Кабельные и в оздушные линии электропередачи

Уравнения однородной линии

 

Однородную длинную линию представим в виде множества одинаковых соединенных в цепочку малых элементов длиной                         dx. Каждый участок имеет сопротивление R0d x , индуктивность L0d x, емкость C0d x и проводимость G0d x, причем

сопротивление R0d x и индуктивность L0dxбудем считать включенными в один провод

 

(рис. 13.1). При этом токи и напряжения есть функции двух переменных i(x,t), u(x,t)и на

 

рассматриваемой длине ток и напряжение имеют приращения соответственно ¶i dx и

 

¶u dx.

 

Рис. 13.1

 

Обозначим расстояние от начала линии до рассматриваемого элемента через x.

 

Мгновенные значения тока и напряжения в начале элемента длиной dx обозначим i и u , в начале следующего i+ ¶i dxи u+ ¶u dx.

 

Составим уравнения на основании законов Кирхгофа: u = R0d x i+L0d x ¶i +u+ ¶u d x

 

i =G0d x(u+ ¶t d x)+C0d x ¶t (u+ ¶t d x)+i+ ¶t d x

 

Пренебрегая величинами второго порядка малости, получим:

 

 

-¶u d x = R0d x i+ L0d x ¶i ; - ¶i d x =G0d x u+C0d x ¶u

или     -¶u = R0i+ L0 ¶i ; - ¶i =G0u+C0 ¶u

 

Решение полученных уравнений в частных производных при определенных

 

начальных и граничных условиях дает возможность определить мгновенные значения

 

i(x,t)и u(x,t). Эти уравнения справедливы при соблюдении условий однородности

 

линии, т.е. описывают процессы в линии в наиболее простом варианте.

 

При подключении линии с потерями к источнику постоянного напряжения уравнения линии имеют вид: -¶u = R0i; - ¶i =G0u.

 

Кабельные и в оздушные линии электропередачи

 

При передаче электроэнергии на расстояния используются линии открытого типа (воздушные линии - ВЛ) и закрытого типа (кабельные линии - КЛ). Наиболее распространены линии трехфазного переменного тока открытого типа. Радиальной считается линия, в которую мощность поступает только с одной стороны, т.е. от единственного источника питания. От магистральной линии отходит несколько ответвлений. Различают распределительные и питающие линии, линии межсистемной связи.

У воздушной линии провода поддерживаются над землей с помощью опор, изоляторов и арматуры. Главным элементом воздушной линии являются провода фаз линии А, В, С. Все материалы, используемые для проводов воздушных линий электропередачи, имеют небольшое удельное сопротивление, высокую механическую прочность, стойкость к изменяющимся условиям окружающей среды. Неизолированные провода и тросы могут быть однопроволочные и многопроволочные, изготовленные из одного материала (сплава) или из разных материалов. Конструкции неизолированных проводов приведены на рисунке ниже.

 

а)              б)                  в)                                    г)                                   д)

 

Конструкции неизолированных проводов: а) однопроволочный;

б) многопроволочный из одного материала; в) многопроволочный из двух материалов; г) расширенный; д) полый

 

Расширенные и полые провода разрабатывались для применения ВЛ напряжением более 220 кВ с целью уменьшения последствий явления коронного разряда на проводах и явления поверхностного эффекта. Для ВЛ СВН и УВН используется расщепление фазы на несколько составляющих. В отечественных линиях 330 кВ используют расщепление фазы на два провода, фиксируемых распорками на расстоянии 40 см друг от друга. На ВЛ 550 кВ применяется конструкция "равносторонний треугольник" для пучка из трех проводов.

Для защиты проводов от прямых ударов молнии применяются грозозащитные тросы. Грозозащитные тросы выполняются из стальных оцинкованных многопроволочных канатов сечением 35, 50 и 70 мм2. На ВЛ более 110 кВ имеющих стальные или железобетонные опоры, грозозащитные тросы подвешиваются вдоль всей линии. Опоры предназначены для поддержания проводов и тросов на определенной высоте над поверхностью земли. Изоляторы обеспечивают

необходимый промежуток между проводом и опорой. С помощью линейной арматуры провода закрепляются на изоляторах, изоляторы - на опорах. Фундаменты обеспечивают устойчивость всей конструкции:

 

 

Опора воздушной линии: 1 – провода фаз (A, B, C); 2 – защитные тросы (Т1, Т2); 3 – опора; 4 – гирлянда изоляторов; 5 – элементы арматуры; 6 - фундаменты

 

Для воздушной линии переменного тока существует зависимость максимальной передаваемой мощности от ее длины - чем длиннее линия, тем меньше предельная мощность, которую можно передать.

Кабельные линии переменного тока имеют длину не более 15-20 км, прежде всего из-за высокой стоимости кабеля. Для передачи и распределения электроэнергии применяются силовые кабели низкого, среднего и высокого напряжения, изолированные провода и волоконно-оптические кабели. Силовые кабели низкого напряжения применяются в трехфазных системах с заземленной нейтралью при напряжении 220/380 В и в основном исполнении имеют три фазных провода и один нулевой для соединения с заземленной нейтралью. Силовые кабели среднего напряжения применяются в распределительных сетях с изолированной нейтралью на напряжении 6, 10, 20 и 35 кВ. Конструкция силовых кабелей приведена на рисунке ниже.

 

Конструкция силового кабеля: 1 - ПВХ-оболочка; 2- ПВХ-изоляция; 3- алюминиевая жила

 

 

Конструкция силового кабеля: 1 – токопроводящая жила; 2 – фазная изоляция; 3 – поясная изоляция; 4 – заполнитель; 5 – металлическая броня; 6 – подушка;

7 – броня; 8 – наружный покров.

В кабельной линии один или несколько кабелей расположены в земле или специальных сооружениях (коллекторах, туннелях, каналах и т.д.).

 

Воздушные и кабельные линии электропередачи обладают активным сопротивлением проводов, емкостью системы и индуктивностью, в случае несовершенной изоляции -проводимостью. Для линий переменного тока электромагнитные процессы, связанные с передачей электроэнергии, носят волновой характер и линия электропередачи рассматривается как цепь с распределенными параметрами. Для описания процессов вводят понятие бегущих волн, рассматривая напряжение и ток в сечении линии как результат наложения прямых и обратных волн.   Рассчитывается фазовая   скорость       бегущей          волны, длина   волны, коэффициент распространения, волновое сопротивление линии.

При равномерном распределении параметров определяют параметры линии на единицу длины (первичные или погонные параметры), вводя допущение о линейности параметров. Для двухпроводной линии первичными параметрами являются: R0 , Ом/м [Ом/км] - сопротивление прямого и обратного проводов на единицу длины; L0 , Гн/м [Гн/км] – индуктивность токовой петли, образуемой прямым и обратным проводами; C0 , Ф/м [Ф/км] – емкость между проводами; G0 , См/м [См/км] – проводимость между проводами). Для трехпроводной и четырехпроводной линии - взаимные индуктивности токовых петель провод-провод и провод-земля, взаимные емкости и проводимости. Индуктивность и емкость воздушной линии определяются ее конструкцией - расстоянием между фазами, взаимным расположением, диаметром проводов и длиной линии. У ВЛ расстояние между фазами - около 10 м (у ВЛ 500 кВ - 12 м); на одноцепных опорах, как правило, применяют расположение проводов по вершинам треугольника или горизонтальное.

Собственная и взаимная индуктивность каждой фазы зависит от размеров "петель" провод-земля и провод-провод. Для трехпроводной линии роль нейтрального провода выполняет земля. Ток в земле обычно учитывают токами в трех фиктивных проводах, оси которых находятся на расстоянии Dэ                                                    от осей проводов линии (см. рисунок ниже). Это расстояние называют

"эквивалентной глубиной протекания обратного тока". Оно зависит от частоты переменного тока и от удельной проводимости      почвы*. В качестве среднего значения эквивалентную глубину протекания обратного тока при частоте f =50 Гц принимают равным 1000 м. При таком учете

тока в земле получаются три петли, каждая из которых состоит из реального и фиктивного проводов. Индуктивность токовых петель провод-земля для каждой фазы принимается

 

 

*     Определение собственной индуктивности фаз трехпроводной линии - достаточно сложна задача. Также значительные трудности возникают при моделировании активного сопротивления нулевого провода Rз .

C

одинаковой L A = L B = L = L. Взаимные индуктивности токовых петель провод-провод M A B , M B C и M CA различны.

Для учета заряда, индуцированного на поверхности проводов и земли, вводят между всеми проводами и землей частичные емкости (см. рисунок ниже). Существуют специальные методики определения собственных и взаимных емкостей системы проводов.