Воздушная линия электропередачи переменного тока сверх- и ультравысокого напряжения с оптимизированной конструкцией расщепленной фазы для уменьшения потерь на корону (варианты)

Воздушная линия электропередачи переменного тока сверх- и ультравысокого напряжения с оптимизированной конструкцией расщепленной фазы для уменьшения потерь на корону (варианты)

Полезная модель относится к воздушным линиям электропередачи (ВЛ) переменного тока сверх- и ультравысокого напряжения (СВН и УВН). На ВЛ СВН и УВН для достижения высокой натуральной мощности применяются расщепленные провода с большим числом составляющих. Особенностями таких проводов является неравномерность коронирования их составляющих, причем в погоду с так называемыми мокрыми осадками (дождь, мокрый снег, туман) нижние провода коронируют значительно интенсивнее, чем верхние. Взаимное влияние соседних составляющих проводов, а также близость земли приводят к заметной неравномерности распределения по отдельным составляющим проводам максимальной напряженности электрического поля на их поверхности и повышенным потерям на корону в плохую погоду, особенно при мокрых проводах, когда на нижней поверхности проводов закрепляются капли.

Предлагаются три модификации расщепленной фазы ВЛ для уменьшения неравномерности распределения максимальных потерь на корону по составляющим проводам при мокрых осадках, что позволяет уменьшить потери на расщепленных проводах и, тем самым, среднегодовые потери на корону, а также максимальные уровни радио- и акустических помех от ВЛ.

Модификация 1 предполагает оптимизацию пространственного расположения расщепленной фазы на действующих ВЛ СВН 330-750 кВ (например, для фазы из двух составляющих рационально расположение проводов по горизонтали относительно земли).

Модификация 2 предполагает для проектируемых ВЛ УВН свыше 1000 кВ с числом составляющих проводов в фазе больше 8-ти углубление нижних проводов внутрь фазы (на расстояние 5-15 см) взамен традиционного равномерного расположения проводов по окружности.

Модификация 3 предполагает для проектируемых ВЛ УВН применение в расщепленной фазе проводов разного сечения, а именно проводов увеличенного сечения для нижних составляющих.

Объект - полезная модель

Воздушная линия электропередачи переменного тока сверх- и ультравысокого напряжения с оптимизированной конструкцией расщепленной фазы для уменьшения потерь на корону (варианты)

Полезная модель относится к воздушным линиям электропередачи (ВЛ) переменного тока сверх- и ультравысокого напряжения (СВН и УВН).

Уровень техники

После сооружения первых в мире ВЛ 400 кВ (Швеция, 1947 г.) и ВЛ 500 кВ (СССР, 1961 г.) ВЛ СВН эксплуатируются во многих передовых странах мира. В 6-ти странах успешно работают ВЛ 735-800 кВ. ВЛ УВН, а именно 1150 кВ, как известно, были построены в конце 80-х годов прошлого века в СССР (теперь в России и Казахстане) [1], а в Японии построена двухцепная ВЛ 1100 кВ. Широкие исследования, направленные на создание пилотных проектов ВЛ УВН, были также проведены в 80-90-е годы в Италии, США и КНР. Во всех проектах, как отечественных, так и зарубежных, ВЛ СВН (400, 500, 750 кВ) и ВЛ УВН (1000-1200 кВ) рассматривались с применением расщепленных фаз с составляющими проводами, размещенными равномерно по кругу. Однако исследования, проведенные на опытной ВЛ в «ОАО НИИПТ» [2], выявили заметную неравномерность коронирования составляющих проводов в фазе при различных видах мокрых осадков (дожде, мокром снеге, тумане). Выявленное преимущественное коронирование нижних составляющих проводов приводит к необходимости дальнейшего усовершенствования конструкции расщепленной фазы для снижения потерь на корону. Так, на эксплуатируемых ВЛ 330-750 кВ, где в расщепленных проводах - "пучках" - используются по 2-5 составляющих провода, можно применить оптимальную пространственную ориентацию "пучка", а на будущих ВЛ УВН с n>5 возможно изменение конструкции "пучка" с отступлением от традиционного расположения проводов по кругу.

