ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ЕМКОСТНЫМ ЕФФЕКТОМ
ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ДЛИННОЙ ЛИНИИ, РАЗОМКНУТОЙ НА КОНЦЕ n Перенапряжения, обусловленные емкостным эффектом, это повышения напряжения в начале и, особенно, на разомкнутом конце линии, вызванные протеканием емкостного тока через индуктивность источника и линии. Е ~ хи U 1 Ux U 2 х Рис. 1. Расчетная схема n Для линий с распределенными параметрами с малыми потерями при неучете коронирования проводов и длиной менее 1500 км, когда резонанса на частоте нет, уравнения, связывающие токи и напряжения, приобретают следующий вид.
ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ДЛИННОЙ ЛИНИИ, РАЗОМКНУТОЙ НА КОНЦЕ n Здесь: λ – волновая длина линии; β – коэффициент изменения фазы; Zвх – входное сопротивление линии; rи активное сопротивление источника; хи – индуктивное сопротивление источника; U 1, U 2 – напряжение в начале и конце линии соответственно; I 1, I 2 – ток в начале и конце линии соответственно; ℓ - длина линии; к – коэффициент передачи; Lo, Co – индуктивность и емкость линии на единицу длины
ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ДЛИННОЙ ЛИНИИ, РАЗОМКНУТОЙ НА КОНЦЕ n Рис. 2. Резонансные кривые а) 1 хи=0; 2 хи=0, 5; 3 хи= 1; при Q= 12, 5 и / = 0, 04; б) 1 ℓ= 750 км; 2 ℓ= 1000 км; при Q= 12, 5 и / = 0, 04; α=ro/zл
ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ДЛИННОЙ ЛИНИИ, РАЗОМКНУТОЙ НА КОНЦЕ n n n С увеличением хи точка резонанса сдвигается в сторону меньших длин, т. к. к индуктивности линии добавляется индуктивность источника. Резонанс наступает при хи=хвх , т. е. емкостное сопротивление линии равно индуктивному сопротивлению источника, что эквивалентно равенству собственной частоты схемы и частоты источника. Резонансная длина линии в этом случае определяется как где
ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ДЛИННОЙ ЛИНИИ, РАЗОМКНУТОЙ НА КОНЦЕ n n n Перенапряжения на ненагруженных линиях могут достигнуть опасных значений, если отключению линии со стороны нагрузки предшествовал режим минимальных нагрузок, когда не все блоки электростанции включены и хи повышена, а ℓрез – понижена. Повышение напряжения на линии может привести к появлению короны, которая увеличивает емкость линии на 10 – 20 %. Потери на корону в несколько раз превосходят потери в активном сопротивлении проводов. Вследствие значительных потерь резонансная кривая U 2=f(ℓ) получается менее острой с максимумом (3 3, 5)Uф сдвинутым в сторону меньших длин из-за влияния дополнительной емкости. В дорезонансной области влияние короны невелико.
ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ДЛИННОЙ ЛИНИИ С КОРОТКИМ ЗАМЫКАНИЕМ НА КОНЦЕ n n Учитывая, что U 2= 0, напряжение и ток в начале длинной линии замкнутой на конце на землю можно определить как Входное сопротивление короткозамкнутой линии При βℓ < π/2 входное сопротивление линии носит индуктивный характер и При увеличении βℓ все большее значение приобретает ёмкость линии и при βℓ=π/2 возникнет резонанс токов, при котором входное сопротивление будет определяеться активным сопротивлением схемы.
ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ДЛИННОЙ ЛИНИИ С КОРОТКИМ ЗАМЫКАНИЕМ НА КОНЦЕ n При последующем увеличении βℓ (π/2 < βℓ < π) входное сопротивление становится ёмкостным, а при βℓ=π наступают условия резонанса напряжений.
ОГРАНИЧЕНИЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ РЕАКТОРОВ ПОПЕРЕЧНОЙ КОМПЕНСАЦИИ n n n Для ограничения перенапряжений, вызванных емкостным эффектом, до допустимых уровней, а также для регулирования потоков реактивных мощностей при пониженной нагрузке в длинных линиях устанавливаются реакторы поперечной компенсации. Они компенсируют емкостный ток, уменьшают эквивалентную емкость линии, влияя тем самым на распределение напряжения вдоль линии. На распределение напряжения вдоль линии существенное влияние оказывает место установки реактора и его мощность.
ОГРАНИЧЕНИЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ РЕАКТОРОВ ПОПЕРЕЧНОЙ КОМПЕНСАЦИИ n n n Наличие ёмкостного тока в начале линии, который может протекать через обмотки генераторов станции, является нежелательным, так как работа генераторов становится менее устойчивой. Поэтому у шин высокого напряжения станции или отправной системы обычно ставится неотключаемый реактор. В линиях большой длины (более 500 км) в начале линии сосредоточено 20 -40% всей установленной мощности реакторов. Остальные реакторы устанавливаются в одной или нескольких точках линии.
УСТАНОВКА РЕАКТОРА В НАЧАЛЕ ЛИНИИ n n Установка реактора в начале линии не влияет на характер распределения напряжения вдоль лини и коэффициент передачи, но увеличивает входное сопротивление линии, т. к. частично компенсирует емкостный ток линии, проходивший в отсутствие реактора через индуктивность источника. Входное сопротивление линии с реактором определяется путём параллельного сложения входного сопротивления линии без реактора с индуктивным сопротивлением реактора
УСТАНОВКА РЕАКТОРА В НАЧАЛЕ ЛИНИИ n Напряжение в конце линии n Напряжение в любой точке линии Для полной компенсации ёмкостного тока в начале линии требуется мощность qp=tgβℓ, при этом сопротивление реактора должно по абсолютной величине равняться входному сопротивлению линии. При полной компенсации ёмкостного тока в начале линии (zвхр= ∞) напряжение в конце линии снизится до 2 Е. Ограничение напряжения реактором, включенным в начале линии, недостаточно эффективно. Реактор существенно снижает напряжение в начале и конце линии, хотя при этом характер распределения напряжения вдоль линии не изменяется. n n
УСТАНОВКА РЕАКТОРА В КОНЦЕ ЛИНИИ n n Установка реактора в конце линии приводит к уменьшению коэффициента передачи. Распределение напряжения вдоль линии можно найти, если реактор представить эквивалентной короткозамкнутой линией с волновой длиной λэ.
УСТАНОВКА РЕАКТОРА В КОНЦЕ ЛИНИИ n Из графика распределения тока в линии видно, что в начале линии протекает емкостный ток, вызывающий нарастание напряжения до Uмакс, после чего ток становится индуктивным и напряжение снижается.
УСТАНОВКА РЕАКТОРА В КОНЦЕ ЛИНИИ n В случае полной компенсации емкостного тока должно соблюдаться условие ℓ+ ℓэ=0, 5 , т. к. =jtg 0, 5 =j. Следовательно, хр/zл=tg ℓэ=tg(0, 5 ℓ)=ctg ℓ. Таким образом, при установке реактора в конце линии для полной компенсации емкостного тока требуется такая же мощность, как и при установке реактора в начале линии. U I U 1 U U 2 Ip βℓ I βℓэ 0, 5π
УСТАНОВКА РЕАКТОРА В КОНЦЕ ЛИНИИ n n Добиваться полной компенсации емкостного тока при установке реактора в конце линии нецелесообразно, т. к. при этом, как видно из рис. напряжение в конце линии значительно ниже напряжения в ее начале. Изменяя мощность реактора можно добиться равенства напряжения в начале и конце линии. Максимальное напряжение будет в середине линии. Это произойдет, если sin ℓэ=sin( ℓ ℓэ), что возможно при условии UI ℓ ℓэ ℓэ. U Uмакс U 1=U 2 I I 1 0, 5βℓ 0, 5π βℓ βℓэ
УСТАНОВКА РЕАКТОРА В СЕРЕДИНЕ ЛИНИИ n n Расчет распределения напряжения вдоль линии может быть выполнен, как и предыдущем случае, с помощью эквивалентной короткозамкнутой линии, заменяющей реактор и участок линии за ним. Для этого необходимо рассчитать входное сопротивление участка разомкнутой линии за реактором и затем сложить его параллельно с сопротивлением реактора Этому сопротивлению (если оно индуктивное) будет соответствовать эквивалентная короткозамкнутая линия с волновой длиной ℓЭ=arctgхвхр2 Напряжение на реакторе составит.
