Высоковольтная трехфазная воздушная линия Российский патент 2019 года по МПК H02G7/20 

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к воздушным линиям электропередачи высокого напряжения.

Основное воздействие несимметрии напряжений на работу электрооборудования связано с увеличением потерь электроэнергии в электрических сетях. Несимметрия трехфазной системы напряжений обусловлена многими факторами, в том числе несимметрией элементов электрической сети. На несимметрию напряжений влияют погонные электрические параметры воздушной линии электропередачи, а именно, ее емкости.

Известна высоковольтная трехфазная воздушная линия, содержащая фазы с горизонтальным расположением в пространстве, одностоечные опоры с двумя консольными траверсами, к одной из которых с помощью поддерживающих гирлянд-изоляторов прикреплено по одной фазе, а к другой - по две фазы. Траверсы с одинаковым количеством фаз расположены на смежных опорах с противоположных сторон. Стойки опор смещены поочередно вправо и влево относительно оси линии в сторону траверсы с одной фазой. Смещение стойки опоры от оси линии выполнено равным расстоянию от точки крепления к траверсе средней фазы до вертикальной оси стойки. При этом фазы, закрепленные по концам траверс, расположены в плане зигзагообразно вдоль линии (авторское свидетельство SU 1599925, M. Кл. ³ H02G 7/00).

Известна высоковольтная трехфазная воздушная линия, содержащая фазы с горизонтальным расположением в пространстве, укрепленные на консолях одностоечных опор по две на консоли с одной стороны стойки опоры и по одной на консоли с другой стороны стойки опоры. Консоли с двумя фазами расположены на смежных опорах с разных, сторон, а стойки опор смещены поочередно вправо и влево от оси высоковольтной трехфазной воздушной линии. Стойки опор смещены в сторону консоли с одной фазой не более, чем на половину разности длин консолей с двумя и одной фазой (авторское свидетельство SU 957330, M. Кл. ³ H02G 7/00).

Основным общим недостатком описанных высоковольтных трехфазных воздушных линий является перекос фазных напряжений вследствие несимметрии погонных параметров линии, а именно емкостей проводников разных фаз из-за разных индуцированных зарядов на них.

Наиболее близким к предлагаемой линии по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является высоковольтная трехфазная воздушная линия, содержащая фазы с горизонтальным или вертикальным расположением в пространстве, подвешенные на кронштейнах. Кронштейны для подвеса средней фазы и крайних фаз выполнены одинаковой длины. В крайние фазы включены батареи конденсаторов по концам линии или в ее средней части (патент RU 2414033, МПК H02J 3/00 (2006/01)).

Основными недостатками данной высоковольтной трехфазной воздушной линии являются перекос фазных напряжений вследствие несимметрии погонных параметров линии из-за необходимости использования дополнительного оборудования - конденсаторов - в двух из трех фаз, а также повышенная опасность в эксплуатации оборудования, в том числе для батарей конденсаторов, вследствие уязвимости батарей конденсаторов к перенапряжениям и увеличение токов короткого замыкания в линии, что вызывает необходимость в использовании дополнительной сверхбыстродействующей защиты.

Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении изобретения, заключается в создании безопасной в эксплуатации высоковольтной трехфазной воздушной линии с выравненными фазными напряжениями.

Решение этой технической проблемы достигается тем, что в высоковольтной трехфазной воздушной линии, содержащей фазы с горизонтальным расположением в пространстве, подвешенные на кронштейнах, согласно изобретению кронштейн для подвеса средней фазы выполнен большей длины, чем длина каждого кронштейна для подвеса крайних фаз.

Выравнивание фазных напряжений объясняется выравниванием емкостей проводников разных фаз относительно друг друга и конструктивных элементов опоры без использования дополнительного оборудования.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлено схематичное изображение расположения фаз высоковольтной трехфазной воздушной линии для портальной опоры; на фиг. 2 приведены график зависимости отклонения заряда на крайних фазах в процентном соотношении от заряда средней фазы от изменения длины кронштейна Δh для подвеса средней фазы и график зависимости отклонения рабочей емкости на крайних фазах в процентном соотношении от рабочей емкости средней фазы от изменения длины кронштейна Δh для подвеса средней фазы; на фиг. 3 приведен график зависимости разности модуля аргументов заряда и потенциала крайних фаз |ϕ_τ-ϕ_U| от изменения длины кронштейна Δh для подвеса средней фазы в сравнении с длиной кронштейнов крайних фаз.

