, МВА AS (ОМ), кВА AS (ММ), кВА EAS, % АР (ОМ), кВт АР (ММ), кВт ЕАР, % AQ (ОМ), кВАр AQ (ММ), кВАр EAQ, %

2 57,03 54,22 5Д8 39,85 37,72 5,65 40,8 38,95 4,75

4 228,1 206 10,73 159,4 143,3 11,24 163,2 147,9 10,34

6 513,4 440,6 16,52 358,7 306,6 16,99 367,2 316,4 16,06

8 912,7 745,5 22,43 637,7 518,8 22,92 652,9 535,3 21,97

10 1426 1110 28,47 996,5 772,5 29 1020 796,9 28

Таблица 8

Sh, МВА AS (ОМ), кВА AS (ММ), кВА eAS, % ДР (ОМ), кВт ДР (ММ), кВт еДР, % AQ (ОМ), кВАр AQ (ММ), кВАр eAQ, %

5 54,18 15,38 252,28 7,662 2,038 275,96 53,63 15,24 251,9

10 119,9 61,24 95,79 16,95 8,118 108,8 118,7 60,7 95,55

20 342,1 242,8 40,9 48,38 32,19 50,3 338,7 240,7 40,71

30 685,6 541,4 26,63 96,95 71,8 35,03 678,7 536,7 26,46

40 1150 954 20,55 162,7 126,5 28,62 1139 945,6 20,45

50 1736 1478 17,46 245,5 196,1 25,19 1719 1465 17,34

60 2443 2110 15,78 345,5 279,9 23,44 2418 2092 15,58

70 3271 2847 14,89 462,6 3777 22,48 3238 2822 14,74

80 4221 3686 14,51 596,9 489,1 22,04 4178 3654 14,34

90 5291 4625 14,4 748,3 613,7 21,93 5238 4584 14,27

100 6483 5660 14,54 916,8 751,2 22,04 6418 5610 14,4

Нетрудно видеть, что значения относительных погрешностей при определении потерь по ОСЗ в ДВЛ 35 кВ монотонно возрастают с увеличением мощности нагрузки.

Аналогичные расчёты произведены для ДВЛ классом напряжения 220 кВ. Линия протяжённостью 76,83 км выполнена на опорах марки ПМТ-8. Пределы изменения мощности нагрузки в цепи - до 100 MB А при неизменном коэффициенте активной мощности, равном 0,8. Результаты представлены в таблице 8.

Для ДВЛ 220 кВ наблюдается значительное увеличение погрешностей в зоне малых нагрузок и относительная стабилизация при нагрузках, превышающих 50 МВА. Такой результат вызван тем, что с увеличением номинального напряжения всё большую роль играют электростатические связи между фазными проводами, а также между проводниками соседних цепей.

Значения коэффициентов несимметрии по обратной последовательности

АГгиНе превышают допустимых, однако они накладывают ограничения на несимметричность нагрузки ДВЛ. Кроме того, необходимо учитывать возникающую-несимметрию при расчёте уставок релейной защиты.

Также проведён сравнительный анализ результатов расчетарежима ДВЛ 220 кВ Сызрань-1-П. Сравнивались результаты расчёта потерь активной мощности в цепи, полученные методом фазных координат (АР (ММ)), результаты расчёта потерь мощности с помощью стандартной схемы замещения ДВЛ, исполь-зуемойв программном комплексе «НаИгМп 3» (ДР (Каэ^)), и результаты расчёта в комплексе «АаЯгМп 3» по разработанным эквивалентным однолинейным схемам замещения. Определялась относительная погрешность расчёта при использовании стандартных схем замещения (еДРКа5[г) и при использовании эквивалентных схем (еДРЭкв). Результаты расчётов представлены в таблице 9.

Таблица 9

вн, МВА ДР (ММ), Вт АР (Яав^), Вт ДР (Экв.), Вт еАРЦ^, % еАРЭи,%

5 2038 2000 2000 -1,86 -1,86

10 8118 7000 7000 -13,77 -13.77

20 32190 29000 28500 -9,91 -11,46

30 71800 78000 65500 8,64 -8,77

40 126500 134000 117000 5,93 -7,51

50 196100 218000 183500 11.17 -6,43

60 •279900 323000 267500 15.40 -4,43

70 377700 451000 367000 19,41 -2,83

80 489100 592500 476000 21,14 -2,68

90 613700 776500 616500 26,53 0,46

100 751200 976500 767500 29.99 2,17

В четвертой главе рассматривается молниезащита двухцепных линий при помощи подвесных ОПН. При монтаже ОИН на опоре ДВЛ надёжно защищены только те фазы, на которых непосредственно установлен аппарат. Несмотря на отвод в фазные провода части тока молнии, протекающей по телу опоры, и снижения уровня напряжения на незащищённых гирляндах, при больших токах молнии может произойти их перекрытие. Для определения наиболее эффективного места установки ограничителя на опоре ВЛ был проведён ряд расчётов для различных мест установки аппаратов на всех опорах. Расчёты показали, что установка ОПН на нижних фазах опоры более эффективна, чем на верхних. Ограничители на нижних фазах обеспечивают наибольшее снижение числа обратных перекрытий, в то время как аппараты на верхних фазах защищают линию от отключений, вызванных ударами молний в фазный провод.

Для минимизации числа ограничителей, обеспечивающее приемлемый показатель молниезащиты, было установлено минимальное расстояние между ОПН. Для этого использоватся переход от усреднённого количества отключений по всей длине ВЛ к распределению отключений по всей длине линии. Количество грозовых отключений распределено по длине ВЛ неравномерно и зависит от параметров каждого отдельного участка линии. Поэтому, число грозовых отключений рассматривалось как функция от координаты х, лежащей в пределах от нуля

(начало линии) до 1тш (конец линии) Мж -/(х). Такую функцию распределения количества грозовых отключений по длине линииможно назвать эпюрой числа грозовых отключений (см. рис. 6). Суммарное количествоотключений ВЛ пропорциональна площади под эпюрой.

X, км

Рис. б. Эпюра числа грозовых отключенийпри высоком сопротивлении заземления

опоры №10

При расчёте линий с установленными на её опорах ограничителями было установлено, что ширина зоны защиты аппарата во многом зависит от параметров участка линии, на котором установлен ограничитель. Так, при Яоп =150м, зона защиты ОПН невелика и ограничивается одной опорой. Ограничитель защищает только ту опору, на которой он установлен, и количество отключений соседних опор практически не меняется. Однако, при таком значении сопротивления заземления опор, зона защита ОПН от двухцепных перекрытий несколько больше, и не ограничивается только одной опорой, с установленным ограничителем.

