15 УДК 621.315 ВЛИЯНИЕ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ПРИСОЕДИНЕНИЙ НА УСТОЙЧИВОСТЬ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ Засл. деятель науки и техн. РБ, докт. техн. наук, проф. ПОСПЕЛОВ Г. Е. Белорусский национальный технический университет В электроэнергетике отмечается определяющая ее развитие тенденция интегрирования международных электроэнергетических систем в объеди- нения – большие системы для получения дополнительных эффектов от их совместной работы. В создании объединенных систем большую роль иг- рают электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения. Однако с увеличением протяженности линий электропередачи усложняются условия совместной работы линии с присоединенными к ней энергосистемами, в частности проблемы обеспечения статической и динамической устойчи- вости, режимов напряжения и технико-экономических характеристик. Этим проблемам систем электропередачи уделяется внимание в данной статье при рассмотрении влияния на их работу промежуточных присоеди- нений. Для электроэнергетической системы активные мощности электро- станций могут быть представлены в виде [1] 16 2 1 sin sin( ), n i i ii ii i j ij ij ij j j i P E y E E y = ≠ = α + δ −α∑ (1) где (i = 1, 2, …, n); δij – углы расхождения роторов i- и j-машин; yii, yij – собственные и взаимные проводимости; αii, αij – дополнительные углы проводимостей. Изменения углов δ ij определяются дифференциальными уравнениями 2 2 02 1 sin sin( ). n i i i ii ii i j ij ij ij j j i dM P E y E E y dt = ≠ δ = − α + δ −α∑ (2) Из (1) и (2) следуют зависимости активных мощностей электростанций и углов δ от проводимостей yij, которые в свою очередь зависят не только от схемы электрической сети, но и от мощности и характеристик нагрузки. Рассмотрим, прежде всего, влияние величины местной нагрузки на пропускную способность электропередачи, на которую работает удаленная электростанция. Местной будем называть нагрузку, питаемую от генера- торных шин отправного конца системы электропередачи; за счет этой нагрузки установленную мощность передающей электростанции потребу- ется увеличить по сравнению со случаем отсутствия местной нагрузки. Ве- личина относительного реактивного сопротивления генератора передаю- щей электростанции на базе передаваемой мощности соответственно уменьшится и вырастет величина мощности, устойчиво передаваемой по линии. Ориентировочная оценка увеличения передаваемой мощности или дальности передачи за счет указанного уменьшения относительного реак- тивного сопротивления генераторов видна из представленных на рис. 1 за- висимостей дальности передачи от величины местной нагрузки, выражен- ной в долях передаваемой мощности. Рис. 1. Зависимости дальности передачи от мощности местной нагрузки Для построения зависимостей были приняты обычные параметры гене- раторов и трансформаторов. Предполагалось также отсутствие каких-либо 0 100 250 400 550 700 850 1000 l, км 0,5 1,0 1,5 2,0 P = 1 P = 1,5 гP Р Р − 17 специальных мер повышения дальности, принималась только полная ком- пенсация емкостной проводимости отправного конца П-образной схемы замещения линий передачи шунтирующими реакторами, установленными в начале линии, емкостная проводимость приемного конца использовалась для приемника. Из рис. 1 видно, что наличие местной нагрузки значительно увеличива- ет дальность передачи. Анализ [1–3] свидетельствует о безусловно благо- приятном влиянии местной нагрузки, при которой требуется установка до- полнительной мощности генераторов передающей станции, что вызывает уменьшение величины относительного реактивного сопротивления генера- тора. Кроме того, местная нагрузка, подобно шунтирующему реактору, частично компенсирует емкостную проводимость линии. Местная нагруз- ка, расширяя пределы дальности передачи, улучшает экономические ха- рактеристики передачи, приближая их к экономическим показателям обычных электропередач, без применения каких-либо специальных средств повышения дальности. Аналогичный результат получается и для электропередач с промежуточными отборами мощности и присоединения- ми [2]. Имеется мнение [4, 2] о целесообразности устройства вдоль элек- тропередачи через 250–300 км подстанций, связывающих ее с сетями и электростанциями прилегающих районов. Кроме отмеченного выше положительного влияния местной и проме- жуточной нагрузки, на систему передачи в известной степени [3, 5–9] вли- яет регулирующий эффект нагрузки [3, 5, 6]. В частности, исследования [3] установили, что высоким регулирующим эффектом как по активной, так и по реактивной мощности обладает ртутно-выпрямительная нагрузка, рабо- тающая на противоЭДС. Влияние регулирующего эффекта других видов нагрузки имеет второстепенное значение по сравнению с увеличением пропускной способности за счет увеличения номинальной мощности гене- раторов в связи с появлением нагрузки. Влияние местной нагрузки на ди- намическую устойчивость невелико, оно обусловливается тормозящим действием нагрузки на генераторы. Для повышения динамической устойчивости может быть использован избыток реактивной мощности системы электропередачи, которым она располагает в режимах передачи мощности, менее натуральной. Для устранения ряда известных отрицательных явлений за счет этого избытка в электрических сетях электроэнергетических систем применяют- ся компенсаторы реактивной мощности, подключаемые к линиям электро- передачи. Простейшими компенсаторами служат шунтирующие реакторы. При авариях, в частности при коротких замыканиях на линиях, отклю- чается поврежденная цепь линии или, если на линии имеются переключа- тельные пункты, поврежденная секция электропередачи. Это приводит к увеличению эквивалентного сопротивления линии электропередачи в послеаварийном режиме и соответственно к снижению уровня динамиче- ской устойчивости и статической устойчивости послеаварийного режима. Снижение устойчивости может быть скомпенсировано, если вместе с поврежденной цепью линии или при наличии переключательных пунктов с ее поврежденной секцией отключать часть реакторов. Такое отключение вызовет мгновенное повышение напряжения электропередачи, уменьшит 18 послеаварийный толчок и будет способствовать повышению динамической устойчивости. Для электропередачи протяженностью 500–900 км, как пока- зали расчеты, предел динамической устойчивости увеличится на 16–54 %. Для обобщенной оценки этого эффекта рассмотрим обычную систему передачи, состоящую из удаленной электростанции, повышающей под- станции, линии передачи, подключенной к шинам приемной системы. По- казано [2], что для исследования устойчивости, пропускной способности, перенапряжений, токов коротких замыканий можно в системах передачи не учитывать активные сопротивления и проводимости. Поэтому для рас- сматриваемой системы передачи в относительных единицах на базе нату- ральной мощности эквивалентное сопротивление составит г гcos sin sin ,x x l l x b l= α + α + α (3) где хг – эквивалентное суммарное реактивное сопротивление генераторов и трансформаторов; α – коэффициент изменения фазы на единицу длины; b – проводимость шунтирующего реактора. При отключении части мощности шунтирующего реактора проводимо- стью b0 эквивалентное сопротивление системы передачи рассчитаем г г 0cos sin ( )sin .x x l l x b b l′ = α + α + − α (4) Из (3) и (4) найдем величину эквивалентного реактивного сопротивле- ния системы передачи в послеаварийном режиме в долях эквивалентного реактивного сопротивления нормативного режима г г 0 г г cos sin ( )sin . cos sin sin x l l х b b lx x x l l х b l ′ α + α + − α χ = = α + α + α (5) Величина χ, как показано в [10, 11], может быть весьма эффективным средством управления динамическим переходом систем электропередачи. Соответственно она дает возможность обеспечить необходимую пропуск- ную способность системы электропередачи в послеаварийном режиме. Кроме способов, указанных в [10], величина χ согласно (5) может регу- лироваться за счет управления устройствами поперечной компенсации. Для параметров системы передачи Самара – Москва при отключении b0 = = b = 0,76 получилось увеличение пропускной способности на 26,5 %. Однако при использовании этого средства необходимо производить проверку на повышение напряжения в начале линии электропередачи. Напряжение в точке «к» линии передачи к к 2 к 2 ,U A U B I= +    (6) где с индексом «к» – обобщенные постоянные