Реферат: Основы энергосбережения

Основы энергосбережения.

Дата добавления на сайт: 24 июня 2025
1.Оптимизация расположения проводов в пространстве

Неравномерность распределения напряженности поля по поверхности составляющих расщепленного провода согласно следующей формуле:



где - коэффициент неравномерности, учитывающий неравномерность напряженности поля по каждому составляющему проводу фазы, по составляющим фазы и по фазам.
Определяется различием емкостей крайних и средней фазы трехфазной линии (), неравномерностью распределения зарядов по составляющим каждой фазы () и неравномерностью распределения напряженности поля по поверхности составляющих (). Величина может быть вычислена по формуле

(1.1)

где - максимальная рабочая емкость линии;
( j> 1, 2, 3) - рабочие емкости фаз линии.
Коэффициент при расположении составляющих проводов по окружности может быть определен исходя из представления об эквивалентном расщепленному одиночном проводе с радиусом , определяемым по формуле:


Для двух таких проводов с расстоянием между их осями D0 заряд на составляющих может быть определен в соответствии с формулой:


(1.2)

где q- суммарный заряд на рассматриваемом расщепленном проводе;
qвп- суммарный заряд соседнего провода с соответствующим знаком;
- угол, отсчитываемый от произвольно выбранного основного направления до направления на ось i-ro составляющего;
- угол, отсчитываемый от того же основного направления до направления на ось влияющего расщепленного провода (рис. 1.26).
Для двух одинаковых и противоположно заряженных расщепленных проводов в соответствии с формулой (1.2) отношение максимального заряда на составляющем (при ) к среднему q/n равно:

(1.3)

При увеличении числа составляющих расщепленного провода значение приближается к единице. Поэтому при увеличении числа составляющих п и отношения rp/D0 увеличивается . Очень важно проследить за изменением результирующего коэффициента неравномерности:
(1.4)

где определяется при изменении радиуса расщепления проводов и междуфазового расстояния.
Для двухпроводной линии поэтому без учета влияния земли:

(1.5)

При одинаковом расстоянии до земли трех фаз получаем для крайних проводов:

(1.6)

и для средней фазы:

(1.7)

Рисунок 1 - К вычислению коэффициента неравномерности распределения зарядов по составляющим фазы на примере двух соседних расщепленных проводов

Вычисленные по формулам (1.5), (1.6) и (1.7) при учете коэффициенты неравномерности и и их произведение показаны на рисунке 1.2. Как видно, при увеличении числа составляющих п коэффициент проходит через минимум и при дальнейшем увеличении п быстро возрастает, достигая чрезвычайно высоких значений, совершенно неприемлемых для создания воздушных линий.


Рисунок 2 - Зависимости коэффициента неравномерности распределения напряженности поля по составляющим расщепленных проводов ВЛ 500 кВ от числа составляющих в фазе: 1, 2 - , 3-, 4, 5 - м (кривые 1,4), при м (кривые 2,3,5)

При одинаковых радиусах расщепления проводов круглых фаз (при одинаковых размерах фаз) на трехфазных линиях с одинаковым расстоянием от проводов до земли заряды и соответственно максимальная напряженность на поверхности составляющих крайних фаз меньше, чем на поверхности средней фазы из-за различия рабочих емкостей крайних и средней фаз, что определяет величину . При одинаковой высоте подвески всех трех фаз выравнивание рабочих емкостей трехфазной линии может быть достигнуто путем увеличения размеров крайних фаз по сравнению с размером средней фазы.
(1.8)

Это отношения для круглых фаз является одним инвариантом, определяющим оптимальное использование поверхности проводов. Поскольку при увеличении номинального напряжения и сокращении междуфазовых расстояний увеличивается, число составляющих, соответствующее максимуму может изменяться в широких пределах. Так, например, для ВЛ 500 кВ при междуфазовом расстоянии 12 м . Соответственно максимальное значение достигается при = 4. При минимальном изоляционном расстоянии D = 4 м минимальное число составляющих увеличивается до пяти. Соответственно максимум в круглой фазе соответствует числу составляющих = 6.
Неравномерность распределения зарядов по составляющим расщепленных проводов определяет и неравномерность распределения токов по ним в соответствии с формулой:



где - скорость распространения электромагнитной волны вдоль линии
Поэтому выравнивание распределения зарядов по составляющим приведет не только к уменьшению коэффициента неравномерности и, следовательно, к увеличению натуральной мощности линии, но и к уменьшению потерь энергии за счет выравнивания распределения токов по составляющим фаз.
Такое выравнивание распределения зарядов и токов по составляющим может быть произведено путем деформации поверхности расположения проводов фазы и оптимизации распределения составляющих в ней. Исходя из изложенного в качестве критерия оптимизации расположения составляющих расщепленных проводов в пространстве следует принять выравнивание максимальной напряженности на составляющих.
Результаты выполненной оптимизации для В Л 500 кВ с проводом 7АС 240/56 при м иллюстрируются на рисунке 3.