С ростом сопротивления заземления опор, зона защиты ОПН возрастает как для двухцепных, так и для одноцепных перекрытий из-за уменьшения снижения части тока молнии отводимой в землю каждой опорой линии (рис. 7). Но при всех значениях И зона защиты ОПН от двухцепных перекрытий несколько шире

Рис. 7. Зона защиты ОПН при двух раз- Рис. 8. Снижение числа отключений опоры ных значениях сопротивления заземле- соседней с защищенной ОПН

ния опор

Кроме сопротивления заземления опоры, на зону защиты ОПН влияет длина пролётов между опорами. На рисунке 10 показаны зоны защиты при разных длинах пролёта. Сопротивления заземления опор в расчётах было принято Яоп = 100 Ом. В отличии от предыдущих эпюр, для того чтобы координаты опор совпали при разных значениях длины пролёта, на данном рисунке по оси абсцисс отложено не расстояние х от начала линии, а номер опоры. Из эпюры 9 видно, что количество отключений на незащищённых опорах падает с увеличением частоты расстановки опор (снижением длины пролёта).

*, км

Рис. 9. Типичная эпюра числа грозовых отключений реальной BJ1.

Также на локальное изменение числа грозовых отключений влияют такие параметры, как: высота опоры, уровень линейной изоляции, высота тела опоры, взаимное расположение проводов, а также сочетание этих и прочих параметров на отдельных участках линии. Однако, в общем случае зону защиты ограничителя можно оценить в 700 - 850 м.

Ограничители, установленные на опорах BJI снижают общее число грозовых отключений. Чем чаще на линии установлены аппараты, тем больше такое снижение.Реалыю эксплуатирующиеся линии электропередач, как правило, обладают резко неоднородными параметрами по всей длине. Так величины сопротивлений

заземлений для разных опор в пределах одной линии может колебаться от единиц до сотен Ом. Поэтому распределение числа грозовых отключений резко изменяется по длине ВЛ. На рисунке 9 показано расчётное распределение числа отключений. Видно, что функция NOTK = f{x) имеет ярко выраженные пики. Эти пики соответствуют либо опорам с высоким

Номер опоры

Рис. 10. Зона защиты ОПН при разных длинах пролёта

сопротивлением заземления, либо местам локального повышения грозовой активности. Таким образом, поиск мест установки ограничителей должен производиться по реальными характеристикам ВЛ без их усреднения и переноса усреднённых параметров на все опоры линии.

Очень важным в расчётах грозозащиты является вопрос моделирования схемы замещения опор в соответствие с моделями рис. 11.

Рассмотрим условные расчетные схемы опор ДВЛ (рис 11 а, б). Не умаляя значительной общности рассуждений, ограничусь анализом и описанием моделей опор наиболее часто встречающихся конструкций ДВЛ 35 - 220 кВ - «бочка» и «елочка». Для них характерно наличие: '- трех пар траверс (ТРА1 и ТР^, ТРВ1 и ТРВ2, ТРС1 и ТРсг), ~ трех участков опоры между траверсами- верхней и средней, средней и нижней, нижней траверсой и землей, - шести гирлянд изоляторов (ГАЬ Гд2, ГВ1, ГВ2, Гсь Гсг), - одной и реже двух стоек для грозозащитного троса (ТС) и системы заземления, которая может быть представлена активным сопротивлением растеканию - К3.

Схемы опор ДВЛ (рис 11а, б) имеют универсальный характер, поскольку каждый из названных выше элементов опоры может быть представлен в зависимости от уровня допустимых погрешностей различными способами, а именно: кондуктивной связью с параметрами Д, Ь, С, которые в зависимости от характера задачи и требований к точности представления элемента и опоры в целом, принимают различные значения, в том числе и равные нулю, что означает отсутствие этого параметра; связью в виде линии, представленной схемой с сосредоточенными (гипотетически возможно и распределенными) параметрами; а также нелинейной моделью ПОПН.

Г-гГйи»

ч.....

-Т?,..—£

:: IV .....1

;г,1 'Х

• ГГ,:

"П.

Г,:!

X"

1с 1

Ос»!

-ГГц-1

; Па!

-|П'г;

Овт

— 1ГТ,!—1—;

(о«,;

Иг-

<1! 4

~а)

б)

Рис. 11. Модели опоры: а - ДВЛ с грозотросомподвешенным сверху опоры; 6 - ДВЛ с ПОПН на верхних фазах и подвесными тросами на уровне нижних фаз.

Рассмотрим различные схемы замещения опоры воздушной линии:

- самая простая, с точки зрения моделирования, традиционная схема с активным сопротивлением растеканию тока в землю без учёта индуктивностей тела опоры при расчёте переходного процесса не требует решения дифференциальных уравнений, ввиду отсутствия реактивных элементов. На рис. 11 а все элементы равны нулю кроме Нз;

- схема с индуктивностью тела опоры, сконцентрированной внизу опоры, без учёта индуктивностей траверс;

- схема, в которой каждый участок опоры учитывается своей индуктивностью, без учёта индуктивностей траверс. В отличие от схемы со сконцентрированной индуктивностью, данная схема учитывает индуктивности между траверсами, то есть траверсы имеют разные потенциалы;

- схема с индуктивностью траверс. По сути, напряжения и токи в опоре отличаются от рассчитанных по предыдущей схеме только для случая перекрытия гирлянды изоляторов (открытия ПОПН), когда по траверсам опоры начинает идти ток;

- схема, в которой участки тела опоры замещены линией с сосредоточенными параметрами. Такая модель является приближенной моделью для линии с равномерно распределёнными по её длине сопротивлением, индуктивностью и ёмкостью. В отличие от предыдущих моделей опоры данная модель учитывает ёмкость на землю участков тела опоры и скорость распространения волны в теле опоры (что актуально при коротких фронтах импульса тока молнии). Полная схема представленная на рис. 11а;

- схема с сосредоточенными параметрами, в которой отсутствует грозозащитный трос и к верхним фазам подключены ПОПН. На рис. 116 отсутствуют траверсы и тросы подвешенные на уровне нижних фаз;

- схема с сосредоточенными параметрами, ПОПН на верхних фазах и подвесными тросами на уровне нижних фаз. Влияние тросов находящихся на уровне нижних фаз возникает при кондуктивных и индуктивных перенапряжениях в области грозовых перенапряжений. Полная схема представленная на рис. 116.

Очевидно, что различия между схемами достаточно велики при всех значениях сопротивления заземления опоры. Поэтому пренебрегать какими либо элементами тела опоры, без существенного вреда для конечного результата, нельзя. В проектных расчетах рекомендуется использование схемы линии с сосредоточенными параметрами, как наиболее подробной модели.

В пятой главе рассмотрен вопрос влияния особенностей конструкции ДВЛ на характер и величины внутренних перенапряжений. На изоляцию двухцепных линий электропередачи, также как и на одноцепных, имеют место стационарные, квазистационарные и коммутационные перенапряжения.

На уровень потока перенапряжений двухцспность оказывает влияние, главным образом, для перенапряжений, возникающих при коммутациях.

Стоит отметить, что любая линия при отключениях проходит два этапа: отключение тока нагрузки (разрыв транзита) и отключение зарядного тока линии (отключение ненагруженной линии). И наоборот, при включениях вначале включается ненагруженная (холостая) линия, а далее - линия под нагрузку (замыка-

ние транзита). Перенапряжения большей интенсивностью возникают только при коммутациях линий в режиме холостого хода. Перенапряжения в режиме холостого хода, разумеется, возникают в различных точках линии. Однако наибольшие по величине перенапряжения возникают на ее удаленном (разомкнутом) конце.