Высоковольтная трехфазная воздушная линия содержит стойки 1 опоры, на которых закреплена траверса 2. На траверсе 2 смонтированы стойки 3 грозозащитных тросов 4, кронштейны 5 и для подвеса крайних фаз и кронштейн 6 для подвеса средней фазы. На кронштейнах 5 закреплены гирлянды изоляторов 7, к которым прикреплены крайние фазы 8. На кронштейне 6 закреплена гирлянда изоляторов 7, к которым прикреплена средняя фаза 9. Кронштейн 6 для подвеса средней фазы выполнен большей длины, чем длина каждого кронштейна 5 для подвеса крайних фаз.

Крайние фазы 8 и средняя фаза 9 расположены в пространстве горизонтально (Фиг. 1).

Работа высоковольтной трехфазной воздушной линии заключается в перераспределении зарядов на поверхностях крайних фаз 8 и средней фазы 9, то есть в выравнивании емкостей фаз, что позволяет исполнить увеличенная длина кронштейна 6 для подвеса средней фазы.

Для определения размера увеличения длины кронштейна 6 для подвеса средней фазы учитывается конструкция линии электропередачи. На распределение заряда вдоль фаз в пролете влияет не только высота подвеса фазы, но и стрела провеса, определяемая в зависимости от длины пролета. Массивные металлические конструкции высоковольтные опоры - также влияют на перераспределение зарядов, особенно вблизи крепления фазы 9 к кронштейну 6.

Ввысоковольтная опора 1 состоит из уголков и полос металла, которые для построения математической модели можно заменить цилиндрическими проводниками круглого сечения с таким радиусом, чтобы емкость круглого и некруглого проводников на единицу длины была одинаковой; такой радиус называется эквивалентным. Эквивалентный радиус для полосы малой толщины и шириной а представлен следующим выражением:

где: r_э - эквивалентный радиус;

a - ширина полосы.

Для равностороннего уголка со стороной а эквивалентный радиус определяется следующим выражением:

где: а - ширина уголка.

Металлическую опору линии электропередачи можно заменить совокупностью из N цилиндрических проводников длиной L_k и эквивалентными радиусами r_э, рассчитываемыми по формулам (1) и (2), где k∈N. Заряд, наведенный на проводниках вследствие электрической индукции, приходящийся на единицу длины k-го проводника, обозначим τ_k. Он не является постоянным по всей длине проводника и зависит от конкретной его точки. Общее число проводов и грозозащитных тросов, подвешенных на опоре, обозначим N_пр. Линейный заряд на проводе, также не являющийся постоянным по всей длине, обозначаем τ_пр, а радиус провода - r_0пр.

Потенциал произвольной точки наблюдения M(x_j, z_j, y_j) будет определен из принципа суперпозиции и равен алгебраической сумме потенциалов от всех N проводников и из зеркальных изображений, а также от всех N_пр проводов и их изображений, что представлено в функциональном уравнении:

где dl - элементарный участок проводника;

ε₀ - электрическая постоянная;

ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды;

τ_k(l_k) - линейный заряд k-го проводника на его элементарном участке dl_k;

- линейный заряд зеркального изображения k-го проводника на его элементарном участке dl_k;

- линейный заряд зеркального изображения фазного провода на его элементарном участке dl_ν;

τ_пр(l_ν) - линейный заряд фазного провода на его элементарном участке dl_ν;

R_kM - расстояние от элементарного участка dl k-го проводника до точки М;

R'_kM - расстояние от элементарного участка dl зеркального изображения k-го проводника до точки М,

r_νM - расстояние от ν-го элементарного участка dl провода до точки М;

- расстояние от элементарного участка dl зеркального изображения ν-го провода до точки М;

l_пр - длина одного пролета линии электропередачи;

L_k - длина проводника;

l_k - длина фазного провода.

Функциональное уравнение (3) включает интегральное преобразование над неизвестной функцией τ_k(l_k) и τ_пр(l_пр) и является интегральным уравнением, а именно уравнением Фредгольма первого рода. С учетом, что линейный заряд зеркального изображения проводника и фазного провода противоположен по знаку заряду самого проводника и фазного провода , представляем его в виде следующего выражения:

Помещая точку наблюдения поочередно вначале на поверхность всех цилиндрических проводников и, учитывая, что потенциал всех проводников равен нулю, а затем, помещая точку наблюдения последовательно на поверхность всех фаз, получаем на основании выражения (4) систему интегральных уравнений:

где R_kN.пр - расстояние от элементарного участка dl k-го проводника до поверхности фазного провода;

- расстояние от элементарного участка dl зеркального изображения k-го проводника до поверхности фазного провода;

r_νNпр - расстояние от ν-го элементарного участка dl провода до поверхности фазного провода;

- расстояние от элементарного участка dl зеркального изображения ν-го провода до поверхности фазного провода;

ϕ_Nпр - потенциалы фазных проводов.