Рисунок 3 - Расположение проводов ВЛ 500кВ компактного исполнения: О - круглые фазы, • - элипсообразные фазы

Оптимизированное расположение проводов фаз существенно отлично от исходного (по окружности). Для средней фазы оптимальное расположение проводов близко к эллиптическому, а для крайних - к отсеченным с внешних сторон эллипсам. Как видно из рисунка 3, в результате оптимизации расположения проводов существенно выравнивается распределение зарядов по составляющим фазы (цифры на рисунке соответствуют заряду на составляющих, отнесенному к предельному заряду одиночного провода ). При таком расположении проводов коэффициент в отличие от для круглых фаз. На практике это означает, что натуральная мощность ВЛ с оптимизированным расположением фаз может быть увеличена на 13% по сравнению с круглыми фазами.
Одновременно получен другой существенный результат: горизонтальный габарит линии, измеренный между крайними составляющими линии, сократился на 3 м при увеличении вертикального габарита на 1,4 м. Такое сокращение объема, занимаемого линией, позволяет значительно сократить размеры и соответственно массу опор, что определяет дополнительное преимущество ВЛ с оптимизированными фазами.
Для ВЛ с эллипсообразными фазами коэффициент использования монотонно увеличивается при увеличении числа составляющих в фазе, достигая чрезвычайно высоких значений, что позволяет значительно увеличить натуральную мощность линий по сравнению с ВЛ с круглыми фазами, приближая ее к предельной натуральной мощности ВЛ. Это последнее понятие (предельная натуральная мощность ), при т. е. при полном использовании поверхности проводов:

(1.9)

Таким образом, предельная натуральная мощность определяется рабочим напряжением, радиусом провода и числом составляющих в фазе. При заданных и предельная натуральная мощность пропорциональна числу составляющих в фазе.

2. Компактные линии

Термин компактные линии введен в США и определяет такой тип линий, где приняты специальные меры для уменьшения междуфазовых расстояний вплоть до минимальных допустимых, определяемых нормированными воздействиями перенапряжений. Эти меры в США сводятся к специальным конструкциям опор и фиксированию междуфазовых расстояний с помощью изоляционных распорок во избежание недопустимого сближения проводов. Больше того, в компактном исполнении в США создаются только линии 115-138 кВ с одиночными проводами.
Увеличение пропускной способности линий сверхвысокого напряжения пропорционально числу составляющих в фазе может быть достигнуто при любой конструкции линии. Но при обычно применяемых расстояниях между фазами увеличение числа составляющих требует значительного увеличения размера фаз. Уменьшение расстояния между фазами приводит к практически пропорциональному уменьшению размера фаз. Таким образом, для линии с расщепленными проводами уменьшение междуфазовых расстояний приводит к сокращению занимаемого линией объема. Это определяет целесообразность расширенного использования термина "компактные линии" применительно к ВЛ СВН.
Постановка задачи максимально возможного сокращения размеров фазы определяет необходимость выполнения специального анализа. Причиной быстрого увеличения размера круглых фаз при увеличении числа составляющих является их взаимное электростатическое влияние. Дело в том, что для эффективного использования поверхности проводов заряд каждого провода фазы должен быть равен допустимому:

(2.1)

и соответственно удельная погонная емкость провода (отнесенная к одному составляющему):

(2.2)

Как видно, допустимая удельная емкость провода не зависит от числа составляющих в фазе. В то же время при увеличении числа составляющих в фазе увеличивается эффект экранирования по отношению к соседней фазе дальних проводов ближними проводами той же фазы. Это экранирование наиболее эффективно дли крайних фаз, но проявляется и для проводов средней фазы, хотя и в меньшей степени. Для уменьшения этого эффекта экранирования необходимо увеличивать расстояния между составляющими, что и определяет необходимость увеличения радиуса расщепления фазы.
Однако при увеличения рабочего напряжения допустимое значение заряда на составляющих (2.1) достигается при меньшей удельной емкости. Поэтому при том же числе составляющих необходимый радиус расщепления уменьшается.

Таблица 1 - Взаимосвязь номинального напряжения и удельной емкости

,кВ	110	220	330	500	750	1150
, пкФ/м	17,5	8,8	5,9	3,9	2,57	1,7

Сохранить неизменной удельную емкость составляющих при увеличении их числа для ВЛ заданного класса напряжения можно при расположении каждой пары составляющих соседних фаз на одинаковом друг от друга расстоянии, определяемом электрической прочностью междуфазового воздушного промежутка (рисунок 4). Конфигурация электрического поля между рядами параллельных проводов фаз обеспечивает электрическую прочность междуфазовых воздушных промежутков при воздействии импульсов коммутационных перенапряжений на уровне 4,5-5,5 кВ/см, что позволяет существенно сократить междуфазовые изоляционные расстояния.


Рисунок 4 - Расположение проводов компактных ВЛ СВН с минимальными расстояниями между соседними составляющими: а, б, в - плоские фазы; г, д-параболические фазы; е, ж - коаксиальные фазы

Вычисления показали, что при расположении проводов по вариантам рисунка 4 необходимое расстояние между составляющими минимально (рис.
На рисунке 4, а, б и в показаны возможные варианты расположения плоских фаз. Если вариант а может быть осуществлен достаточно просто, то варианты б и в требуют достаточно жестких и прочных крепежных элементов, способных нести нагрузку большого числа проводов.
Значительное облегчение крепежных элементов достигается при цепной подвеске проводов с шарнирным соединением лодочек, в которых крепятся провода, и плоских промежуточных звеньев, соединяющих лодочки (варианты г и д).
При десяти и более составляющих в фазе вместо плоских фаз целесообразно применять коаксиальные фазы (варианты е и ж). В варианте е не удается достичь симметрии параметров линии (добиться приблизительного равенства рабочих индуктивностей и емкостей трех фаз): при любых возможных соотношениях радиусов цилиндрических поверхностей, на которых расположены провода фаз, рабочая емкость фазы2 оказывается значительно больше рабочих емкостей внутренней 1 и наружной 3 фазы. Соответственно рабочая индуктивность фазы 2 значительно меньше, чем у фаз 1 и 3. Обеспечить симметрирование рабочих параметров линии можно двумя путями. Провода фазы 1 можно расположить на двух цилиндрических поверхностях - внутренней и наружной (четвертой), разделив их приблизительно поровну. Второй возможный путь - создание двойной коаксиальной линии (вариант ж). В этом последнем варианте провода фазы 1 также распределены по двум цилиндрическим поверхностям, но они имеют разные оси и одинаковые радиусы. Поверхности фаз 2 и 3 охватывают обе полуфазы 1. В обоих последних вариантах (вариант е с четвертой цилиндрической поверхностью и вариант ж) симметрирование параметров линии осуществляется достаточно просто путем подбора отношения радиусов поверхностей смежных фаз. При этом линия с четвертой коаксиальной поверхностью проигрывает по занимаемому объему, а линия с двойным коаксиалом (рисунок 4, ж) требует специальных мер для выравнивания распределения зарядов и токов по составляющим внешних фаз 2 и 3, а именно уменьшения расстояния между составляющими, обращенными к соседней фазе, и увеличения расстояния между составляющими, расположенными па внешних образующих цилиндрических поверхностей.
Следует заметить, что для выравнивания распределения зарядов (и соответственно токов) по составляющим расщепленных проводов всех вариантов разомкнутых фаз (варианты а, б, в, г, д) также необходимо изменить расстояние между составляющими и фазе: в средней части фазы расстояние между составляющими должно быть больше, чем в крайних частях. Более того, крайние составляющие должны быть смещены от образующей поверхности фазы (плоскости, параболоида) таким образом, чтобы расстояние между крайними составляющими соседних фаз было несколько больше, чем между средними составляющими. Для ВЛ 330 кВ и выше плоские и параболические фазы вырождаются поэтому в эллпптические как показано на рисунке 3. В связи с такой сложной конфигурацией фаз параметры компактных линий с плоскими и параболическими фазами не могут быть определены в аналитической форме. Однако результаты численных расчетов могут быть обобщены эмпирическими формулами, связывающими рабочие параметры линии с основными размерами:

(2.3)
(2.4)
(2.5)

