Энергетика

Технические аспекты создания компактных управляемых ВЛ 220 и 500 кВ

В настоящей статье рассмотрены технические решения по созданию компактных управляемых ВЛ повышенной пропускной способности с улучшенными по сравнению с ВЛ традиционной конструкции технико-экономическими показателями. Для компактных управляемых ВЛ в одноцепном и двухцепном исполнениях эффективно применение современных устройств регулирования параметров, в том числе средств фазового управления и продольно-поперечной компенсации.

Применение компактных управляемых ВЛ, оснащённых устройствами регулирования, позволяет решить ряд проблем при создании активно-адаптивных сетей для обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителей.

Компактные ВЛ в сочетании с устройствами FACTS — эффективное средство развития электрических сетей, способствующее снижению затрат на транспорт электрической энергии в расчёте на единицу передаваемой мощности благодаря повышению пропускной способности электрической сети, сокращению площадей отчуждаемых земельных угодий, использованию устройств регулирования [1—4].

Компактные двухцепные ВЛ могут быть выполнены таким образом, чтобы осуществлялось не только внешнее регулирование, но и внутреннее регулирование параметров линии в целом (самокомпенсация эквивалентных параметров), что достигается путём изменения взаимного электромагнитного влияния сближенных цепей. Линии электропередачи, обладающие такими свойствами, получили название управляемых самокомпенсирующихся воздушных линий (УСВЛ). Они могут быть отнесены к категории гибких систем транспорта электроэнергии на переменном токе.


КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
КОМПАКТНЫХ УПРАВЛЯЕМЫХ ВЛ


В мировой практике нашли применение ВЛ с уменьшенными расстояниями между фазами (компактные линии) в одноцепном и многоцепном исполнении, а также с расположением на одной опоре цепей различных классов напряжения. Для таких конструкций обязательными являются условия соблюдения требований нормативных документов, в том числе ПУЭ:
• по наименьшим допустимым изоляционным расстояниям при наибольших рабочих напряжениях, внутренних и грозовых перенапряжениях;
• по условиям механической устойчивости работы проводов фаз в пролётах, в том числе при воздействии различных неблагоприятных климатических условий.

Выбор конструкции компактных ВЛ обусловлен возможностью регулирования электрических параметров линий за счёт изменения параметров электромагнитного поля в междуфазном и окружающем линию пространстве.

Усиление электромагнитного поля внутри линии путём сближения фаз позволяет увеличить пропускную способность и улучшить электрические и технические параметры ВЛ. Ослабление электромагнитного поля во внешнем пространстве приводит к улучшению экологической обстановки вдоль трассы ВЛ.

На компактных ВЛ используются:
• конструкции опор, исключающие наличие заземлённых элементов между фазами (в частности, опоры охватывающего типа);
• изолирующие траверсы;
• специальные виды подвесок проводов на опорах, например с помощью V-образных гирлянд изоляторов.

Для обеспечения механической устойчивости сближенных фаз в пролётах могут быть использованы различные изоляционные межфазовые элементы (изоляционные распорки).

Электрические параметры компактных ВЛ при работе в нормальных симметричных режимах сохраняются неизменными. Выравнивание электрических параметров фаз цепей осуществляется за счёт транспозиции фаз внутри каждой цепи.

Применение на компактных ВЛ различных устройств поперечной или продольной компенсации приводит к изменению эквивалентных параметров электропередачи в целом, собственные параметры линии (индуктивное сопротивление, ёмкостная проводимость, волновое сопротивление) не изменяются.


УПРАВЛЯЕМЫЕ САМОКОМПЕНСИРУЮЩИЕСЯ ВЛ (УСВЛ)

УСВЛ позволяют осуществлять регулирование параметров электрического и магнитного поля фаз и цепей, что обеспечивает управление эквивалентными параметрами ВЛ и величиной передаваемой мощности. Регулирование параметров ВЛ целесообразно осуществлять для обеспечения заданных режимов, как линии, так и энергосистемы в целом. Регулирование осуществляется путём изменения угла сдвига θ системы векторов напряжений фаз одной цепи по отношению к системе векторов напряжений фаз другой цепи в пределах 0—180° с помощью фазоповоротных устройств (ФПУ, ФРТ).

