Основные сведения о линиях электропередачи. Схемы замещения и параметры элементов линий электропередачи. Векторные диаграммы линий электропередачи

Лекция № 3 Основные сведения о линиях электропередачи. Схемы замещения и параметры элементов линий электропередачи. Векторные диаграммы линий электропередачи План 1. Воздушные линии электропередачи (ВЛЭП). 2. Кабельные линии электропередачи (КЛЭП). 3. Электрические схемы замещения линий электропередачи. 4. Векторные диаграммы линий электропередачи (на самостоятельное изучение). 1. Воздушные линии электропередачи Электрической воздушной линией электропередачи (ВЛЭП) называется устройство, предназначенное для передачи электрической энергии по проводникам, расположенным на открытом воздухе и прикрепленным при помощи изоляторов и арматуры к опорам или кронштейнам инженерных сооружений. К основным элементам воздушной линии электропередачи относятся: 1. провода (служат для передачи электроэнергии, монтируются на опорах с помощью кронштейнов); 2. грозозащитные тросы (служат для защиты линии от атмосферных перенапряжений, монтируются в верхней части опоры); 3. опоры (служат для поддержки проводов и тросов на определенной высоте над поверхностью); 4. изоляторы (служат для изоляции проводов от тела опоры и кронштейнов); 5. арматура (для закрепления проводов на изоляторах, изоляторов на опоре и т.д.). По конструктивному исполнению различают одноцепные и двухцепные линии электропередачи. Под цепью понимается три провода (трехфазная сеть) одной линии электропередачи. Конструктивная часть воздушной линии электропередачи характеризуется типами опор, длинами пролетов, габаритными размерами, конструкцией фазы и типами гирлянд изоляторов. По типу опор воздушные линии электропередачи делятся на промежуточные и анкерные. Промежуточные и анкерные опоры отличаются способом подвески проводов. На промежуточной опоре провода подвешиваются с помощью поддерживающих гирлянд изоляторов. На анкерной опоре провода закреплены жестко и натянуты до определенного тяжения, с помощью натяжной гирлянды изоляторов (как показано на рисунке 1). 1 1 2 3 4 2 3 4 а б 1 – траверса; 2 – гирлянда изоляторов; 3 – зажим; 4 - провод Рисунок 1 – Крепление проводов на промежуточной (а) и анкерной (б) опорах По назначению, различают опоры угловые, концевые и специального назначения. По материалу опор, различают деревянные (применяются при напряжениях до 220 кВ, включительно), железобетонные (применяются при напряжениях 6-330 кВ) и металлические (применяются при напряжениях от 35 кВ и выше). На воздушных линиях электропередачи чаще всего применяют неизолированные провода и тросы. Поэтому материал проводов и тросов, кроме хорошей проводимости, должен быть устойчивым к коррозии, обладать определенной механической прочностью. Для проводов и тросов воздушных линий электропередачи применяют следующие материалы: 1. медь; 2. алюминий; 3. сталь; 4. сплавы алюминия и меди с другими металлами (железом, магнием, кремнием и т.д.). По конструкции проводов различают: 1. однопроволочные, состоящие из одной проволоки сплошного сечения; 2. многопроволочные из одного металла (либо сплава); 3. многопроволочные из двух металлов (чаще всего сердечник выполнен из прочного металла, токопроводящие повивы – из хорошо проводящего металла). Провода воздушных линий электропередачи располагают на опоре различными способами: 1. на одноцепных опорах – треугольником или горизонтально; 2. на двуцепных опорах – обратной елкой или шестиугольником в виде «бочки». 