Коммутационные перенапряжения также зависят от условий погоды и наличия на линии индуктивных элементов (электромагнитных трансформаторов, шунтирующих реакторов и силовых трансформаторов).

Что касается условий погоды, здесь на максимальную величину коммутационных перенапряжений они сказываются в двух аспектах: при плохих погодных условиях и загрязнениях изоляции, а, следовательно демпфируются перенапряжения вследствие потерь. Кроме того, с ухудшением погоды снижается напряжение начала коронирования фазных проводов, а, следовательно, вследствие потерь на корону ограничиваются максимальные кратности перенапряжений.

Важное влияние на величину перенапряжений оказывают индуктивные элементы между фазными проводами линии и землей.

Магнитная система электромагнитных трансформаторов напряжения при отключениях ВЛ в течение приблизительно четверти периода рабочей частоты Т=0,02 с. насыщается и оказывает благоприятное влияние на коммутационные перенапряжения в двух аспектах:

а) снижает восстанавливающееся напряжение на контактах выключателя и снижает вероятность повторных зажиганий между ними;

б) полностью отводит в землю остаточный заряд за время паузы АПВ и обеспечивает нулевые начальные условия к моменту повторного включения линии.

Такое же благоприятное влияние оказывают силовые трансформаторы, подключенные к ВЛ по блочной или полублочной схемам, или по схеме глухого присоединения их к ВЛ, а также шунтирующие реакторы (в сетях 330 кВ. и выше). Однако при наличии на ВЛ силовых трансформаторов время стекания остаточных зарядов составляет ~ 0,5 е., шунтирующих реакторов - порядка ~ 3-^5 с.

Если время бестоковой паузы меньше чем указанные времена, то к моменту повторного включения на ВЛ окажется остаточное напряжение и не будут обеспечены нулевые начальные условия.

При отключениях (оперативных и АПВ) на межконтактный промежуток влияет разность напряжения со стороны сборных шин питающей подстанции иш и остающегося напряжения на ВЛ£/Й/.

Величина и0ь а также скорость и форма и„ определяются наличием или отсутствием на ВЛ индуктивных элементов между фазными проводами и землей. Это справедливо, если линия одноцепного исполнения и нет других влияющих на нее источников.

Если же линия двухцепного исполнения величина С/0 будет определяться как сумма и01 и I!02, где и02 дополнительно наведенное напряжение на проводах первой цепи от второй цепи. При этом максимальные перенапряжения при отключениях современными выключателями будут определены по формуле

и^=иа+{ии,-иа)Ру, (13)

где Ру - ударный коэффициент, теоретически без учета потерь на линии он равен Ру = 2.0, а с учетом потерь Р„ < 1.8

При этом абсолютно максимальные перенапряжения будут иметь место, если полярность 1]0 и ?/„, не совпадают.

Расчеты показали, что если не учитывать влияние второй цепи, 1]ПК1Х для ВЛ 330 кВ длиной 250 км при предвклгоченном индуктивном сопротивлении Хп~500м при отключениях равен итал=1,811ф, где Щ - фазное напряжение линии. При учете второй цепи итах^1,2итах^2,]биф. Если же на ВЛ установлены:

трансформаторы напряжения£/Ш(Н=/,5Иф силовые трансформаторыи'1тх~], 61/ф шунтирующие реакторы и'тах~1,611ф

Оперативные включения ВЛ происходят не при металлических замыканиях подвижных и не подвижных контактов выключателей, а в момент пробоя промежутка между их сходящимися контактами в различных средах (вакуум, газ, элегаз, масло). Разумеется, что в худшем случае включение линии может произойти в максимуме напряжения на шинах питающей подстанции.

Кроме того, как известно, любой выключатель (кроме полупроводникового) имеет разброс (неоднородность) полюсов при включениях. Поэтому на первой включенной фазе линии трехфазного исполнения итах1, будет отличаться от перенапряжений итал2 (второй) и ипшх} (третьей фазы).

итах2=инач2 + (иуст-инач2)Ру I (14)

^шахЗ = и»ач2 + ^уст ~ Vитъ)Ру ' О5)

где ^2=^1-2^x1; УначЪ ~ ЛЪ-З^тахЗ-

В этих формулах:

к\-г ' коэФФиЦиент электромагнитной связи между первой включенной и

второй фазой; ^ - то же между двумя включенными и третьей фазой.

Так если итах,~2.0, то для одноцепных линий гУ„М12=2.2; итах^2.4. Если же линия двухцепная при включении одной из цепей та\2 = V'нач2+(Ууст-и'нач2 )Ру>

^'тахЗ = и'начЗ+(.иуст -Vначз )Ру,

где У'нач! и и'нач2 - начальные напряжения на второй и третьей фазах с учётом влияния другой цепи.

Проведены расчёты для типовых опор ВЛ 35-330кВ. Оказалось, что в среднем с учётом и'нач\ = К\23-\и,тчЬ

и'нач2 = К\2Ъ-\и начЪ (16)

У'начЪ = Кт-\иначЗ>

где К\2з-1' К\гъ-2 и ^123-3" коэффициенты связи между фачами первой

второй и третьей фазы второй цепи и цепи, находящейся в работе. С учётом второй цепи для типовых опор ВЛ 35-К330кВ получено (в среднем):

V №3x2^2.4; (17)

^'тахЗ ~ 2-6'

То есть наличие второй включенной цепи значительно отражается в величине перенапряжений при коммутациях первой цепи 35-К330кВ.

Перенапряжения на второй цепи в цикле АПВ при симметричных отключениях в первой цепи приблизительно такие же, что и при оперативных (плановых) отключениях.

Что же касается отключений при несимметричных (однофазных и двухфазных) коротких замыканиях, то перенапряжения в первом

приближении будут в К,а раз больше, чем при отключениях в

симметричном трёхфазном режиме. Коэффициент Ккз называется коэффициентом однофазного заземления и определяется по формуле

К,.

УЗ(д2+а + 1)

кэ 2 + а ' (18)

где а=—, Х(), X] - индуктивные сопротивления по нулевой и прямой X]

последовательностям соответственно.

Обычно а < 3, так если а = 2, то к = Уз(22+2+_р = 421 = 458 =

кз 2 + 2 4 4

Большую опасность представляют перенапряжения в цикле включения АПВ. Их величина, как отмечалось выше, зависит от величины остающегося напряжения (У'д на коммутируемой цепи перед включением (после

безтоковой паузы АПВ I): Vо = £/0+дЕ/0.

Здесь ио - остающееся напряжение на коммутируемой цепи без учёта влияния работающей цепи, - дополнительное (наведенное) напряжение на коммутируемой цепи от цепи, находящейся в работе.

Как отмечалось, зависит от времени безтоковой паузы АПВ ^ЯВ, погодных условий (при отсутствии индуктивных элементов между фазными

проводами ВЛ и землёй), а также наличия на линии упомянутых индуктивных элементов.

