 |
Тема 8.2. Возможные пути повышения пропускной способности линий электропередачи
|
|
|
|
Тема 8. 2. Возможные пути повышения пропускной способности линий электропередачи
В случае, если пропускная способность линии или электропередачи оказывается недостаточной, необходимо принимать меры для ее повышения. Часто в таких случаях увеличивают количество цепей линии. Однако это, как правило, увеличивает капиталовложения в электропередачу, расходы на ее эксплуатацию и требует дополнительного отвода земли. Поэтому следует искать пути повышения пропускной способности отдельных линий и электропередач в целом.
Основываясь на (8. 3) и (8. 4), к таким путям можно отнести:
- повышение номинального напряжения;
- изменение волнового сопротивления линии;
- уменьшение волновой длины линии (уменьшение расстояния между точками линии, в которых поддерживается неизменное напряжение);
- уменьшение значения коэффициента 
эквивалентного четырехполюсника.
Повышение номинального напряжения
Номинальное напряжение линий электропередачи непрерывно возрастало в течение всей истории развития электроэнергетики, что объяснялось ростом потоков энергии и увеличением расстояний от пунктов ее генерации до центров потребления. Если в начале ХХ в. было освоено напряжение 110 кВ с пропускной способностью на одну цепь 30—40 МВт, то в конце века была включена под напряжение линия 1150 кВ, по которой можно передать мощность свыше 5000 МВт. Освоение каждого нового класса напряжения требовало значительного времени и серьезных научно-исследовательских и конструкторских работ, связанных с разработкой оборудования, методов ограничения перенапряжений, новых видов изоляции и т. д. Каждый новый класс напряжения осваивался через 10—15 лет после предыдущего, причем по мере роста напряжения этот срок увеличивался.
|
|
|
Возникает вопрос: будет ли увеличиваться номинальное напряжение в дальнейшем? Для получения ответа на этот вопрос предстоит решить целый ряд сложнейших научно технических и экономических задач. При этом следует иметь в виду, что освоение нового класса напряжения целесообразно лишь тогда, когда этот класс позволит поднять пропускную способность линий в несколько раз. Если взять существующие шкалы номинальных напряжений, то каждая следующая ступень напряжения превышает предыдущую в 2 раза, что позволяет повысить пропускную способность линий в 4 раза. Основываясь на этой логике, можно утверждать, что следующий класс должен иметь напряжение 1600—1800 кВ с пропускной способностью 10— 13 ГВт на цепь. Разработать оборудование для этого напряжения и освоить его выпуск — задача далеко не простая.
Из большого комплекса проблем, связанных с созданием линий новых классов напряжений, можно выделить наиболее важные:
- обеспечение надежной и устойчивой работы всей электроэнергетической системы при аварийных выходах таких линий из работы;
- преодоление ограничений воздушной изоляции при ультравысоких напряжениях, поскольку при таких напряжениях электрическая прочность воздуха исчерпана, и он перестает быть изолирующей средой;
- технические возможности глубокого ограничения внутренних перенапряжений;
- возможности создания трансформаторов, автотрансформаторов, реакторов и другого оборудования;
- разработка рациональной конструкции фазы и опор воздушных линий;
- решение достаточно острых экологических проблем, связанных с отводом земли и воздействием электрического поля на живые организмы.
Рассмотрим эти вопросы несколько подробнее.
Следующая ступень напряжения, эскизные проработки которой проводились в некоторых странах, — это напряжение 1600—1800 кВ при натуральной мощности цепи 10—13 ГВт, что равно мощности нескольких крупных тепловых или атомных станций. Внезапное отключение такой линии в результате аварии приведет к столь сильному возмущению в связываемых системах, что это может привести к крупной системной аварии.
|
|
|
Разумеется, с экономической точки зрения передача столь большой мощности по одной линии выгоднее, чем передача той же мощности по нескольким цепям, однако ущерб от возможной аварии может быть значительно выше полученной экономии. Поэтому при решении таких вопросов в первую очередь должны приниматься во внимание требования надежности. Для исключения подобных аварийных ситуаций необходимо применение сложных и дорогостоящих инженерных решений (создание многоцепных линий, кольцевых сетей и пр. ), исключающих системные аварии при внезапных отключениях отдельных линий.
Дальнейшее повышение номинального напряжения не может быть осуществлено без проведения сложных работ, связанных с исследованием электрической прочности воздуха при импульсных напряжениях свыше 2, 5 МВ. При таких напряжениях воздух перестает быть изолирующей средой. Волна перенапряжений в линии ультравысокого напряжения может вызвать пробой воздушного промежутка провод — земля в низшей точке стрелы провеса проводов.
Исследования в этом направлении крайне скупы и в настоящее время осложняются отсутствием необходимого испытательного оборудования. Создать такое оборудование чрезвычайно сложно из-за недостаточной электрической прочности воздуха, поскольку это оборудование должно быть рассчитано на еще более высокие напряжения, чем номинальное напряжение линии.
Сложности в создании изоляции аппаратуры для линий сверхвысоких и ультравысоких напряжений привели к тому, что по мере роста напряжений расчетное напряжение этой изоляции все более приближалось к рабочему. Отсюда необходимость снижения уровня допустимых перенапряжений по мере роста номинального напряжения. В настоящее время приняты следующие значения допустимых перенапряжений по отношению к фазному:
Допустимый уровень перенапряжений для более высоких классов напряжения предстоит еще определить, однако, без сомнения, он будет еще ниже.
|
|
|
Все это предопределяет выполнение целого ряда мероприятий по снижению внутренних перенапряжений линии. К их числу следует отнести разработку новых ограничителей перенапряжений, основанных на применении оксидно-цинковых нелинейных элементов; полную компенсацию и, возможно, перекомпенсацию зарядной мощности линий; применение шунтирующих резисторов у выключателей.
Большие сложности представляет изготовление необходимого оборудования, рассчитанного на новые напряжения. Если коммутационная аппаратура может быть изготовлена в элегазовом исполнении, что связано с большими трудностями, то создание трансформаторов, автотрансформаторов и реакторов осложняется помимо прочего еще двумя факторами. Один из них — внутренняя и внешняя изоляция трансформаторов и реакторов. Все, что говорилось выше об электрической прочности воздуха при напряжениях свыше 2, 5 МВ, справедливо и здесь и должно учитываться при создании внешней изоляции этих аппаратов. Внутренняя изоляция трансформаторов и реакторов также потребует новых конструктивных решений и разработки новых ее видов. Другой фактор большие мощности трансформаторов и проблема их транспортировки от завода-изготовителя до места установки. Их внушительные размеры и масса (свыше 500 т) делают эту проблему весьма сложной.
Достаточно сложные задачи предстоит решить и при выборе конструкций фазы и опор линии. Количество проводов в расщепленной фазе должно быть больше, чем в фазе линии 1150 кВ. Если предположить, что количество проводов увеличивается пропорционально напряжению, то в фазе линии 1800 кВ должно быть 1З—15 проводов. При шаге расщепления 60 см диаметр расщепления будет около 3 м, что резко увеличивает ветровые и гололедные нагрузки на опоры линии.
Для увеличения воздушного промежутка провод—земля в нижней точке провеса провода, а также для снижения напряженности электрического поля на поверхности земли необходимо, чтобы опора линии имела достаточную высоту. Высота опоры может достигать 50 м более при длине траверсы 55—60 м. Одна из возможных конструкций таких опор приведена на рис. 8. 1.
|
|
|
Рис. 8. 1. Промежуточная портальная опора ВЛ 1800 кВ (размеры даны и метрах)
Подвеску проводов на промежуточных опорах необходимо выполнять на двухцепных гирляндах изоляторов, учитывая суммарную массу проводов и требования повышенной надежности. Большие габаритные размеры опоры, ее повышенная надежность, количество проводов в фазе, двухцепные гирлянды, сложная линейная арматура все это приводит к достаточно высокой удельной стоимости линии.
На рис. 8. 2 приведены зависимости стоимости 1 км линии, ячейки воздушного выключателя и удельной стоимости трансформатора от номинального напряжения. Эти зависимости даны в относи- тельных единицах по отношению к соответствующим стоимостям линии и оборудования 110 кВ по данным на 2005 г.
Экстраполяция данных, приведенных на рис. 8. 2, показывает, что стоимость 1 км линии 1800 кВ оказывается примерно в 35—40 раз выше стоимости километра ливии 110 кВ, стоимость ячейки выключателя — в 80—90 раз, что позволяет судить о возможных экономических показателях линии 1800 кВ. Ее натуральная мощность (пропускная способность) при этом возрастет почти в 400 раз!
Рис. 5. 2. Зависимости относительной стоимости 1 км линии (а), ячейки выключателя (б) и трансформатора (в) от номинального напряжения
Воздействие линий УВН на окружающую среду еще более усиливается по сравнению с линиями СВН. Среди многочисленных факторов этого воздействия следует прежде всего отметить повышенную напряженность электрического поля на поверхности земли, которая неблагоприятно влияет на живые организмы; во избежание этого необходимо принимать определенные меры (увеличение высоты опор, экранирование при пересечении проезжей части дорог и т. д. ), что отражается на стоимости линии.
Серьезные меры следует принимать и по защите персонала подстанций УВН от воздействия электрического поля (экранирование рабочих мест и путей осмотра оборудования, находящегося под напряжением, работа в защитных костюмах и др. ).
|
|
|