В рамках настоящей полезной модели для снижения потерь на корону, а также для уменьшения радио- и акустических помех от ВЛ предлагаются три новых технических решения по конструкции расщепленных проводов ВЛ СВН и УВН.

Сущность полезной модели

Для радикальной экономии алюминия и достижения высокой натуральной мощности (Р_нат=U²_ном/z4 ГВт, где z 150-200 Ом - волновое сопротивление ВЛ) неизбежно

применение расщепленных проводов с большим числом составляющих п (n8). Глубокое расщепление проводов сопряжено с существенной неравномерностью распределения максимальной напряженности электрического поля на поверхности составляющего провода (n8) по отдельным составляющим вследствие "эффекта близости" соседних фаз и земли [3]. На фиг.1 и табл.1 в качестве примера приведена ВЛ 1500 кВ с 15 составляющими проводами с неравномерностью распределения Е_min для крайней фазы (по отношению к среднему

значению ) 15%. Неравномерность распределения E_min , по составляющим проводам в "пучке" расщепленного провода сопровождается неравномерностью их коронирования, и, соответственно, дифференцированными потерями на корону.

Для снижения среднегодовых потерь на корону, максимум которых приходится на погоду с так называемыми мокрыми осадками (дожди разной интенсивности, мокрый снег, роса, туман) с длительностью 1000-2000 ч. за год, конструкция традиционной расщепленной фазы ВЛ СВН и УВН может быть модернизирована. При этом, как показали исследования ОАО «НИИПТ», в зоне дислокации капель воды на расщепленных проводах максимальная напряженность Е_mi может быть снижена на 10-15% по сравнению с максимальной напряженностью Е⁰_mi, на поверхности проводов "пучка" традиционной конструкции. Если в результате модернизации конструкции фазы Е_ь будет удовлетворять неравенству

то это приведет к уменьшению потерь на корону при всех видах мокрых осадков в несколько раз [4] и, соответственно, к заметному снижению среднегодовых потерь на корону, а также радио- и акустических помех от ВЛ.

Предлагается 3 варианта (модификации) конструкции расщепленной фазы. Вариант 1 (фиг.2). На ВЛ СВН 330-750 кВ с n2 нужного эффекта снижения потерь на корону при мокрых осадках и выполнения условия (1) можно достичь рациональным расположением "пучка" проводов, т.е. его оптимальной ориентацией относительно вертикальной оси. Капли дождя оседают на нижних поверхностях составляющих проводов, при этом для нижнего составляющего провода вектор максимальной напряженности электрического поля (направленный всегда радиально и, соответсвенно, для нижнего провода -вертикально вниз) совпадает с точкой максимального коронирования из-за капли. Это обстоятельство и приводит к повышенным потерям на корону в дождь у нижних составляющих проводов. Наиболее интенсивное коронирование нижнего составляющего провода можно ослабить, ориентируя провода в "пучке" так, чтобы ближайшими к поверхности земли были два составляющих провода, как это показано на фиг.2. Слева на рисунке показаны оптимально ориентированные "пучки" (для реализации этой конструкции могут потребоваться V-образные гирлянды), справа - расположенные нерационально. Изменением ориентации пучка достигается смещение направления вектора максимальной напряженности электрического поля относительно точки закрепления капли.

Вариант 2 (фиг.3). На ВЛ 1150 кВ с расщепленными проводами 8×АС 330/43 снижения потерь и помех при мокрых осадках можно достичь углублением двух нижних проводов (1-го и 8-го) внутрь расщепленной фазы так, как это показано на фиг.3 пунктиром.