2 2 1 а 2 1 1 2 1 б в 1 – провода ВЛЭП; 2 – грозозащитные тросы 1 1 г Рисунок 2 – Расположение проводов на опоре: а – треугольником; б – горизонтально; в – обратной елкой; г – бочкой Как видно из рисунка 2, во всех вариантах наблюдается несимметричное расположение проводов друг к другу, поэтому, для выравнивания реактивного сопротивления и емкостной проводимости по фазам применяют транспозицию проводов, то есть меняют расположение проводов на опорах (рисунок 3). фаза А фаза С фаза В фаза А фаза В фаза В фаза С фаза В фаза С фаза А фаза А фаза С Рисунок 3 – Транспозиция проводов на ВЛЭП 2. Кабельные линии электропередачи Кабельная линия электропередачи (КЛЭП) – это электроустановка, предназначенная для передачи электроэнергии, состоящая из одного или нескольких кабелей. Кабель – это изолированная по всей длине металлическая жила (или нескольких жил), поверх которой наложены защитные покровы. Преимущества кабельной линии электропередачи по сравнению с воздушной: 1. неподверженность атмосферным воздействиям; 2. скрытность и недоступность от посторонних лиц; 3. из-за расположения «в земле», отсутствует влияние соседних линий электропередачи. Недостатки, по сравнению с воздушной линией электропередачи: 1. дороже ВЛЭП того же класса напряжения; 2. КЛЭП более трудоемка в сооружении; 3. КЛЭП требует большего времени для ремонта, а также более квалифицированного персонала при ремонте и обслуживании; 4. пропускная способность КЛЭП ниже, по сравнению с ВЛЭП (при одном классе напряжения). Кабельные линии электропередачи широко используются в городских сетях, на территориях промышленных предприятий, при пересечении больших водоемов, в загрязненной атмосфере. Основными элементами кабельной линии электропередачи, являются: 1. кабель (служит для передачи электроэнергии); 2. соединительные муфты (используются для соединения отрезков кабеля, кабелей разного сечения и т.д.); 3. концевые муфты (используется для подключения потребителей, соединения кабелей и проводов ВЛЭП и т.д.); 4. стопорные муфты (используются для предотвращения стекания кабельной массы при прокладке кабелей на участках с перепадами по высоте; либо при сильных изгибах кабельной трассы); 5. подпитывающие аппараты и система сигнализации давления масла (применяется для КЛЭП, выполненных маслонаполненными кабелями); 6. кабельные сооружения для прокладки (кабельные коллекторы, туннели, каналы, шахты, колодцы, лотки и т.д.). К основным частям кабельной линии электропередачи относятся: 1. токопроводящие жилы; 2. изоляция или изолирующие оболочки, отделяющие токопроводящие жилы друг от друга и от земли; 3. защитные оболочки, воздействий предохраняющие окружающей среды (от изоляцию влаги, от кислот, механических повреждений и т.д.). Конструкция кабеля приведена на рисунке 4. 1 2 4 5 6 3 1 – токопроводящая жилы; 2 – фазная изоляция; 3 – поясная изоляция; 4 – оболочка; 5 – броня; 6 – защитный покров Рисунок 4 – Конструкция кабеля Фазная изоляция предназначена для изоляции токопроводящих жил друг от друга. Выполняется из специальной технической бумаги с вязкой пропиткой, которая увеличивает электрическую прочность. Поясная изоляция предназначена для обеспечения одинаковой электрической прочности между жилами и жилой и землей. Выполняется из тех же материалов что и фазная изоляция. Оболочка предназначена для герметизации изоляции и защиты ее от воздействия окружающей среды (влаги, химических продуктов и т.д.). Оболочка может быть выполнена из алюминия, свинца, полиэтиленовых материалов. Броня предназначена для защиты оболочки от механических повреждений при раскопках, сползании грунта, укладки кабеля. Выполняется из стальных лент или проволок. Наружный покров предназначен для защиты брони от коррозии. Представляет собой джутовое покрытие, пропитанное битумной массой. 3. Электрические схемы замещения линий электропередачи Линия электропередачи характеризуется активным и реактивным сопротивлениями, а также активной и реактивной проводимостью. В расчетах линия электропередачи представляется П-образной и Тобразной схемами замещения, которые представлены на рисунке 5. Хл Rл Вл/2 Gл/2 Rл/2 Вл/2 Gл/2 Хл/2 Rл/2 Bл Gл а Хл/2 б Rл – активное сопротивление ЛЭП; Хл – реактивное сопротивление ЛЭП; Gл – активная проводимость ЛЭП; Bл – реактивная проводимость ЛЭП Рисунок 5 – Электрическая схема замещения линии электропередачи: а – П-образная схема замещения ЛЭП; б – Т-образная схема замещения ЛЭП Более подробно с параметрами схемы замещения линии электропередачи познакомимся на практических занятиях. П-образная схема замещения линии электропередачи применяется при напряжениях до 220 кВ включительно. Т-образная схема замещения применяется при напряжениях от 330 кВ и выше, а также при расчетах так называемых «длинных» линий электропередачи (с понятием «длинная» линия электропередачи познакомиться самостоятельно). В зависимости от класса напряжения теми или иными параметрами полной схемы замещения можно пренебречь, а именно: 1. при расчетах ВЛЭП напряжением до 110 кВ включительно, можно пренебречь активной проводимостью (т.к. ∆Pкор ≈ 0);, 2. при расчетах ВЛЭП напряжением до 35 кВ, можно пренебречь активной и реактивной проводимостями (т.к. ∆Pкор ≈ 0, ∆Qс ≈ 0); 3. при расчетах КЛЭП напряжением 35 кВ, можно пренебречь реактивной проводимостью (т.к. небольшое напряжение и очень малое расстояние между фазами ЛЭП) 4. при расчетах КЛЭП напряжением 20 кВ, можно пренебречь реактивным сопротивлением и активной проводимостью (т.к. небольшое напряжение и очень малое расстояние между фазами; диэлектрические потери примерно равны нулю); 5. при расчетах КЛЭП напряжением до 10 кВ включительно, можно пренебречь реактивным сопротивлением, а также активной и реактивной проводимостью (малое напряжение, малое расстояние между фазами). Соответственно, схема принимает следующий вид. замещения линии электропередачи Хл Rл Вл/2 Rл Вл/2 Gл/2 Вл/2 Gл/2 а б Хл Rл Rл Вл/2 Вл/2 Вл/2 г в Rл д Рисунок 6 – Упрощенные схемы замещения ЛЭП: а – ВЛЭП напряжением до 110 кВ включительно; б – КЛЭП напряжением 35 кВ; в – КЛЭП напряжением 20 кВ; г – ВЛЭП напряжением до 35 кВ включительно; д – КЛЭП напряжением до 10 кВ включительно 4. Векторные диаграммы линий электропередачи 4.1 Векторная диаграмма ЛЭП напряжением 35 кВ с одной нагрузкой Рассмотрим расчетную схему замещения для данного случая, показанную на рисунке 7. U1 R Х U2 S2=P2+jQ2 или I2, cosφ2 Рисунок 7 – Расчетная схема замещения ЛЭП 35 кВ с одной нагрузкой При передаче электроэнергии по сети в ее элементах, помимо потери мощности происходит потеря напряжения. Потеря напряжения является одним из количественных показателей, характеризующих режим работы сети. Потеря напряжения приводит к изменению уровней напряжения на зажимах электроприемников. Если она превышает допустимые ПУЭ значения, электроприемники работают с ущербом. Поэтому важное значение при проектировании и эксплуатации сетей имеет расчет напряжений в узлах сети и потерь напряжения в ее элементах. Рассмотрим простейшую схему ЛЭП напряжением 35 кВ с симметричной нагрузкой на конце. В этом случае достаточно рассмотреть одну фазу. Знак “плюс” перед реактивной мощностью характеризует потребление электроприемником индуктивной мощности (отстающая реактивная мощность нагрузки). Если перед реактивной мощностью стоит знак “минус”, то это соответствует потреблению электроприемником емкостной реактивной мощности (опережающая реактивная мощность нагрузки) или выдаче электроприемником в сеть реактивной индуктивной мощности. В задачу входит определение напряжения в начале ЛЭП при известных токе, напряжении и углу между ними в конце ЛЭП. Начинаем построение векторной диаграммы. По действительной оси откладываем напряжение U2ф. Получаем точку а. Под углом φ2 откладываем ток I2. Раскладываем его на активную I2а и реактивную I2р составляющие: I 2  I 2а  jI 2р , где I 2а  I 2  cos2 , I 2р  I 2  sin 2 . От конца вектора U2ф параллельно линии тока I2 откладываем вектор падения напряжения в активном сопротивлении ЛЭП. Получаем точку b. Под углом 900 к нему в сторону опережения откладываем вектор падения напряжения в реактивном сопротивлении. Получаем точку c. Соединяем начало координат с точкой c и получаем напряжение в начале ЛЭП U1ф. Угол между напряжением U1ф и током I2 обозначим φ1. Вектор ac численно равный произведению I  Z называется полным