линии от ее приемного кон- ца до точки «к»; 2U и 2I – напряжение и ток приемного конца. Аналогично представим ЭДС генераторов за переходным сопротивле- нием 2 2 ,dE AU BI′ = +    (7) 19 где А и В – соответствующие обобщенные постоянные. Из выражений (6) и (7) найдем кк к к 2 . dB EA B ABU U B B ′− = +          (8) Полагая U2 = 1 и d dE E′ ′= ∠Θ , для линии электропередачи без потерь величину напряжения в точке «к» получим в виде 2 2 2 2 к к к к к ( cos ) ( ) sin .d d А В АВ В E B Е U B ′ ′− + Θ + Θ = (9) Если до точки «к» линия не содержит компенсирующих устройств, то А = cosαlк; Вк = sinαlк и вместо (9) получим 2 2 2 2 к ( cos sin cos sin ) ( ) sin sin .d d В l А l E l Е l U B ′ ′α − α + Θ α + Θ α = (10) Расчеты по (10) показывают, что для заданного угла Θ максимальное значение напряжения в линии имеет место в некотором отдалении от ее начала. Это максимальное значение напряжения очень мало отличается от напряжения в начале линии непосредственно за повышающим трансфор- матором. Так как конечные устройства линии передачи в отношении изо- ляции являются более слабыми элементами, чем линия, то больший инте- рес представляет напряжение в ее начале. Для принятых параметров электропередачи (l = 900 км) при Θ = 30° напряжение в начале линии получилось U1 = 1,35 – недопустимое значе- ние. Устранения этого повышения напряжения можно достичь применением двух реакторов: основного – отключаемого и второго – стабилизирующего напряжения за счет насыщения сердечника, жестко связанного с линией. При отключении основного реактора напряжение линии повышается и ста- билизирующий реактор благодаря увеличению своей проводимости, а следовательно, и мощности удерживает напряжение на определенном уровне. По мере увеличения угла Θ величина напряжения в начале линии U1 падает, а проводимость стабилизирующего реактора уменьшается. Сле- довательно, при больших значениях угла Θ система электропередачи рабо- тает как бы с отключенным реактором и преимуществами этого отключе- ния. При повышении напряжения U1 система работает, как с реактором, компенсирующим емкость линии и уменьшающим предел повышения напряжения. Для количественной характеристики воспользуемся результатами кон- кретных расчетов, методика которых состоит в следующем. Предположим, что сердечник стабилизирующего реактора выполнен из стандартной трансформаторной стали. Рабочую часть кривой намагничивания с доста- точным приближением можно выразить аналитической функцией вида Ip = aUµ, (11) 20 отсюда проводимость реактора 1.b aU µ−= (12) Для некоторого насыщения стали, характеризуемого магнитной индук- цией В0, U1 = 1 получим b = a. Следовательно, а численно равно проводи- мости реактора при напряжении, равном 1. Показатель степени µ зависит от первоначального насыщения реактора. Для В0 = 1,4 Вб/м2 µ = 8,66; для В0 = 1,5 Вб/м2 µ = 9,03. В табл. 1 даны результаты расчетов для электропередачи l = 900 км, по- казывающие благоприятное действие стабилизирующего реактора. Напря- жение на зажимах повышающего трансформатора при малых углах Θ сни- жается. Случай а = 0 соответствует полному отключению реакторов. Таблица 1 В, Вб/м2 а = 0; В = 1,5 а = 0,005; В = 1,5 а = 0,1; В = 1,5 Θо 30 50 70 90 110 30 50 70 90 110 30 50 70 90 110 U1 1,33 1,27 1,17 1,06 0,90 1,20 1,16 1,07 1,00 0,90 1,14 1,12 1,07 1,03 0,90 В, Вб/м2 а = 0; В = 1,4 а = 0,1; В = 1,4 а = 0,15; В = 1,4 Θо 30 50 70 90 110 30 50 70 90 110 30 50 70 90 110 U1 1,34 1,27 1,17 1,06 0,90 1,17 1,15 1,10 1,02 0,90 1,14 1,11 1,07 0,99 0,90 Выбором проводимости реактора а и первоначального насыщения сер- дечника реактора В можно добиться непревышения заданного максималь- ного уровня напряжения за счет стабилизирующего свойства реактора. Ра- циональные значения В0 и а должны определяться для конкретных условий электропередачи с учетом конструктивных возможностей построения ста- билизирующего реактора. Данные табл. 1 показывают благоприятное действие стабилизирующего реактора – напряжение на зажимах повышающего трансформатора при ма- лых углах Θ снижается. Наиболее благоприятно рассматриваемую задачу будут решать стати- ческие тиристорные компенсаторы (СТК). Эти многофункциональные устройства