где - длина фазы в поперечном сечении;
D - междуфазовое расстояние.
Как видно из формул (2.3) - (2.5) основным параметром компактных линий является отношение длины поперечного сечения фазы к междуфазовому расстоянию. Погрешность вычислений по этим формулам не более 5 % в диапазоне 0,250,4 м, принимаемых обычно при проектировании ВЛ СВН.
при увеличении количества проводов в фазе необходимый радиус расщепления проводов быстро увеличивается, поскольку параметр "n" находится в показателе степени экспоненциальной функции. Это необходимо для того, чтобы довести максимальную напряженность поля на поверхности проводов до допустимой. Напротив, при увеличении напряжения и неизменном числе проводов n радиус расщепления быстро уменьшается, поскольку при неизменном радиусе максимальная напряженность поля увеличивается пропорционально напряжению, превышая допустимую. Расстояние d уменьшается при уменьшении междуфазового расстояния D0 . Поэтому уменьшение междуфазовых расстояний на линиях компактного исполнения позволяет расширить диапазон изменения числа проводов в фазе в большую сторону. Как правило, увеличение числа проводов в фазе в два раза по сравнению с минимальным числом (определяемым требованием ограничения коронного разряда) при уменьшении междуфазовых расстояний не вызывает каких-либо конструктивных осложнений. Параметры линий с различным количеством проводов в фазе приведены в таблице 2.
Как видно из таблицы 2, волновые сопротивления и соответственно натуральные мощности воздушных линий могут изменяться в широких пределах, что необходимо использовать при формировании электроэнергетических систем. Реальные проектные проработки подобного типа линий обобщены. С учетом изложенного для одноцепных линий сверхвысокого напряжения оптимальной является конструкция компактных опор, аналогичная конструкции опор традиционного исполнения типа "Кошка", при V- образной подвеске проводов всех трех фаз (рисунок 5).
Для линий ультравысокого напряжения может быть более экономичной V-образная опора с ломаной траверсой (рисунок 4)
При этом обеспечивается симметрия параметров линии, а габариты линии оказываются значительно меньше, чем при прямой траверсе, когда расстояние между крайними фазами первой линии 1150 кВ оказалось равным 46 м. Значительно уменьшается и масса опор из-за сокращения их габаритов.
Таким образом, сближение проводов фаз при треугольном их расположении обеспечивается опорами специального типа, которые более экономичны, чем опоры традиционного исполнения.
Варьирование количества проводов в фазе обеспечивает возможность создания воздушных линий на любую необходимую пропускную способность без использования каких-либо источников реактивной мощности (синхронных компенсаторов, статических тиристорных компенсаторов, продольной емкостной компенсации индуктивного сопротивления линии и т. п.). Для компенсации избыточной зарядной мощности таких линий необходимо использование управляемых шунтирующих реакторов трансформаторного типа.


Рисунок 4 - Эскиз опоры с ломаной траверсой ВЛ 1150 кВ.

Таблица 2 - Параметры линий с различным количеством проводов в фазе

U	220	330	500	750	1150
n	Zв, Ом	Рнат, МВт	Zв, Ом	Рнат, МВт	Zв, Ом	Рнат, МВт	Zв, Ом	Рнат МВт	Zв, Ом	Рнат, МВт
1	387	125
2	242	200	300	360
3	160	300	200	540	278	900
4			150	720	210	1200
5					170	1500	260	2160
6					140	1800	220	2560
7					120	2100	185	3040
8							160	3500	250	5300
9							142	3960	225	5880
10							125	4500	200	6600
12									170	7780
14									145	9100
16									125	10600

провод заряд междуфазовый линия
Волновое сопротивление и натуральная мощность воздушных линий различных классов напряжения оптимальной конструкции при различном числе проводов в фазе


Рисунок 5 - Промежуточные одностоечные опоры на оттяжках (а, б) и свободно стоящая (в) для одноцепных линий 500 кВ: а - с вертикальными поддерживающими гирляндами; б, в - с V-образной подвеской трех фаз, г - опора 220 кВ.
Список литературы

. Электропередачи 1150 кВ: Сб. статей. В 2 ч./ Под ред. Г.А. Илларионова и В.С. Ляшенко. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - 325 с.
. Александров Г. Н. Воздушные линии повышенной пропускной способности. "Электричество", 1981, № 7, стр. 1-6.
. Александров Г. Н. Оптимизация конструкции воздушных линий электропередачи повышенной пропускной способности. "Электричество", 1991, № 1, стр. 1-9.
. Проектирование линий электропередачи сверхвысокого напряжения/ Г.Н. Александров, А.В. Горелов, В.В. Ершевич и др.; Под ред. Г.Н. Александрова. - Л.: Энергоатомиздат, 1993. - 560 с.
. Александров Г. Н. Передача электрической энергии переменным током. 2-е изд. - М.: "Знак", 1998. - 271 с.
. Повышение эффективности электросетевого строительства/ A.А. Зевин, К.П. Крюков, А.И. Курносов и др.; Под ред. Н.Н. Тиходеева. - Л.: Энергоатомиздат, 1991. - 240 с.
. Силовые трансформаторы: Справ. книга/ Под ред. С.Д. Лизунова и А.К. Лоханина. - М.: Энергоиздат, 2004. - 616 с.
. Александров Г.Н., Лунин В. П. Управляемые реакторы. - 2-е изд. - СПб.: Центр подготовки кадров СЗФ АО "ГВЦ Энергетики", 2004. - 212 с.

Комментарии:

Вы не можете оставлять комментарии. Пожалуйста, зарегистрируйтесь.