Главное отличие двухцепных УСВЛ от двухцепных компактных ВЛ состоит в том, что на УСВЛ попарно сближены одноимённые фазы разных цепей: А1 и А2, В1 и В2, С1 и С2. Регулирование угла сдвига θ в пределах от 0° до 120° (или до 180°) позволяет обеспечить необходимую величину передаваемой мощности и требуемые параметры режимов электропередачи. При угловом сдвиге θ = 0° УСВЛ обладает минимальной пропускной способностью, а при θ = 120°(180°) — максимальной, которая превышает пропускную способность ВЛ традиционной конструкции того же класса напряжения в диапазоне 1,3—1,6 раза.

Регулирование угла θ может быть плавным или дискретным. Для плавного регулирования требуется установка фазоповоротных устройств (ФПУ), которые могут совмещать в себе функции трансформаторов или автотрансформаторов. Наиболее простым, но вместе с тем достаточно эффектным является дискретное регулирование, обеспечивающее два режимных состояния УСВЛ, а именно θ = 0° или θ = 120°. Такое регулирование может быть осуществлено путём переключения соответствующих фаз на одной из цепей (рис. 1).

Применение ФПУ (ФРТ) на УСВЛ совместно с другими устройствами FACTS обеспечивает заданные параметры ВЛ, высокую управляемость электрических сетей и позволяет достичь существенной экономии капитальных и эксплуатационных затрат по энергосистеме в целом по сравнению с вариантами традиционных решений.


ОРГАНИЗАЦИЯ РЕМОНТНЫХ РАБОТ НА КОМПАКТНЫХ ВЛ


Ремонтные работы на ВЛ выполняются при снятии напряжения или под напряжением [5, 6].

При снятии напряжения все виды ремонтных работ на компактных ВЛ могут проводиться аналогично работам на ВЛ традиционной конструкции, за исключением работ, связанных с ремонтом междуфазовых изолирующих распорок. Любые работы по замене и ремонту междуфазовых изоляционных элементов, а также арматуры расщеплённых фаз могут проводиться с использованием применяемых в настоящее время на ВЛ традиционной конструкции с расщеплёнными фазами специальных передвижных подвесных тележек. При замене или ремонте стягивающих междуфазных элементов требуется предварительная фиксация расстояния между сближенными фазами с помощью фиксирующих приспособлений.

При проведении ремонтных работ под напряжением на двухцепных компактных ВЛ, аналогично традиционным двухцепным ВЛ, требуется полное отключение цепи, на которой необходимо выполнение ремонтных работ.

При проведении ремонтных работ под напряжением на двухцепных УСВЛ организация работ существенно отличается от выполнения работ на двухцепных ВЛ традиционного и компактного исполнения.

Преимущества при проведении ремонтных работ под напряжением на УСВЛ достигаются за счёт того, что в них попарно сближены фазы разных цепей. Для УСВЛ предусматривается как минимум два режима работы (рис. 1): при θ = 0° или θ = 120°, т.е. в первом случае сближенные фазы будут иметь одинаковые напряжения (по модулю и фазе), а во втором случае между ними будет линейное напряжение.

При θ = 0° пара сближенных фаз может рассматриваться как одна фаза с глубоким расщеплением. Расстояния от одной пары фаз ВЛ до других и до заземлённых элементов опор на УСВЛ выдерживаются такими же, как на ВЛ традиционной конструкции. Ремонт каждой пары сближенных фаз под напряжением может проводиться с использованием всех приёмов и процедур, применяемых при выполнении ремонтных работ под напряжением на традиционных ВЛ с расщеплёнными фазами.

При θ = 120° при необходимости производства ремонтных работ под напряжением УСВЛ должна быть переведена в режим θ = 0°. В этом случае передаваемая мощность будет меньше, чем в режиме θ = 120°.