Для расщепленной на 12 составляющих фазы ВЛ с номинальным напряжением 1500 кВ (12×АС 300/39) углубление нижнего составляющего провода (1-го) показано на фиг.4, а в табл. 2 приведены результаты влияния углубления () на Е_ml. Подъем нижнего

составляющего провода всего на 5-15 см ослабляет максимальную напряженность электрического поля на его внешней поверхности, где закрепляются капли, на 10-20%, что обеспечивает снижение потерь на корону в 3-5 раз. Углубление нижнего провода

приводит к незначительному росту максимальной напряженности Е_mi на соседних составляющих проводах, однако на этих составляющих места закрепления капель и направления не совпадают (схематически эта ситуация изображена для 3-го составляющего провода).

Вариант 3 (фиг.5). Снижение потерь на корону путем уменьшения максимальной напряженности на поверхности нижних составляющих проводов расщепленной фазы с n5 для выполнения условия (1) возможно также за счет увеличения их радиуса.

В табл. 3 на примере ВЛ 1150 кВ с фазой 8×АС 330/43 (фиг.5) показано влияние увеличения радиуса двух нижних составляющих проводов на величину E_ml. Из таблицы видно, что за счет увеличения поперечного сечения провода с АС 330/43 до АС 500/64 (т.е. увеличения затрат алюминия в фазе на 5,5%) можно понизить Е_ml на 15%, что приведет к снижению потерь на корону при дожде на нижнем составляющем проводе в 4 раза [4], а у всего расщепленного провода 8×АС 330/43 примерно в 2 раза, т.е. в среднегодовых потерях на 10 - 15%, а в общих потерях в ВЛ - на (2-4>10 ^-2·(1-1,5)·10^-1(0,2-0,6)%. Использование в качестве 2-х нижних составляющих проводов АС 500/64 приводит к удорожанию ВЛ примерно на 2-3%, однако эти затраты гораздо меньше, чем ущерб от повышенных потерь в ВЛ за весь срок ее эксплуатации.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели

В соответствии с предлагаемой полезной моделью, для реализации варианта 1 на новых ВЛ 330-750 кВ (фиг.2) может потребоваться создание специальных линейных зажимов для крепления проводов, в ряде случаев - применение V-образных гирлянд, которые способствуют также компактизации опор ВЛ.

В соответствии с предлагаемой полезной моделью, для реализации варианта 2 на новых ВЛ УВН (1000 кВ и выше) потребуются новые конструкции узлов подвешивания и внутрифазных распорок для 8-ми составляющих проводов, из которых 2 нижних составляющих (фиг.3) углублены внутрь "пучка" на 10-15 см по сравнению с их традиционным размещением по окружности.

В соответствии с предлагаемой полезной моделью, для реализации варианта 3 на ВЛ УВН необходимы новые конструкции узлов подвешивания с учетом координации стрел провеса для n составляющих проводов, из которых два нижних имеют увеличенную примерно в 1,5 раза площадь поперечного сечения по алюминию (фиг.5).

Варианты 2 и 3 могут быть скомбинированы, при этом для выполнения условия (1) требующееся увеличение площади поперечного сечения 2-х нижних составляющих проводов будет меньше.

Для подтверждения основных положений полезной модели ОАО «НИИПТ» на опытной ВЛ с расщепленной фазой 12×АС 300/39 (радиус расщепления 0,77 м) впервые были выполнены измерения потерь на корону по отдельным составляющим расщепленного провода. Длина "активной" части однопролетной опытной линии (между точками крепления проводов к натяжным гирляндам) составляла 310 м, расстояние между осями проводов - 20 м, высота проводов в середине пролета - 16,5 м. Распределение Е _mi по составляющим проводам у исследовавшегося расщепленного провода при

показано на фиг.6, из которого видно, что из-за влияния земли отношение E_mi на нижнем (1) и верхнем (7) проводах составляет 1,06.

Измерения проводились на составляющих проводах, специально изолированных от линейной арматуры (распорок, узлов подвешивания и др.). Было выполнено несколько десятков измерений (продолжительность одного измерения от 3 до 5 ч): в хорошую погоду, при сухом и мокром снеге, при дожде, изморози и примерзшем к проводам снеге.