Для решения интегральных уравнений и их систем используется метод квадратурных формул, который состоит в замене интегрального уравнения аппроксимирующей системой алгебраических уравнений относительно дискретных значений искомой функции и ее решении.

Таким образом, система интегральных уравнений (5) заменяется системой линейных алгебраических уравнений, которая в матричной форме записи имеет вид следующей системы:

где a_ij - потенциальные коэффициенты, получаемые на основе системы интегральных уравнений (5);

τ_i - линейные заряды фаз и проводников;

- приведенные потенциалы фазных проводов.

Оценка эффективности мероприятий по выравниванию электрических зарядов для ВЛЭП 500 кВ с промежуточными опорами на оттяжках типа ПБ1, при следующих параметрах: эквивалентная высота подвеса фаз равна 15 м, эквивалентный радиус фаз - 0,16 м для фазного провода АС-400, число проводников в расщепленной фазе равном трем, расстояние между фазами 12 м, производится на основе решения системы (6) с заданными параметрами линии.

Результат решения системы (6) с заданными параметрами линии отображен в виде графиков 10 и 11, где показана зависимость электрических параметров от изменения длины кронштейна для подвеса средней фазы Δh в сравнении с длиной кронштейнов для подвеса крайних фаз (Фиг. 2). Так, график 10 зависимости отклонения заряда на крайних фазах в процентном соотношении от заряда средней фазы от изменения длины кронштейна Δh для подвеса средней фазы отражен следующей формулой:

где τ_cp - заряд на средней фазе,

τ_кр - заряд на крайних фазах.

График 11 зависимости отклонения рабочей емкости на крайних фазах в процентном соотношении от рабочей емкости средней фазы от изменения длины кронштейна Δh для подвеса средней фазы отражен следующей формулой:

где C_cp - емкость средней фазы,

C_кр - емкость крайних фаз.

Из графиков 10 и 11 следует, что модули зарядов не отличаются друг от друга на всех фазах в случае, если длину кронштейна 6 для подвеса средней фазы увеличить на 8,2 м. Рабочие емкости всех крайних фаз 8 и средней фазы 9 одинаковы при увеличении длины кронштейна 6 для подвеса средней фазы на 8,6 м.

В силу геометрической симметрии заряд и потенциал на средней фазе 9 совпадают друг с другом, то есть разность фаз между ними равна нулю. Из графика 12 зависимости разности модуля аргументов заряда и потенциала крайних фаз |ϕ_τ-ϕ_U| от изменения длины кронштейна Δh для подвеса средней фазы в сравнении с длиной кронштейнов крайних фаз следует, что при увеличении длины кронштейна 6 для подвеса средней фазы на 8,2 м модуль разности аргументов заряда и потенциала крайних фаз уменьшается по сравнению с первоначальным значением 13, составляющим 5,2 градусов, до значения 14 составляющим 4,7 градусов, или на 9,62% (Фиг. 3).

Таким образом, использование предлагаемой высоковольтной трехфазной воздушной линии позволяет обеспечить симметрию погонных параметров линии, что приводит к выравниванию фазных напряжений и отсутствию применения сверхбыстродействующей защиты оборудования.

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат – обеспечение безопасности эксплуатации высоковольтной трехфазной воздушной линии за счет устранения перекоса фазных напряжений. Фазы высоковольтной трехфазной воздушной линии, подвешенные на кронштейнах, расположены в пространстве горизонтально. Кронштейн для подвеса средней фазы выполнен большей длины, чем длина каждого кронштейна для подвеса крайних фаз. Выравниваются фазные напряжения путем обеспечения симметрии погонных параметров воздушной линии. 3 ил.

Высоковольтная трехфазная воздушная линия, содержащая фазы с горизонтальным расположением в пространстве, подвешенные на кронштейнах, отличающаяся тем, что кронштейн для подвеса средней фазы выполнен большей длины, чем длина каждого кронштейна для подвеса крайних фаз.