повышают статическую и динамическую устойчивость, снижа- ют потери электроэнергии, ограничивают коммутационные перенапряже- ния, улучшают условия гашения дуги в паузу ОАПВ, симметрируют неполнофазные режимы, демпфируют качания передаваемой по линиям мощности. Перспективным средством для улучшения режимов электроэнергетиче- ских систем и рационального использования избытков реактивной мощно- сти, в том числе и для повышения динамической устойчивости следу- ет признать управляемые реакторы. Компенсаторы реактивной мощно- сти должны быть одними из основных элементов электроэнергетических систем. Номинальная мощность компенсаторов реактивной мощности опреде- ляется режимом холостого хода. Длина участка линии между двумя пунк- тами установки компенсаторов реактивной мощности не должна превы- 21 шать 600 км. Мощность компенсатора реактивной мощности должна ком- пенсировать зарядную мощность половины длины соответствующих участ- ков линий электропередачи. Компактные линии электропередачи потребу- ют вдвое большую мощность компенсаторов реактивной мощности по сравнению с обычными линиями электропередачи. Использование емкостного эффекта за счет избытков реактивной мощ- ности электроэнергетической системы позволяет осуществлять уменьше- ние эквивалентного реактивного сопротивления систем передачи в после- аварийных режимах. Это дает повышение динамической и статической устойчивости послеаварийных режимов электроэнергетических систем. Сов- местно с послеаварийной конденсаторной компенсацией использование ем- костного эффекта линий передачи позволяет снять ограничение пропускной способности систем электропередачи по динамической устойчивости. В Ы В О Д Ы 1. Промежуточные отборы мощности в системах электропередачи пе- ременного тока, в том числе и местная нагрузка электростанции, оказыва- ют положительное влияние на возможности электропередачи (рис. 1). Промежуточная нагрузка повышает статическую устойчивость системы передачи, улучшает ее технико-экономические характеристики. 2. На динамическую устойчивость систем электропередачи она оказы- вает значительно меньшее влияние, чем на их статическую устойчивость. Динамическая устойчивость систем электропередачи может быть по- вышена за счет использования емкостного эффекта линии. В этом случае должны быть использованы какие-либо устройства поперечной компенса- ции – шунтирующие реакторы, статические тиристорные компенсаторы, управляемые шунтирующие реакторы. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. П о с п е л о в, Г. Е. Технико-экономические характеристики дальних электропере- дач с промежуточными присоединениями / Г. Е. Поспелов, Р. И. Запатрин, Т. Г. Поспело- ва. – Минск: Наука и техника, 1983. 2. П о с п е л о в, Г. Е. Элементы технико-экономических расчетов систем электропе- редач / Г. Е. Поспелов. – Минск: Вышэйш. шк., 1967. 3. Ф е д о р о в а, И. А. Влияние мощной ртутно-выпрямительной нагрузки на устойчи- вость системы / И. А. Федорова // Электричество. – 1949. – № 12. 4. В у л ь ф, А. А. Проблема передачи электрической энергии на сверхдальние рассто- яния по компенсированным линиям / А. А. Вульф. – М.: Госэнергоиздат, 1941. 5. Ф е д о р о в а, И. А. О влиянии некоторых химических производств на статические характеристики узлов нагрузки энергетических систем / И. А. Федорова // Энергетика… (Изв. высш. учеб. заведений СССР). – 1964. – № 6. 6. Ф е д о р о в а, И. А. Влияние некоторых видов местной нагрузки на устойчивость дальних электропередач / И. А. Федорова // Электричество. – 1954. – № 4. 7. Н а з а р е н к о в а, Г. А. К вопросу теоретического и экспериментального определе- ния статических характеристик промышленных предприятий / Г. А. Назаренкова // Тр. Но- восибирского электротехнического института. – Новосибирск, 1951. – Т. 2. 8. Г у р в и ч, Ю. Г. Устойчивость нагрузки электрических систем / Ю. Г. Гурвич, Л. Г. Либова, Э. А. Хачатрян. – М.: Энергоиздат, 1981. 9. П о с п е л о в, Г. Е. Взаимодействие генераторов электрических станций с линиями электропередачи и приемниками электрической энергии / Г. Е. Поспелов // Энергетика… (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). – 2001. – № 1.