падением напряжения. Обозначается U ф . Спроецируем вектор ac на действительную и мнимую оси. Получим точку d. Отрезок ad – это продольная составляющая падения напряжения. Обозначается U ф . Отрезок сd – это поперечная составляющая падения напряжения. Обозначается U ф . Определим U ф и U ф . Для этого спроецируем векторы ab и bc на действительную и мнимую оси. Получим точки е и f. Точку пересечения отрезка bc с действительной осью обозначим, буквой k. В результате получим отрезки: ae = ab·cos φ2 = I2·R cos φ2; ed = bf =bc·sin φ2 = I2·X sin φ2; be = df = ab·sin φ2 = I2·R sin φ2; cf = bc·cos φ2 = I2·X cos φ2. Продольная составляющая падения напряжения равна: ΔUф = ad = ae + ed = I2·R· cos φ2 + I2·X sin φ2. Поперечная составляющая падения напряжения равна: ΔUф = cf – df = I2·X cos φ2 – I2·R sin φ2. Напряжение в начале ЛЭП определяется как U 1ф  U 2ф  I  Z Модуль напряжения ЛЭП определяется по следующему выражению U1ф  (U 2ф  U ф ) 2  U ф2 . Падение напряжения – это геометрическая разность между напряжениями в начале и конце ЛЭП. Диаграмма, приведенная на рисунке 8, построена не в масштабе. Фактически разность углов φ1 и φ2 мала. Поэтому, если не требуется высокая точность, расчет ведут по потере напряжения. Потеря напряжения – это алгебраическая разность между напряжениями в начале и конце ЛЭП. Определим ее. Для этого из начала координат радиусом ос делаем засечку на действительной оси. Получаем точку с’. Отрезок ас’ и есть потеря напряжения. Так как отрезок dс’ мал, то с достаточной степенью точности, считают, что потеря напряжения равна продольной составляющей падения напряжения. Ошибка от принятого допущения в самом худшем случае при cos φ2 = 1 не превышает 0,55%. Смысл имеет фазная потеря напряжения, но для удобства расчетов используется линейная: U  3  U ф  3  I 2  ( R cos 2  X sin  2 )  U 2 P2 R  Q2 X  . U2 U2 В приближенных расчетах напряжение в начале ЛЭП рассчитывается по формуле: U1  U 2  U . В сетях напряжением 220 кВ и выше расчет следует выполнять, учитывая составляющие падения напряжения. Линейная поперечная составляющая падения равна U  3  U ф  3  I 2  ( X cos 2  R sin  2 )  U 2 P2 X  Q2 R  , U2 U2 а напряжение в начале ЛЭП в этом случае рассчитывается по формуле: U1  (U 2  U 2  U 2 . +j c U1ф φ1 а I2р φ2 I·Z U2ф I2а I·R e I·X d k b f I2 Рисунок 8 – Векторная диаграмма ЛЭП напряжением 35 кВ с одной нагрузкой ’ c 4.2 Векторная диаграмма ЛЭП напряжением 35 кВ с несколькими нагрузками Рассмотрим расчетную схему замещения для данного случая, показанную на рисунке 9. U0 R1 Х1 R2 U1 Х2 U2 2 1 I2, cosφ2 I1, cosφ1 Рисунок 9 – Расчетная схема ЛЭП с несколькими нагрузками Строим векторную диаграмму (см. рисунок 10). На участке 1-2 построения выполняются вышеизложенному. Получаем треугольник abc – треугольник падения напряжения от тока I2 в сопротивлениях R2 и X2. Соединяем точку 0 с точкой с и получаем фазное напряжение в точке 1. Под углом φ1 к U1ф откладываем вектор тока I1. По участку 0-1 протекает суммарный ток нагрузок IΣ. Он и создает падение напряжения в сопротивлениях R1 и X1. Построим этот вектор. Повторим построения на этом участке и получим треугольник падения напряжения сdf. Соединяем точку 0 с точкой f и получаем фазное напряжение в точке 0. Спроецируем вектор U0ф на вещественную ось. Отрезок af – продольная составляющая полного падения напряжения на участках 1-2 и 0-1. Отрезок aе, полученный после совмещения векторов U0ф и U2ф, – суммарная потеря напряжения на участках ЛЭП. Считаем: ae ≈ af = ∆UфΣ = ab’ + b’c’ + c’d’ + d’f’’ U2ф U1ф Таким образом, ΔUф = I2·R2 cos φ2 + I2·X2 sin φ2 + IΣ·R1 cos φ1 + IΣ·X1 sin φ1. При n нагрузках ΔUф = n  (Ii·Ri cos φi + Ii·Xi sin φi), i 1 А при заданных мощностях Pi Ri  Qi X i . U ном i 1 n U   f +j U0ф c U1ф φ2 φ1 U2ф I2 I2 ·X2 IΣ ·R1 a ’ I2 ·R2 d ’ b IΣ ·X1 c ’ d + ’ f e b I1 IΣ Рисунок 10 – Векторная диаграмма ЛЭП 35 кВ с несколькими нагрузками Векторную диаграмму ЛЭП 110 кВ изучить самостоятельно.