УСТАНОВКА РЕАКТОРА В СЕРЕДИНЕ ЛИНИИ n Напряжение в конце линии Входное сопротивление всей линии n Напряжение в начале линии n 0, 5βℓ Xp U I Up U 1 I Ip 0, 5βℓ βℓэ
УСТАНОВКА РЕАКТОРА В СЕРЕДИНЕ ЛИНИИ n n Для полной компенсации емкостного тока в начале линии требуется установка реактора в середине линии мощностью qp=2 tg 0, 5 ℓ. При этом компенсируется ток и в конце линии. Напряжения U 1=U 2=E, a Up<E. Однако концентрация столь большой мощности реакторов в одной точке недопустима с точки зрения условий нормального режима.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ РЕАКТОРОВ ВДОЛЬ ЛИНИИ n n При распределении реакторов вдоль линии хорошего эффекта можно добиться при меньшей мощности реакторов. Для достижения равных напряжений в начале, середине и конце линии нужно в эти точки подключить реакторы мощностью соответственно q. Р 1=tg( ℓ/4), q. Р 2=2 tg( ℓ/4) и q. Р 3=tg( ℓ/4). Максимальное напряжение в середине каждого участка составит Для линии длиной 1000 км Uмакс 1, 04 Е.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ РЕАКТОРОВ ВДОЛЬ ЛИНИИ n n n Установка реакторов на длинных линиях, их мощность и количество определяется во многом режимом работы сети. В частности, обеспечение условий синхронизации при включении линии, обеспечение режима малых нагрузок и т. п. Реакторы, выбранные по этим условиям не всегда могут обеспечить ограничение установившихся перенапряжений в послеаварийном режиме. Дополнительные реакторы необходимые для ограничения перенапряжений должны быть нормально отключены и подключаться к линии в послеаварийном режиме через искровой промежуток или специальными выключателями.
ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧАХ С УСТРОЙСТВОМ ПРОДОЛЬНОЙ ЕМКОСТНОЙ КОМПЕНСАЦИИ n Устройства продольной емкостной компенсации (УПК) оказывают существенное влияние на распределение напряжения вдоль длинной линии. УПК устанавливаются в целях повышения пропускной способности и предела устойчивости электропередачи.
ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧАХ С УСТРОЙСТВОМ ПРОДОЛЬНОЙ ЕМКОСТНОЙ КОМПЕНСАЦИИ n n Последовательное соединение емкости продольной компенсации с индуктивностью линии приводит к уменьшению сопротивления между передающей и приемной системой и угла между векторами напряжений по концам линии, что позволяет увеличить передаваемую мощность при заданном запасе устойчивости. Однако уменьшение сопротивления ведет к увеличению токов КЗ. Исходя из условий их ограничения, емкость и размещение УПК выбирают таким образом, чтобы при КЗ непосредственно за УПК входное сопротивление сохраняло индуктивный характер. Поэтому установка батарей по концам линии не применяется.
ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧАХ С УСТРОЙСТВОМ ПРОДОЛЬНОЙ ЕМКОСТНОЙ КОМПЕНСАЦИИ n При установке батареи в середине линии значение степени компенсации (Кс) не должно превышать 0, 5. n Линия с продольной ёмкостной компенсацией это линия с пониженной индуктивностью. Применение на линии УПК уменьшает волновую длину и волновое сопротивление линии, несколько увеличивает входное сопротивление линии. Включение сосредоточенной емкости последовательно с распределенными параметрами линии приводит к изменению распределения напряжения вдоль линии, как в нормальном режиме, так и в режимах одностороннего питания или КЗ. n
ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧАХ С УСТРОЙСТВОМ ПРОДОЛЬНОЙ ЕМКОСТНОЙ КОМПЕНСАЦИИ n n Коэффициент передачи уменьшается. За счет протекания тока через хc на батарее конденсаторов наблюдается падение напряжения. Скачок напряжения Uc на батарее нежелателен, поэтому УПК устанавливаются в местах потокоразделов реактивных мощностей и в сочетании с шунтирующими реакторами Если за УПК включены реакторы, то часть ёмкостного тока участка линии компенсируется индуктивным током реакторов и падение напряжения на емкости УПК уменьшается.
РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ВДОЛЬ ЛИНИИ С УПК РАЗОМКНУТОЙ НА КОНЦЕ n Расчет распределения напряжения вдоль линии без потерь длиной 1000 км, в середине которой включено УПК с qс=0, 5. = 1, 08 10 -3 рад/км. 0, 5βℓ U 1 С Uc 1 U U 2 Uc 2 U 1 βℓэ 0, 5βℓ n U 2 0, 5βℓ Емкостное входное сопротивление линии за УПК
РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ВДОЛЬ ЛИНИИ С УПК РАЗОМКНУТОЙ НА КОНЦЕ n n Eмкостное сопротивление УПК Входное сопротивление участка линии ℓ 2 вместе с УПК: Полученное сопротивление заменяется разомкнутой линией с эквивалентной волновой длиной βℓ’э=arcctg(xвх2+xс)=arcctg 2, 17 = 0, 432. Эта длина складывается с волновой длиной участка линии до УПК и получается эквивалентная длина всей линии: 0, 5βℓ+βℓэ = 0, 972, входное сопротивление которой равно
РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ВДОЛЬ ЛИНИИ С УПК РАЗОМКНУТОЙ НА КОНЦЕ n Напряжение перед батареей n Это напряжение распределяется между сопротивлением батареи и входным сопротивлением второго участка n Напряжение в конце линии n Установленное в середине линии УПК практически не оказывает влияния на напряжение в начале линии, напряжение в конце линии уменьшается, а на батарее конденсаторов наблюдается скачок напряжения.
РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ВДОЛЬ ЛИНИИ С УПК РАЗОМКНУТОЙ НА КОНЦЕ n n n Причем напряжение на УПК может оказаться значительно выше, чем напряжение в конце линии. Подключение реакторов компенсирует действие УПК и при полной компенсации УПК не оказывает влияния на распределение напряжения вдоль линии. При разрывах электропередач с УПК и шунтирующими реакторами могут возникнуть резонансные явления на очень низкой частоте ( /3) в контурах, содержащих хс и хр. Возбуждение субгармоник может приводить к перенапряжениям на конденсаторной батарее и протеканию недопустимо больших токов через реактор. Для их устранения применяются выключатели или разрядники, кратковременно шунтирующие УПК.
РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ВДОЛЬ ЛИНИИ С УПК с КОРОТКИМ ЗАМЫКАНИЕМ НА КОНЦЕ n n При трехфазном коротком замыкании за УПК UС может возрасти в несколько раз вследствие протекания тока КЗ через х. С при переходном процессе. Номинальное напряжение батареи Uсном=(0, 3 0, 4)Uф выбирается по номинальному току передачи, поэтому перенапряжения при КЗ могут быть опасными для изоляции конденсаторов. Для защиты от этих перенапряжений батареи шунтируются специальными разрядниками с уставкой в пределах (2, 5 4)Uсном. Такие большие уставки определяются тем, что пробой разрядника в переходном режиме нежелателен, например, при качании роторов генераторов после КЗ, когда УПК особенно необходимо для поддержания динамической устойчивости системы.
Скачать презентацию ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ЕМКОСТНЫМ ЕФФЕКТОМ
емкостный эффект.ppt