При необходимости отключения фазы одной из цепей УСВЛ в режиме θ = 120° ряд работ может быть выполнен без отключения второй фазы, но большинство работ требуют отключения пары сближенных фаз, принадлежащих разным цепям. При этом оставшиеся под напряжением две пары фаз обеспечат четырёхфазный режим УСВЛ. Например, если будет отключена пара фаз (А1 и В2), то остальные две пары фаз могут обеспечить полноценное трёхфазное питание. Выполнение ремонтных работ на отключённой паре фаз может проводиться аналогично работам на отключённой ВЛ при соблюдении соответствующих мер безопасности, так как остальные 4 фазы УСВЛ будут под напряжением.

Преимущества УСВЛ при выполнении ремонтных работ под напряжением необходимо принимать во внимание при технико-экономических обоснованиях выбора того или иного типа ВЛ.


ПРИМЕНЕНИЕ КОМПАКТНЫХ
УПРАВЛЯЕМЫХ ВЛ В ЭНЕРГОСИСТЕМАХ


К настоящему времени выполнен большой объём расчётных предпроектных и проектных работ по созданию ряда ВЛ в компактном исполнении (одноцепном и двухцепном), в том числе двухцепных УСВЛ различных классов напряжения. Некоторые проекты нашли практическую реализацию в энергосистемах СНГ.

Так, в энергосистеме Молдовы уже более 30 лет успешно эксплуатируются одноцепные компактные ВЛ 10 кВ со сближенными фазами (общей протяжённостью около 600 км) и двухцепная УСВЛ 110 кВ длиной 54 км, построенные по разработкам Института энергетики АН Молдовы и проектам Молдавского Института «Энергопроект».

В ЕЭС России с 1993 г. функционирует компактная ВЛ 330 кВ Псковская ГРЭС — Новосокольники протяжённостью 146,7 км.

В период до 1990 г. были выполнены ТЭО двухцепных УСВЛ 220 кВ Курейская ГЭС — Норильск протяжённостью 400 км; ТЭО двухцепной УСВЛ 500 кВ Богучанская ГЭС — Канск протяжённостью 450 км; ТЭО двухцепной УСВЛ 220 кВ Левобережная — Новокрасноярская; предпроектные проработки двухцепной УСВЛ 500 кВ Борино — Металлургическая. После 2000 г. работы в области компактных ВЛ и УСВЛ были возобновлены и расширены.

На сегодняшний день по заданию ОАО «ФСК ЕЭС» совместно с Институтом «Энергосетьпроект» были выполнены исследования возможности применения для ряда энергообъектов ЕНЭС различных вариантов компактных ВЛ 220 и 500 кВ вместо ВЛ традиционной конструкции.

Результаты исследований показали техническую и экономическую эффективность сооружения компактных одноцепных и двухцепных, а также управляемых самокомпенсирующихся ВЛ напряжением 220, 500 кВ.

На основании выполненных расчётов и анализа перетоков мощности в различных узлах ОЭС Сибири, Урала и Востока с учётом «Схемы и программы развития Единой энергетической системы России на период 2010—2016 гг.» рассмотрены следующие энергообъекты, на которых возможно и целесообразно применение компактных линий электропередачи: ВЛ 220 кВ Майя — Томмот; ВЛ 220 кВ Томск — Парабель — Нижневартовская ГРЭС; ВЛ 500 кВ Курган — Витязь (Ишим) — Восход. Показана возможность управления перетоками мощности между ОЭС Сибири и ОЭС Урала по ВЛ 220 кВ Томск — Парабель — Нижневартовская ГРЭС и ВЛ 500 кВ Курган — Витязь (Ишим) — Восход.


ВЛ 220 КВ МАЙЯ — ТОММОТ
В ЭНЕРГОСИСТЕМЕ ЯКУТИИ


Якутская энергосистема состоит из трёх энергорайонов: Южно-Якутского, который входит в состав ОЭС Востока, и Центрального и Западного энергорайонов.