Основные результаты выполненных исследований потерь на корону показаны на фиг.7, где приведены компенсированные токи короны (т.е. выделенные из общего тока в проводе активные составляющие), относящиеся ко всему расщепленному проводу (кривая 0), к его нижнему (кривая 7), верхнему (кривая 7) и среднему (кривая 4) составляющим проводам.

В хорошую погоду (фиг.7, а) кривые располагаются в соответствии с величиной E_mi на поверхности провода: выше всего проходит кривая на нижнем составляющем проводе (7) с наибольшей E_mi из-за близости земли, затем - на среднем составляющем проводе (4), ниже всего - на верхнем составляющем (7). В снег и при гололедно-изморозевых отложениях на верхних поверхностях проводов (фиг.7, с) преобладают потери на верхних составляющих проводах (7).

При дожде и мокром снеге (фиг.7, b) было обнаружено новое явление - резкое возрастание токов (и потерь на корону) на нижнем составляющем проводе и радикальное их снижение на верхнем составляющем. Можно дать следующее качественное объяснение обнаруженным особенностям коронирования расщепленных проводов. Капли дождя (мокрого снега, роса) стекают на нижнюю поверхность составляющих проводов и закрепляются там. Так как капли имеют полусферическую форму, а их размеры меньше радиуса составляющего провода, то закрепленная на нижнем проводе капля увеличивает максимальную напряженность электрического поля в 3 раза [3], т.е. до величины, заведомо превышающей начальную напряженность общей короны на проводе (Е₀ ). При большом числе капель на проводах (при дожде и мокром снеге) это ведет к резкому увеличению потерь на корону, сопровождающемуся ростом радио- и акустических помех, т.е. повышенным влиянием на окружающую среду.

Литература

1. Tikhodeev N.N. Basic Areas of Research Preceding Design and Commissioning of 1200 kV AC Power Transmission Lines: Some Key Problems and Solutions // European Transactions of Electrical Power Engineering (ETEP). 1993. V. 3, №4. July/Aug. P. 257-264.

2. Е.Е. Бресткина, Н.Б. Кутузова, А.С. Сохранский, Н.Н. Тиходеев. Особенности коронного разряда на расщепленных проводах с большим числом составляющих //Изв. НИИПТ. №60. 2004.

3. Кислова Н.С. К расчету начальной напряженности местной короны на проводах // Изв. НИИПТ. 1972. №18. С. 229-241.

4. Тиходеев Н.Н. Потери на корону как фактор, влияющий на выбор проводов высоковольтных линий переменного тока // Изв. НИИПТ. 1961. №8. С. 316-342.

1. Воздушная линия переменного тока сверхвысокого напряжения с пониженными потерями на корону при осадках, содержащая n расщепленных проводов, где n2, отличающаяся оптимальной ориентацией проводов расщепленной фазы, при которой ближайшими к поверхности земли оказываются два составляющих провода, причем максимальная напряженность электрического поля на их поверхности Е_mi, должна удовлетворять условию

где - максимальная напряженность на поверхности составляющего провода традиционной конструкции.

2. Воздушная линия переменного тока ультравысокого напряжения с пониженными потерями на корону при осадках, содержащая n расщепленных проводов, где n8, отличающаяся нетрадиционной конструкцией расщепленной фазы, при которой нижние составляющие провода углублены внутрь фазы, причем максимальная напряженность электрического поля на их поверхности Е_mi должна удовлетворять условию

где - максимальная напряженность на поверхности составляющего провода традиционной конструкции.

3. Воздушная линия переменного тока ультравысокого напряжения с пониженными потерями на корону при осадках, содержащая n расщепленных проводов, где n5, отличающаяся нетрадиционной конструкцией расщепленной фазы с увеличенным сечением проводов нижних составляющих, причем максимальная напряженность электрического поля на их поверхности E_mi должна удовлетворять условию

где - максимальная напряженность на поверхности составляющего провода традиционной конструкции.