В работе приведены статистические характеристики расчётной кратности перенапряжений для двухцепных линий 110-330 кВ. Коммутационные перенапряжения для двухцепных линий 35 кВ не актуальны.

Анализ данных этой главы о величине коммутационных перенапряжений на двухцепных линиях 35-^330 кВ показывает следующее:

• для двухцепных линий 35 кВ коммутационные перенапряжения не актуальны и поэтому влиянием одной цепи на другую не имеют значения;

• в сетях 110-К330 кВ для расчёта коммутационных перенапряжений на одной из цепей двухцепной линии влиянием другой цепи пренебречь нельзя, иначе это может привести к значительным перенапряжениям;

• на двухцепных линиях наибольшие напряжения могут иметь место при АПВ и при отсутствии на них индуктивных элементов в виде электромагнитных трансформаторов напряжения, шунтирующих реакторов и силовых трансформаторов, независимо от схем их подключения к ДВЛ (блочная или полублочная, а также схема с глухим подключением силовых трансформаторов к ДВЛ);

• подключение к ДВЛ электромагнитных трансформаторов напряжения, шунтирующих реакторов и силовых трансформаторов оказывает благоприятное влияние на перенапряжения:

а) снижая скорость восстанавливающегося напряжения на контактах выключателей, снижает вероятность возникновения опасных повторных зажиганий;

б) снижает остаточный зарвд на линии до величины, обеспечивая практически нулевые начальные условия в цикле включения АПВ. Это приводит к тому, что статистические характеристики кратности перенапряжений при АПВ практически совпадают с таковыми при оперативных включениях.

В заклгоченпиприволятся основные результаты работы. В приложении приведены результаты расчетов и акты внедрения работы в предприятиях, проектных организациях и учебном процессе.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана математическая модель двухцепной воздушной линии электропередачи, которая учитывает электромагнитные взаимовлияния цепей и грозозащитного троса. Данная модель реализована на основе многопроводиой схемы замещения.

2. Разработаны методики расчета установившихся режимов электрических систем с двухцепными линиями. В основу методик положена математическая модель ДВЛ, в многопроводной схеме замещения которой продольная часть

представлена в Z или Y - форме. Даны рекомендации по использованию разработанных методик.

3. Разработаны подходы к эквивалентному переходу от многопроводной схемы замещения ДВЛ к соответствующей однолинейной схеме.

4. Предложена методика определения наведенных напряжений на ремонтируемых линиях с учетом различных вариантов заземления фазных проводов на рабочем месте.

5. Разработаны схемы грозозащиты ДВЛ 35-220 кВ в условиях, когда традиционные меры молниезащиты (диктуемые ПУЭ) не эффективны. В этих случаях должны применяться альтернативные методы молниезащиты: установка ОПП на опорах ВЛ, монтаж дополнительного молниезащитного троса, иногда безтросоваямолниезащига линий.

6. Для определения частоты установки ОГ1Н на ВЛ осуществлён переход от усреднённого количества грозовых отключений к неоднородному распределению отключений по длине линии. При установке ОПН, наибольшее снижение отключений происходит на опоре с установленным аппаратом. Степень снижения NomK4 на соседних опорах зависит от многих параметров линии: сопротивлений заземлений опор, длин пролётов и т.д., но в общем случае «зона защиты» ограничителя невысока и не превышает 2 опор. При эксплуатации ВЛ без тросов на вершинах опор, ограничители должны быть установлены на верхних фазах каждой опоры.

7. Определены условия при коммутациях одной фаз. Для двухцепных линий 35 кВ коммутационные перенапряжения не актуальны и поэтому влиянием одной цепи на другую не имеют значения. В сетях 110^330 кВ для расчёта коммутационных перенапряжений на одной из цепей двухцепной линии влиянием другой цепи пренебречь нельзя, иначе это может привести к значительным перенапряжениям. На двухцепных линиях наибольшие напряжения могут иметь место при АПВ и при отсутствии на них индуктивных элементов в виде электромагнитных трансформаторов напряжения, шунтирующих реакторов и силовых трансформаторов, независимо от схем их подключения к ДВЛ (блочная или полублочная, а также схема с глухим подключением силовых трансформаторов к ДВЛ).

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях

Статьи, опубликованные в репетируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК:

1. Ведерников A.C., Алексеева И.Ю., Степанов В.П. Метод экспоненциального сглаживания линии тренда временного ряда в сочетании с методом индексов сезонности при краткосрочном прогнозировании электропотребления. // Вестник СамГГУ, серия «Технические науки» - Самара: СамГТУ, 2008. №21. С. 137-143.

2. Ведерников A.C., Гофман A.B., Добросотских A.C. Определение набора входных данных для искусственной нейронной сети, выполняющей прогнозирование электропотребления Самарской энергосистемы. // Изв. вузов. Электромеханика. - 2009. - Спецвыпуск «Электроснабжение». - С. 30-31.

3. Ведерников A.C., Алексеева И.Ю., Шелушенина О.Н. Определение весовых коэффициентов нейронной сети прямого распространения при прогнозировании электропотребления Самарской энергосистемы. // Изв. вузов. Электромеханика. - 2009. - Спецвыпуск «Электроснабжение». - С. 32-33.

4. Ведерников A.C.,, Гольдштейн В.Г., Халилов Ф.Х.К вопросу о моделировании систем грозозащитыдвухцепных ЛЭП 35 ^ 220 кВ. // Изв. вузов. Электромеханика. -2011. -№3.~ С. 38-40.

5. Ведерников A.C., Гайнуллин Р.А, Илюткин Д.В. Эффективность работы двухцепных линий электропередачи, представленных в установившихся режимах многопроводными схемами замещения. // Изв. вузов. Электромеханика. -

2011. -№3. - С. 32-34.

6. Ведерников A.C., Алексеева И.Ю., Скрипачев МО.Прогнозирование электропотребления с использованием метода искусственных нейронный сетей. // Вестник СамГТУ, серия «Технические науки» - Самара: СамГТУ, 2010. №27 С. 135-138.

7. Ведерников A.C., Гайнуллин P.A., Шишков £.МПрименение теории обобщённых четырехполюсников для расчета установившихся режимов двухцепных воздушных линий электроперсдачи.//«Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики», - Казань: КГЭУ, 2011. №5-6. С. 86-90.

8. Ведерников A.C., Гольдштейн В.Г., Илюткин Д.В., Шишков £.МОценка показателей эффективности работы двухцепных воздушных линий электропередачи с помощью многопроводных схем замещения. // «Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики», - Казань: КГЭУ, 2011. №7-8. С. 57-61.

9. Ведерников A.C., Гольдштейн В.Г., Шишков А/. Методика расчёта установившихся режимов много-цепных воздушных линий электропередачи. //Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - Новосибирск,

2012. -№1.- С. 400-403.

10. Ведерников A.C., Гофман A.B., Шелушенина О.//.Применение скользящего смещения средней темпера-туры при прогнозировании электропотребления. // Вестник СамГТУ, серия «Технические науки» - Самара: СамГТУ, 2012. №1 (33). С. 114-118.

11. Ведерников A.C. Анализ специфики внутренних перенапряжений на двухцепных линиях 35-330 кВ // Известия Томского политехнического университета - Томск: изд-во ТПУ, 2012, №4. Том 320 - С. 67-71.

12. Ведерников A.C., Гофман A.B., Ведерникова Я С. Повышение точности краткосрочного и оперативного прогнозирования электропотребления энергосистемы с применением искусственной нейронной сети. // Электрические станции. 2012. №7-С. 36-41.

13. Ведерников A.C., Гольдштейн В.Г., Шишков М.А., Шишков Е.М. Анализ эффективности грозозащитыдвухцепных воздушных линий электропередачи. // ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электро-техническая промышленность. - М. - 2012. - №4. - С. 45-49.

В монографии:

14. Ведерников A.C., Гольдштейн В.Г., Халилов Ф.Х.Повышение надежности и энергоэффективпостидвухцепных линий электропередачи. // М.: Энергоатом-издат, 2010.-272 с.

В прочих изданиях:

15. Ведерников A.C., Лапшина И.С. Сравнение методов прогнозирования электрических нагрузок. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез.докл. 13-ой междунар. науч. - техн. конф. студентов и аспирантов. М.: Изд. дом МЭИ, 2007. - С. 279 - 280.

16. Ведерников A.C., Алексеева И.Ю., Бахонин A.A. Прогнозирование режимных параметров и характеристик потребления электроэнергии на базе технологий искусственного интеллекта. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез.докл. 14-ой междунар. науч. - техн. конф. студентов и аспирантов. М.: Изд. дом МЭИ, 2008. - С. 244 - 245.

17. Ведерников A.C., Алексеева И.Ю., Степанов В.П. Метод Сааренда в исследовании динамики бытового электропотребления населением г. Чапаевска Самарской губернии. // Электротехнические системы и комплексы. Межвуз. сб. науч. тр. №15. - Магнитогорск: Изд. МагГТУ, 2008. - С. 196 - 201.

18. Ведерников A.C., Проскурин B.C. Совершенствование методов прогнозирования электрических нагрузок в электротехнических комплексах и системах. // Наука и производство 2009: материалы медунар. науч.-практ. конф. Брянск: БГТУ, 2009.-4.2. С. 212 -214.

19. Ведерников A.C., Проскурин B.C. Экономические предпосылки совершенствования методологии электротехнических комплексов и систем прогнозирования потребления электрических нагрузок. // Экономика и управление: теория, методология, практика: материалы медунар. науч.-техн. конф. Самара: Сам-ГТУ, 2009. - Т.2. С. 99 - 103.

20. Ведерников A.C., Гофман A.B., Ведерникова Е.С. Повышение эффективности прогнозирования электропотребления Самарской энергосистемы. // Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов: сб. трудов междунар. науч.-техн. конф. студ., магистр.иасп. Тольятти: ТГУ, 2009. - С. 34 — 35.

21. Ведерников A.C., Проскурин B.C.,Ведерникова Е.С. Совершенствование методологии прогнозирования электропотребления электрических систем .//«Диспетчеризация в электроэнергетике: проблемы и перспективы»: материалы 4-ой открытой молодежной науч.-практ. конф. Казань: КГЭУ, 2010. - С. 56-59.

22. Ведерников A.C., Гофман A.B., Ведерникова Е.С Выбор состава обучающей выборки для искусственной нейронной сети в задаче прогнозирования электропотребления. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез.докл. 16-ой междунар. науч. - техн. конф. студентов и аспирантов. М.: Изд. дом МЭИ, 2010.-С. 379-380.

23. Ведерников A.C.,, Шишков ЕМУточнённое определение потерь мощности в ЛЭП 35-220 кВ. // Наука. Технологии. Инновации. Материалы всероссийской науч. конф. молодых ученых в 4-х частях. Новосибирск. Изд-во НГТУ, 2010. Часть 2-С. 139-141.

24. Ведерников A.C., Проскурин B.C.Развитие информатизации прогнозирования потребления электроэнергетических систем.//Новые технологии и информатизация общества. Материалы 5-й междунар. науч. - практ. конф. молодых ученых. Караганда. Изд-во Болашак-Баспа, 2010. Том 1 - С. 342 - 344.

25. Ведерников A.C., Шишков Е.М., Гольдштейн В.Г.Анализ и определение направлений оптимизации режимов работы двухцепных воздушных ЛЭП 35-220 кВ с использованием многопроводных схем замещения.//Электроэнергетика глазами молодежи: науч. труды всерос. науч. - техн. конференции: Сб. статей. В 2 т. Екатеринбург: УРФУ, 2010. Т. 1. - С. 80 - 85.

26. Ведерников A.C., Гофман A.B., Гольдштейн В.Г. Учет температуры наружного воздуха при создании искусственной нейронной сети в задаче краткосрочного прогнозирования электропотребления Самарской энергосистемы. // Электроэнергетика глазами молодежи: науч. труды всерос. науч. - техн. конференции: Сб. статей. В 2 т. Екатеринбург: УРФУ, 2010. Т. 1. - С. 334 - 338.

27. Ведерников A.C., Алексеева И.Ю.Использование нейротехнологий для повышения эффективности управления электротехническими комплексами в условиях функционирования оптового рынка электроэнергии. // «Диспетчеризация в электроэнергетике: проблемы и перспективы»: материалы 5-ой открытой молодежной науч.-практ. конф. Казань: КГЭУ, 2011. Т 2. - С. 93 - 95.

28. Ведерников A.C., Шишков ЕМ.Уточнение параметров схемы замещения двухцспной воздушной липии.//«Диспетчеризация в электроэнергетике: проблемы и перспективы»: материалы 4-ой открытой молодежной науч.-практ. конф. Казань: КГЭУ, 2011. - С. 96 - 100.

29. Ведерников A.C., Ведерникова Е.С., Шишков Е.ММетод фазных координат в расчётах установившихся режимов двухцепных ЛЭП. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез.докл. 17-ой междунар. науч. - техн. конф. студентов и аспирантов. М.: Изд. дом МЭИ, 2011. Т. 3. -С.312-314.

30. Ведерников A.C., Гофман A.B.Распределение алгоритма прогнозирования электропотребления по территории энергосистемы на уровень энергообъек-тов.//Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах: сб. статей II межд. Науч.-практ. конф. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2011. - С. 18 - 22.

31. Ведерников A.C., Степанов В.П. Подшивалова Н.В. Шишков Е.М.Оценка несимметрии напряжения двухцепной воздушной линии электропереда-чи.//Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах: сб. статей II межд. Науч.-практ. конф. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2011. - С. 9 - 12.

32. Ведерников A.C., Степанов В.П., Подшивалова Н.В., Шишков Е. М. Уточнение расчётных значений потерь электрической мощности в несимметричных воздушных линиях электропередачи.//Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах: сб. статей II межд. Науч.-практ. конф. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2011. - С. 12 - 14.

33. Ведерников A.C., Гольдштейн В.Г., Шишков £.МЛнализ и определение направлений оптимизации режимов работы двухцепных воздушных ЛЭП 35-220 кВ с использованием многопроводных схем замещения.//Оперативное управление в электроэнергетике. Изд. Дом «Панорама» М.: Промиздат. 2011. №2. С. 31 -36.

34. Vedernikov A.S., Goldshtein KG.Increase of Power Efficiency of Electric Networks with Two-Chain Transmission Lines.//Proceedings of the 6th International

Scientific Symposium on Electrical Power Engineering ELEKTROENERGETIKA 2011, 21.-23. 9. 2011, StaräLesnä, Slovak Republic. 418 P. pp. 231-233

35. A. Vedernikov, E. Shishkov, V. Goldstein, N. PodshivalovaA calculation of steady-state condition of compact-combined power transmission line using phase-coordinate method.//XIII International Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems ELMA 2011. October 2011, Varna, Bulgaria. Proceedings. 346 P. pp. 215-221

36. Ведерников A.C., Гофман A.B., Ромаданова M S. Обеспечение точности исходных данных для расчета режимов двухцепных ЛЭГ1 в электрической се-ти.//Электроэнергетика глазами молодежи: науч. труды междунар. науч. - техн. конференции: Сб. статей. В 3 т. Самара: СамГТУ, 2011. Т. 1. - С. 159 - 164.

37. Гольдштейн В.Г., Подшивалова Н.В., Шишков Е.М.Расчет в фазных координатах установившегося режима двухцепных воздушных линий электропере-дачи.//Электроэнергетика глазами молодежи: науч. труды междунар. науч. -техн. конференции: Сб. статей. В 3 т. Самара: СамГТУ, 2011. Т. 1. - С. 244 - 252.

38. Ведерников A.C., Алексеева И.Ю.Определение набора входных данных искусственной нейронной сети при краткосрочном прогнозировании электропо-требления.//Электроэнергетика глазами молодежи: науч. труды междунар. науч. - техн. конференции: Сб. статей. В 3 т. Самара: СамГТУ, 2011. T. I. - С. 253 -255.

39. Ведерников A.C., Гольдштейн В.Г., Подшивалова Н.В., Шишков Е.М. Определение потерь и падений напряжения двухцепной ЛЭП с использованием метода фазных координат.//Электроэнергетика глазами молодежи: науч. труды междунар. науч. - техн. конференции: Сб. статей. В 3 т. Самара: СамГТУ, 2011.T. 1.-С. 413-417.

40. Ведерников A.C., Гольдштейн В.Г., Подшивалова Н.В., Шишков Е.М.Расчёт установившихся несимметричных режимов многоцепных воздушных линий электропередачи.//Электрические аппараты и электротехнические комплексы и системы. Сборник трудов международной научно-практической конференции. В 2 т. Ульяновск: изд-во УлГТУ, 2011, Т. 1. - С. 219 - 222.

41. Ведерников A.C.,, Подшивалова Н.В., Шишков ЕМ Математическая модель несимметричных режимов многоцепных воздушных линий электропереда-чи.//Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез.докл. 18-ой междунар. науч. - техн. конф. студентов и аспирантов. М.: Изд. дом МЭИ, 2012. Т. 4. - С. 342-343.

42. Ведерников A.C., Подшивалова КВ., Шишков Е.М.Расчет потерь мощности в двухцепных воздушных линиях электропередачи.//Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез.докл. 18-ой междунар. науч. - техн. конф. студентов и аспирантов. М.: Изд. дом МЭИ, 2012. Т. 4. - С. 344 - 345.

43. Ведерников A.C., Гольдштейн В.Г., Шишков Е.М Коммутационные перенапряжения на двухцепных линиях электропередачи 35^220 кВ при автоматическом повторном включении.//В сб.: Современная наука: тенденции развития: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. 24 января 2012 г.: Сборник научных трудов. - Краснодар, 2012. - 314 с. С. 266-268.

44. Ведерников A.C., Гольдштейн В.Г., Шишков Е.М. Анализ и определение направлений оптимизации режимов работы двухцепных воздушных ЛЭП 35-220

kB с использованием многопроводных схем замещения. // Оперативное управление в электроэнергетике. Подготовка персонала и поддержание его квалификации. - 2011.-№ 2. - С. 31-36.

45. Ведерников A.C., Гопьдштейн В.Г., Шишков Е.М.Коммутационные перенапряжения на двухцепных воздушных линиях 35-330 кВ.//Автоматизация и IT в энергетике. №3(32), М„ 2012. - С. 31-35.

46. Ведерников A.C., Гопьдштейн В.Г., Шишков Е.М.Математическое моделирование систем грозозащитыдвухцепных линий электропередачи 35-220 кВ .//Достижения и перспективы естественных и технических наук: материалы I Междунар. науч.-практ. конф. - Ставрополь: Центр научного знания «Логос», 2012.-С. 120-124.

47. Ведерников A.C., Гопьдштейн В.Г., Шишков Е.М. Уточнение моделей установившихся режимов многоцепных линий электропередачи. // Электрика. №4, Москва- 2012.-С. 26-31.

48. Ведерников A.C., Ведерникова Е.С., Шишков Е.М. Об особенностях расчёта установившихся режимов комбинированных воздушных линий электропередачи // Материалы докладов VII Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» / Под общ.ред. капд. техн. наук Э.Ю. Абдулла-зянова. В 4 т.; Т. 1. - Казань: Казан.гос. энерг. ун-т, 2012. - 280 с. - С. 46-47.

49. Ведерников A.C., Ведерникова Е.С., Шишков Е.М. Определение коэффициентов несимметрии по напряжению в двухцепных линиях электропередачи // Материалы докладов VII Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» / Под общ.ред. канд. техн. наук Э.Ю. Абдуллазянова. В 4 т.; Т. 1. - Казань: Казан.гос. энерг. ун-т, 2012. - 280 с. - С. 47-48.

50. Ведерников A.C., Гопьдштейн ВТ., Шишков Е.М. Определение числа грозовых отключений двухцепных ЛЭП с помощью статистического моделирования по методу Монте-Карло // Электрические аппараты и электротехнические комплексы и системы: Международная научно-практическая конференция (Россия, г. Ульяновск, 22-25 мая 2012 года). В 2 т. Т.2. - Ульяновск: УлГТУ, 2012. -421 с.-С. 42-44.

Личный вклад автора. Основные научные результаты, включенные в диссертацию, опубликованы в 50 работах, написанных автором лично и в соавторстве. В них автору принадлежат: общая постановка научных проблем, путей и методов построения основных решений [1-4, 9-21], реализация математических моделей[5-7, 22-34]. В работах [8, 35-50] - постановка задач, выполнение расчетов и обобщение результатов расчётов и исследований.

Разрешено к печати диссертационным советом Д 212.285.03 Протокол № 1 от 14.01.2013

Заказ № 3? . Формат 60x84 1/16. Бумага тип. №1. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 100 экз.

Самарский государственный технический университет. Отдел типографии и оперативной полиграфии. 443100, г. Самара, Молодогвардейская ул. 244, Главный корпус

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет

05201350824 ¿^/^ ^ РуК0ШСи

ВЕДЕРНИКОВ^^ссандр Сергеевич

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИК АНАЛИЗА РЕЖИМОВ НЕСИММЕТРИЧНЫХ ДВУХЦЕПНЫХ ВОЗДУШНЫХ

ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Специальность 05.14.02 - «Электрические станции и электроэнергетические

системы»

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант -доктор технических наук Гольдштейн В.Г.

Самара 2012

Оглавление

Глава 1. Совершенствование концепции анализа процессов в двухцепных линиях электропередачи.......................................................................13

1.1. Современное состояние вопроса анализа эксплуатационных процессов двухцепных воздушных линий электропередачи, как особых элементов электроэнергетических систем................................................................13

1.2. Характерные особенности несимметричных многопроводных двухцепных воздушных линий электропередачи.........................................14

1.3. Вопросы классификации двухцепных линий 35-220 кВ.................18

1.4. Электромагнитная совместимость двухцепных линий 35-220 кВ и пути её обеспечения в стационарных и нестационарных режмах при проектировании и эксплуатации.............................................................21

1.5. Предпосылки повышенного уровня аварийности и проблема обеспечения надежности двухцепных линий 35-220 кВ...............................25

1.6. Способы обеспечения молниезащиты двухцепных несимметричных воздушных линий электропередачи.........................................................33

1.7. Выводы по первой главе и постановка задачи диссертационного исследования......................................................................................37

Глава 2. Математическое моделирование двухцепной воздушной линии электропередачи в установившемся режиме...............................................38

2.1. Уравнения состояния и определение параметров воздушной ДВЛ на основе теории электромагнитных полей....................................................39.

2.2. Методы фазных координат и симметричных составляющих для решения уравнений состояния воздушной ДВЛ в многопроводной постановке...45

2.3. П-образная многополюсная структура, как схема замещения двухцепной воздушной линии в многопроводной постановке........................47

2.4. Определение параметров П-образной многополюсной схемы замещения многопроводной ДВЛ...........................................................................52

2.5. Приближенное эквивалентирование многопроводной двухцепой воздушной линии однолинейной схемой замещения.....................................73

2.6. Определение прогнозных значений электрических нагрузок ДВЛ.....80

2.7. Выводы по второй главе...........................................................94

Глава 3. Физико-математическое моделирование установившихся режимов многопроводной двухцепной воздушной линии..........................................95

3.1. Физико-математическое моделирования установившегося режима двухцепной воздушной линии в Z-форме, Y-форме и форме обобщённого четырёхполоюсника............................................................................95

3.1.1. Решение уравнений УР ДВЛ в Z-форме....................................95

3.1.2. Решение уравнений УР ДВЛ в Y-форме....................................99

3.1.3. Представление и решение уравнений состояния ДВЛ в виде уравнений обобщенного четырехполюсника..........................................107

3.2. Построение уравнений УР для сетей большого топологического объема, содержащих воздушные ДВЛ, табличными методами...............................111

3.3. Алгоритмы решения задач УР в фазных координатах с использованием табличных операторов.......................................................................122

3.4. Методика, алгоритм и программный пакет оценки прогнозных значений электропотребления на основе ИНС........................................................129

3.5. Сравнение результатов расчёта установившегося режима различными методами на примере линий ОЭС Средней Волги....................................145

3.6. Выводы по третьей главе.........

151

Глава 4. Грозовые перенапряжения на двухцепных воздушных линиях и защита от них..................................................................................153

4.1. Математическое моделирование двухцепной воздушной линии 35-330 кВ..................................................................................................153

4.2. Математические модели опоры двухцепной воздушной линии при возникновении различных видов грозовых перенапряжений........................162

4.3. Моделирование подвесного OIIH и системы «линия - ОПН - опора». 180

4.4. Результаты исследования нетрадиционной грозозащиты двухцепных линий электропередачи......................................................................185

4.5. Методика технико-экономического обоснования способов грозозащиты двухцепных линий электропередачи.....................................................223

4.6. Выводы по четвертой главе....................................................226

Глава 5. Внутренние перенапряжения на двухцепных воздушных линиях и

защита от них....................................................................................227

5.1. Классификация внутренних перенапряжений на двухцепных воздушных линиях..............................................................................................227

5.2. Перенапряжения при оперативных отключениях и отключениях коротких замыканий на двухцепных воздушных линиях............................229

5.3. Перенапряжения при оперативных включениях..........................230

5.4. Перенапряжения при автоматическом повторном включении...........232

5.5. Выводы по пятой главе..........................................................237

Заключение...............................................................................238

Список литературы.....................................................................240

Приложение 1...........................................................................271

Приложение II..........................................................................276

Введение

Создание и эксплуатация электрических сетей (ЭС) в современных условиях является важной научно-технической проблемой и требует решения большого числа разнообразных задач проектирования и диспетчерского управления режимами.

Важное место среди них занимают научные, технические, экономические и организационные задачи повышения надежности таких специфичных электроустановок, как двухцепные воздушные линии (ДВЛ) электропередачи.

В современных условиях при растущем повышении требований к точности моделирования стационарных и переходных режимов работы ЭС, в том числе содержащих ДВЛ, определяет необходимость научных исследований, подробного изучения и практических рекомендаций по учету влияний характерной несимметрии этих электроустановок. Наиболее существенно в установившихся режимах несимметрия ДВЛ проявляется при раздельной работе цепей ДВЛ, когда они питаются от различных источников и доставляют электроэнергию различным потребителям, особенно при противоположных направлениях потоков мощности по цепям.

Не менее важен учет взаимной связи между цепями при управлении статическими режимами и анализе потерь электроэнергии с точки зрения энергосбережения и энергоэффективности и организации эксплуатации, а также анализе электромагнитной совместимости (ЭМС) и надежности ДВЛ в процессах, связанных с атмосферными и внутренними перенапряжениями.

Анализ происхождения, распространения и последствий воздействий перенапряжений - это ключевые проблемы ЭМС ответственных ДВЛ, которые требуют тщательного физического и технико-экономического анализа. Он основан на определении характеристик работоспособности и надёжности ДВЛ в условиях разнообразных электромагнитных процессов и воздействий. При этом используются государственные стандарты, нормативные документы, результаты экспериментальных исследований, математического и, прежде всего компьютерного моделирования, данные эксплуатации, а также результаты

прогнозирования названных характеристик для вновь создаваемых и реконструируемых объектов.

Совершенствование методов анализа установившихся и переходных режимовДВЛ с учетом их физических особенностей (в частности, реальной несимметрии) диктуются необходимостью принятия обоснованных решений при проектировании, модернизации, стратегии и тактики капитальных ремонтах и, наконец, при выводе из эксплуатации. Это определяет технические и схемные мероприятия, позволяющие снизить уровни эксплуатационных физических воздействий (ЭФВ), опасных с точки зрения нарушения ЭМС и, соответственно, повысить надёжность работы ДВЛ.

Сказанное выше определяет актуальностьтемы и проблемы диссертации, а также основные направления практического применениям результатов.

Цель работы и задачи исследований - развитие методологии решения комплекса научных и технических проблем в области теории и практики использования двухцепных воздушных линий электропередачи в электрических системах. При этом направление исследования определяется как устранение имеющихся в настоящее время недостатков в решении задач анализа, планирования режимов и снижение аварийности ДВЛ.

Научные задачи.

1. Обоснование и разработка уточненных математических моделей ДВЛ, учитывающих несимметрию и электромагнитное взаимовлияние цепей линии.

2. Развитие и разработка многопроводной схемы замещения для анализа установившихся режимов ДВЛ.

3. Разработка уточненных математических моделей и определение начальных условий при внешних и внутренних перенапряжениях.

4. Разработка и применение нетрадиционных безтросовых схем грозозащиты ДВЛ 35-220 кВ с использованием подвесных ОПН.

5. Математическое моделирование опор ДВЛ, устройств

грозозащиты и комплексов «провод - подвесной ОПН - опора», для оценки показателей надежности ДВЛ.

6. Анализ влияния особенностей конструкции ДВЛ на характер и величины внутренних перенапряжений. Практические задачи.

1. Разработка модели и программы расчета установившихся режимов ДВЛ ЭС, учитывающей взаимное влияние цепей друг на друга.

2. Определение статистических характеристик грозовых и коммутационных перенапряжений ДВЛ и разработка рекомендаций для их уменьшения.

3. Усовершенствование схем защиты от перенапряжений ДВЛ 35220 кВ.

Научная новизна работы заключается в разработке методологии решения задач повышения надежности и энергоэффективности ЭС, возникающих в процессе эксплуатации и проектирования. К числу результатов, обладающих новизной, относятся.

• Уточненные математические модели ДВЛ, учитывающие несимметрию и электромагнитное взаимовлияние цепей линии.

• Математические модели стационарных и переходных процессов с учетом конкретных видов исполнения ДВЛ.

• Моделирование специфических электромагнитных процессов, возникающих при ударах молнии в систему провода - тросы ДВЛ

• Моделирование и исследование комплекса мер защиты электрических сетей высокого напряжения с ДВЛ от перенапряжений с помощью подвесных ОПН, а также выработка рекомендаций по их применению и обеспечению надёжной эксплуатации.

Практическая ценность работы.

• Разработаны алгоритм и компьютерная модель расчета установившихся и переходных режимов работы ДВЛ ЭС, учитывающая несимметрию и электромагнитное взаимовлияние цепей друг на друга и земли.

• Разработка подхода к приближенному эквивалентированию ДВЛ представленной многопроводной схемой замещения, вместо традиционной однолинейной схемы замещения.

• Разработка рекомендаций по выбору установки подвесных ОПН на опорах линии для определения характеристик грозовых и коммутационных перенапряжений ДВЛ.

Основные положения, выносимые на защиту.

• Математические модели и методики, предназначенные для расчета установившихся и переходных режимов ДВЛ.

• Методика преобразования многопроводной схемы замещения к эквивалентной однолинейной схеме ДВЛ.

• Математическая модель процессов воздействия грозовых и внутренних перенапряжений и защитные средства от них на ДВЛ.

Обоснованность и достоверность 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 расчетных результатов с полученными на реальных объектах.

Связь работы с научными программами, планами, темами, грантами.

Настоящая диссертационная работа выполнялась в рамках научно-технической программы СамГТУ "Энергосбережение и управление энергоэффективностью" на 2005-2010 гг. (Решение ученого совета от 30.03.01, протокол №7) в рамках основных направлений программы "Энергосбережение" Минобразования России до 2010 г., а также в рамках тематических планов СамГТУ на 2011 и 2012 годы: работа на тему «Разработка математической модели трёхфазных несимметричных электротехнических систем высокого напряжения» (per. № 01201157430 от 22.04.2011) и «Разработка информационно-аналитической модели для

оптимизации режимов работы систем управления уровнем потерь и организации энергосберегающих технологий в электротехнических комплексах и системах электроснабжения» (per. № 7.797.2011 от 2012 года).

Объектом исследования является высоковольтная двухцепная воздушная линия электропередачи.

Методы исследований. При выполненииданного

исследованияиспользованметоды математического анализа и моделирования, уравнения математической физики, теория искусственных нейронных сетей, теории вероятности и математической статистики.

Аналитическиевыводыявляютсябазисом для разработки расчётныхмоделей и методик. Натурные исследования проводились на реальных электроэнергетических объектах. Оценка корректности моделирования производилась путем сравнения с результатами, полученными по данным эксплуатации ЭС.

Реализация результатов работы. Результаты представленной диссертационной работы реализованы в ряде проектов, выполненных за последние 10 лет под руководством и при непосредственном участии автора на энергетических предприятиях. Результаты 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«Автоматизированные электроэнергетические системы» и «Электрические станции»Самарского государственного технического университета, а также кафедр «Электрические сети и электротехника» и «Электроэнергетические системы» Томского политехнического университета.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: Международных научн.-техн. конференциях «Радиотехника, электротехника и энергетика», НИУ МЭИ, (г. Москва, 1999-2011 гг.); XXIII сессии Всероссийского научного семинара «Электроснабжение промышленных предприятий», (г. Новочеркасск, 2002 г.); международном симпозиуме

«Надежность и качество» (г. Пенза, 2003 г.), на 13 межвузовской конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2003 г.), на III международной научно-практической конференции «Энергосистема: управление, конкуренция, образование» (г. Екатеринбург, 2008 г.); на международной научно-практической конференции «Наука и производство 2009» (г. Брянск, 2009 г.);на международной научно-технической конференции «Экономика и управление: теория, методология, практика» (г. Самара, 2009 г.); на международной научно-технической конференции «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (г. Тольятти, 2009 г.); на 4 и 5 открытой молодежной научно-практической конференции «Диспетчеризация в электроэнергетике: проблемы и перспективы» (г. Казань, 2009, 2010 гг.); на международной конференции «Проблемы повышения эффективности и надежности электрических сетей и систем электроснабжения предприятий нефти и газа» (г. Самара, 2010 г.); на Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (г. Екатеринбург, 2010 г.); на П международной научно-практической конференции «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» (г. Пенза, 2011 г.); на международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (г. Самара, 2011 г.), на ХШ международной конференции по электрическим машинам, устройствам и электрическим сетям (г. Варна, Болгария, 2011 г.), на международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (г. Екатеринбург, 2012 г.).

Помимо этого, материалы диссертации выступали предметом обсуждения на научно-технических семинарах, проводимых кафедрами « Автоматизированные электроэнергетические системы» и «Электрические станции» ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет за период с 2005 по 2012 годы.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 50 печатных работ из которых: одна монография в центральном издательстве, 13 в реферируемых ВАК

изданиях, 30 -в трудах региональных, всероссийских и международных научно-технических конференций и семинаров.

Структура и объ