Рост электропотребления за счёт сооружаемой Амуро-Якутской железнодорожной магистрали и новых горнорудных предприятий, которые предполагается разместить вдоль неё, привёл к необходимости объединения Центрального энергорайона Якутской энергосистемы с ОЭС Востока. Для этого предполагается сооружение двухцепной ВЛ 220 кВ Майя — Томмот длиной 427 км.

Для данного энергообъекта возможно использование следующих вариантов:
• двухцепной компактной ВЛ 220 кВ с проводами в расщеплённых фазах 2×АС-300/66 с горизонтальным расположением фаз;
• двухцепной УСВЛ 220 кВ с проводами в расщеплённых фазах 2×АС-300/66 с расположением фаз типа «дельта», которая может быть выполнена с применением опор типа «Чайка».

Проведённые расчёты показали, что для ВЛ 220 кВ Майя — Томмот вариант сооружения двухцепных компактных ВЛ (в том числе УСВЛ) 220 кВ при передаваемой мощности свыше 300 МВт при принятой ставке дисконтирования 10% по критерию минимума суммарных дисконтированных затрат (по данным расчётов Института «Энергосбытпроект») является более эффективным по сравнению с вариантом сооружения двухцепной ВЛ в традиционном исполнении (рис. 2). При снижении передаваемой мощности ниже 300 МВт эффективнее становится вариант традиционных ВЛ. Уровень затрат на компенсацию потерь в энергосистеме при количестве часов использования максимума нагрузки в год, равном 5000, при применении ВЛ 220 кВ традиционной конструкции с проводами АС-300/66 значительно выше (приблизительно в 2 раза), чем при применении компактной ВЛ или УСВЛ с проводами 2×АС-300/66.

Полученные результаты подтверждают целесообразность применения на ВЛ Майя — Томмот при передаче по ней мощности свыше 300 МВт двухцепной компактной ВЛ 220 кВ с конструкцией фазы 2×АС-300/39 или УСВЛ 220 кВ с конструкцией фазы 2×АС-300/39 при значении угла сдвига фаз векторов напряжений цепей θ = 120° вместо планируемой двухцепной ВЛ 220 кВ традиционной конструкции с проводами АС-300/66.


ВЛ 220 КВ ТОМСК — ПАРАБЕЛЬ —
НИЖНЕВАРТОВСКАЯ ГРЭС В ОЭС СИБИРИ


Особенностью Томской энергосистемы является большая протяжённость системообразующей сети 220 кВ от центра генерации (в районе г. Томск) на север области. Питание потребителей северной части Томской области осуществляется по двухцепной ВЛ 220 кВ Томск — Парабель — Советско-Соснинская — Нижневартовская ГРЭС протяжённостью более 800 км с девятью промежуточными подстанциями.

В настоящее время параллельная работа ОЭС Сибири и ОЭС Урала по этой связи не осуществляется из-за вероятности перегрузки линий 220 кВ на головных участках транзита как в нормальных схемах, так и при отключении одной из цепей (рис. 3).

Для повышения надёжности электроснабжения существующих потребителей северных энергорайонов Томской области, а также для обеспечения параллельной работы ОЭС Сибири и Урала по транзиту 220 кВ Томск — Парабель — Нижневартовская ГРЭС в соответствии со «Схемой и программой...» предусматривается к 2013 г. установка фазоповоротного устройства (ФПУ) на линиях 220 кВ Советско-Соснинская — Чапаевка с диапазоном регулирования угла δФРТ = ±40°. Это решение частично позволит снизить остроту проблемы надёжности электроснабжения потребителей северных районов Томской области, но не решит её полностью, особенно в условиях роста нагрузок данного района на перспективу. «Схемой и программой...» предусмотрено также усиление электрических связей по транзиту 220 кВ Томск — Парабель — Нижневартовская ГРЭС за счёт сооружения одноимённого транзита на напряжении 500 кВ.

Проблема увеличения передаваемой мощности по транзиту 220 кВ Томск — Парабель — Нижневартовская ГРЭС с целью обеспечения возможности подключения новых потребителей в северных районах Томской области может быть решена альтернативным путём — за счёт сооружения двухцепной УСВЛ 220 кВ параллельно существующей двухцепной ВЛ традиционной конструкции, что обеспечит возможность передачи мощности, близкой к передаваемой по ВЛ 500 кВ традиционного исполнения. При этом повышается экономическая эффективность передачи мощности по транзиту Томск — Парабель — Нижневартовская ГРЭС за счёт экономии капитальных затрат на строительство дополнительных подстанций 500 кВ.

Как показали расчёты, предлагаемая компактная ВЛ 220 кВ Томск — Парабель — Нижневартовская ГРЭС не загружается до уровня величины натуральной мощности, равной 606 МВт. По результатам расчёта установлено, что загрузка ВЛ на головном участке Томск (Восточная) — Парабель по отношению к величине натуральной мощности линии составляет 48%.

Решить проблему дополнительной загрузки ВЛ в случае необходимости и экономической целесообразности возможно с помощью фазорегулирующих устройств трансформаторного типа (ФРТ, ФПУ) или других устройств FACTS.

Принципиально важным является выбор места установки ФРТ с учётом конфигурации схемы сети и желаемого направления выдачи мощности по ВЛ.

Из ряда рассмотренных вариантов наиболее эффективной в данной сети оказалась установка ФРТ в начале головного участка ВЛ 220 кВ Томск (ПС «Восточная») — Парабель.

Введение с помощью ФРТ в начале каждой цепи двухцепной УСВЛ 220 кВ дополнительного углового сдвига векторов напряжения δФРТ, равного -30° по отношению к напряжению на шинах ПС «Восточная», обеспечивает увеличение передаваемой мощности до 616,8 МВт по отношению к исходной величине 292 МВт.

Дальнейшее увеличение угла сдвига векторов напряжений δФРТ до -40° позволяет увеличить передаваемую мощность до 716,8 МВт, а при значении угла δФРТ = -45° передаваемая мощность может достигать величины 756 МВт.

При введении угла сдвига векторов напряжения δФРТ = -60° достигается увеличение передаваемой мощности до 858 МВт, что в 1,4 раза превышает величину натуральной мощности рассматриваемой УСВЛ 220 кВ и практически равно значению натуральной мощности одноцепной ВЛ 500 кВ традиционного исполнения.


ВЛ 500 КВ ВОСХОД — ВИТЯЗЬ (ИШИМ) — КУРГАН


На базе исходных данных Института «Энергосетьпроект» были выполнены расчёты режимов объединённой энергосистемы с учётом перспектив развития сетей 500 кВ в указанном регионе, в частности при введении в работу новой ВЛ 500 кВ Восход — Витязь (Ишим) — Курган (рис. 3).

Были рассчитаны варианты указанной одноцепной ВЛ 500 кВ в обычном исполнении и в виде компактной одноцепной ВЛ 500 кВ. Результаты этих расчётов для режима передачи максимальных потоков мощности из ОЭС Сибири в ОЭС Урала показаны на рис. 4.

В качестве ветви 500 кВ энергосистемы для фазового управления была выбрана проектируемая ВЛ 500 кВ Восход — Витязь (Ишим) с установкой ФРУ в начале указанной ВЛ, т.е. вблизи узла Восход.

В варианте с фазовым управлением рассматривались режимы при изменении угла сдвига выходного напряжения относительно входного на ФРТ δФРТ в пределах ±60°.

Как можно видеть из приведённых на рис. 4 данных, естественное распределение потоков мощности из ОЭС Сибири в ОЭС Урала (при δФРТ = 0°) составляет 997 МВт, в том числе 352 МВт по ВЛ 500 кВ Восход — Витязь (Ишим). Остальная величина мощности в размере 645 МВт передаётся по сетям 500 кВ ОЭС Сибири и Казахстана, в том числе по ВЛ 500 кВ Кустанай (Казахстан) — Челябинская (Урал).

При введении с помощью ФРТ углового сдвига δФРТ изменяются величины мощностей, передаваемых по рассматриваемым ветвям.

При значении δФРТ, близком к -30°, переток мощности по ВЛ 500 кВ Кустанай (Казахстан) — Челябинская (Урал) становится практически равным 0, вся мощность из ОЭС Сибири в ОЭС Урала передаётся по ВЛ 500 кВ, расположенным на территории России. При этом поток мощности по ВЛ 500 кВ Восход — Витязь (Ишим) составляет 974 МВт, что соответствует величине натуральной мощности данной одноцепной ВЛ при традиционном её исполнении.

Передаваемая по ВЛ 500 кВ Восход — Витязь (Ишим) — Курган мощность при установке вблизи узла Восход ФРТ при необходимости может быть повышена до 1486 МВт (при δФРТ = -60°) при применении следующих технических решений:
• ВЛ традиционной конструкции с установкой УПК соответствующей мощности;
• ВЛ компактного исполнения натуральной мощностью 1486 МВт.

Суммарный переток мощности из ОЭС Сибири в ОЭС Урала по ВЛ, расположенным на территории России, при применении предложенных технических решений и установке ФРТ (δФРТ = -60°) может достичь 1868 МВт вместо 997 МВт без применения ФРТ.

При положительных значениях угла (δФРТ) происходит уменьшение передаваемой мощности по ВЛ 500 кВ Восход — Витязь (Ишим) в сторону ОЭС Урала. Так, при δФРТ = +15° величина передаваемой по ней мощности становится равной 0 (рис. 4), а при δФРТ = +60° мощность размере 876 МВт будет передаваться из ОЭС Урала в ОЭС Сибири.

В заключение следует отметить, что выполненные к настоящему времени технические и проектные проработки, а также накопленный опыт позволяют сделать вывод об экономической целесообразности применения компактных управляемых ВЛ, в том числе управляемых самокомпенсирующихся (УСВЛ), с фазорегулирующими устройствами для увеличения пропускной способности и управления потоками мощности в соответствии с заданными режимами.

Результаты выполненных для конкретных энергообъектов исследований показывают эффективность применения в энергосистемах компактных ВЛ 220, 500 кВ большой пропускной способности совместно с фазорегулирующими устройствами и другими средствами управления как основы для создания интеллектуальных электроэнергетических систем.

Компактные управляемые одноцепные и двухцепные ВЛ 500 кВ, в том числе двухцепные УСВЛ 500 кВ, могут быть также рекомендованы для осуществления объединения на синхронную параллельную работу энергосистем, в частности ОЭС Сибири и Востока.


ЛИТЕРАТУРА

1. В.М. Постолатий, Е.В. Быкова, В.М. Суслов Ю.Г. Шакарян, Л.В. Тимашова, С.Н. Карева. Методические подходы к выбору вариантов линий электропередач нового поколения на примере ВЛ-220 кВ. Problemele Energeticii Regionale, Chisinau, 2010, № 2 (13), с. 7—22.
2. В.М. Постолатий, Е.В. Быкова. Эффективность применения управляемых самокомпенсирующихся высоковольтных линий электропередачи и фазорегулирующих устройств трансформаторного типа. Журнал «Электричество», 2010, № 2, с.7—14.
3. Управляемые линии электропередачи. Ю.Н. Астахов, В.М. Постолатий, И.Т. Комендант, Г.В. Чалый / под ред. В.А. Веникова, Кишинев, «Штиинца», 1984 г., 292 с.
4. Астахов Ю.Н., Веников В.А., Постолатий В.М. и др. Основные принципы создания и технические характеристики управляемых самокомпенсирующихся линий электропередачи. Журнал «Электричество», 1977, № 12, с. 37—44.
5. И.Г. Барг, В.И. Эдельман. Воздушные линии электропередачи. Вопросы эксплуатации и надёжности. — М.: Энергоатомиздат, 1985, 247 с.
6. Справочник «Библия электрика» ПУЭ, МПОТ, ПТЭ (шестое и седьмое издания, все действующие разделы). Новосибирск: Сиб. унив. из-во, 2011, 688 с, илл.

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно