Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
________________________________________________________________
Институт
Энергетический
Направление (специальность) 140400 Электроэнергетика и электротехника
Кафедра
Электрические сети и электротехника
РЕФЕРАТ
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ ОДНОЙ ФАЗЫ ДЛИННОЙ
ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ С ЧЕТВЕРТЬЮ ДЛИНЫ ВОЛНЫ
λ/4
Выполнилстудент гр. 5А1Г
Научный руководитель:
____________ Х.Б. Выонг
подпись
Доцент
Должность
Томск 2014
______________Н.Л. Бацева
подпись
Содержание
№ стр.
Введение
3
Раздел 1. Краткая теория длинных линий электропередачи
5
Раздел 2. Режимы работы четвертьволновой линии
10
Раздел 3. Экспериментальная часть: натурное моделирование
16
установивщегося режима работы одной фазы длинной линии с
длиной волны λ/4,
соединяющей мощные
электрические
системы
3.1 Описание экспериментальной установки
16
3.2 Порядок проведения экспериментов
22
3.3 Указания по проведению экспериментов
22
3.4 Результаты измерений
25
3.5 Обработка результатов экспериментов
26
3.6 Анализ результатов экспериментов
28
Заключение
30
Список литературных источников
30
2
Введение
Электропередачи сверхвысокого напряжения (СВН) занимают
особое место в современных электроэнергетических системах [1, 2].
Обладая
большой
пропускной
способностью,
они
являются
системообразующими, повышают надежность и экономичность работы
энергосистемы. Кроме того, они являются мощными межсистемными
связями, обеспечивая путь межсистемным перетокам мощности, повышая
тем самым живучесть объединенной системы.
Под электропередачей СВН понимается комплекс устройств и
сооружений,
предназначенных для
транспорта
больших количеств
электроэнергии на любое расстояние. В этот комплекс входят все цепи
линии, концевые и промежуточные подстанции с трансформаторами,
автотрансформаторами, коммутационной аппаратурой, компенсирующие
устройства, средства повышения пропускной способности и другие
устройства, обеспечивающие передачу электроэнергии. Длинные линии,
входящие в электропередачу СВН имеют особое значение для России,
географически вытянутой в широтном направлении с расстояниями в
сотни километров между отдельными энергосистемами. На практике к
таким линиям относят линии напряжением 330 – 1150 кВ.
Длинные линии можно разделить на несколько видов, причем это
деление носит условный характер. Если мощность предается в одном
направление от избыточной системы к дефицитной, то такая линия
называется питательной или магистральной. Если в разное время суток и
года условия баланса мощностей в связываемых системах меняются, и
система из дефицитной превращается в избыточную и наоборот, то
направление перетока мощности по линии меняется, и она будет
называться реверсивная (маневренная).
В данной работе рассматриваются особенности режимов работы
четверть волновой линии электропередачи, относящейся к дальним
линиям
электропередачи,
а
также
3
показываются
результаты
экспериментов при натурном моделировании установившегося режима
работы одной фазы длинной линии электропередачи с четвертью длины
волны λ/4, соединяющей мощные электрические системы.
4
Раздел
1
КРАТКАЯ
ТЕОРИЯ
ДЛИННЫХ
ЛИНИЙ
ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
Режимы работы длинных линий электропередачи имеют ряд
особенностей, которые в первую очередь связаны с волновой природой
электромагнитных процессов, заметно влияющих на режимы.
При анализе работы линий большой протяженности, длина которых
соизмерима с длиной электромагнитной волны, появляется необходимость
учета волновых характеристик линий, и они рассматриваются как цепи с
распределенными параметрами [1, 2].
Электрическими
линиями
с
распределенными
параметрами
называют такие линии, в которых для одного и того же момента времени
ток и напряжение непрерывно меняются при переходе от одной точки
линии к соседней.
Волновыми характеристиками линий являются:
1) Z В - волновое сопротивление, определяемое по формуле
ZВ 
Z0

Y0
r0  jx0
,
g 0  jb0
(1)
где Y 0  g 0  jb0 – погонная проводимость, См/км;
Z 0  r0  jx0 – погонное сопротивление, Ом/км.
2)  0 - коэффициент распространения электромагнитной волны
 0  Z 0  Y 0  (r0  jx 0 )  ( g 0  jb0 )   0  j 0 ,
(2)
где  0 – коэффициент затухания, характеризующий затухание волны
напряжения (тока) при распространении волны вдоль линии на единицу
длины;
0
– коэффициент изменения фазы электромагнитной волны,
характеризующий
распространении
поворот
волны
вектора
вдоль
напряжения
линии
[рад/км]=[эл.град/км]
5
на
(тока)
единицу
при
длины
0 
2  f
,
v
(3)
где v  3 105 км / ч - скорость света.
При
f  50 Гц  0  1,05  10 3 рад / км
длина электромагнитной волны
равна 6000км. Для реальных линий с учетом различия в значениях
погонных величин индуктивного сопротивления (x0) и емкостной
проводимости (b0) для различных марок проводов и конструкций опор
значение  0 может незначительно меняться.
В ряде случаев при расчете режимов протяженных линий удобно
пользоваться
не
географической
длиной
линии,
определенной
в
километрах, а ее волновой длиной  , выраженной в градусах:
  0  L ,
(4)
где L - длина линии, км.
В
расчетах
режимов
длинных
линий,
следует
учесть
то
обстоятельство, что значение погонной активной проводимости g0
определяется главным образом потерями мощности и энергии на корону.
Однако потери на корону учитываются в виде отбора мощности по концам
линии. На параметры режима самой линии эти потери практически не
влияют. Кроме того, для длинных линий индуктивное сопротивление
много больше активного ( х0  r0 ) , поэтому для упрощения расчета
режимов можно пренебречь величинами r0 и g0. В этом случае
коэффициент
затухания
0  0 ,
а
выражения
для
коэффициента
распространения волны  0 и волнового сопротивления Z В приобретают
вид:
 0  x 0  b0  j 0 ;
Упрощения
(5)
характерны
электропередачи.
6
ZВ 
для
x0
.
b0
идеализированных
(5)
линий
Анализ режима работы можно провести с помощью элементарного
участка длиной dl (рисунок 1).
Рисунок 1 – а) элементарный участок линии; б) его схема
замещения
При протекании тока i в продольной ветви схемы замещения
выделенного участка напряжение в конце будет меньше, чем в его начале,
на величину dU за счет падения напряжения в активном сопротивлении и
индуктивности на элементарном участке dl. Ток в продольной ветви
следующего участка уменьшиться на величину di за счет поперечной
ветви схемы замещения. Последний имеет две составляющие: ток в
активной и ток в емкостной проводимостях.
С учетом упрощений (5) уравнения для расчета параметров длинной
линии имеют вид:
1. При задании исходных данных в начале линии параметры режима
в промежуточной точке линии и в конце линии (при  Х   ) , если  Х
отсчитывать от начала линии до х:
7
.
.
.

U X  U 1  cos  Х  j I 1  Z В  sin  Х ;
.

.
.
U1

I Х  I 1  cos  Х  j
 sin  Х ;

ZВ

.
.
^

S Х  U X  I Х  Р Х  jQ Х .


(6)
2. При задании исходных данных в конце линии параметры режима
в промежуточной точке линии и в начале линии (при  Х   ) , если  Х
отсчитывать от конца линии до х:
.
.
.

U X  U 2  cos  Х  j I 2  Z В  sin  Х ;
.

.
.
U2

I Х  I 2  cos  Х  j
 sin  Х ;

ZВ

.
.
^

S Х  U X  I Х  Р Х  jQ Х .


(7)
В уравнениях (6) и (7) присутствует комплексное значение тока, но в
практических расчетах режимов, как правило, используют значение
мощности, тогда:
1. При задании исходных данных в начале линии:
.
.

U X  U 1  (cos  Х  Q*1  sin  Х )  jР*  sin  Х ; 
.

.
U1

IХ 
 Р*  cos  Х  j sin  Х  Q*1  cos  Х ;
ZВ

.
.
^

S * Х  U X  I Х  Р* Х  jQ* Х .


(8)
2. При задании исходных данных в конце линии:
.
.

U X  U 2  (cos  Х  Q*2  sin  Х  jР*  sin  Х ); 
.

.
U2

IХ 
 Р*  cos  Х  j sin  Х  Q*2  cos  Х ;
ZВ

.
.
^

S * Х  U X  I Х  Р* Х  jQ* Х .


В выражениях (8), (9):
8
(9)
Р*  Р*1  Р*2 
Р1
S1БАЗ
; Q*1 
Q1
S1БАЗ
и Q*2 
Q2
S 2 БАЗ
– потоки активной и
реактивной мощности в начале и конце элементарного участка линии dl
(о.е.),
где S1БАЗ
U 12
U 22
и S 2 БАЗ 
– базисные мощности.

ZВ
ZВ
9
Раздел 2. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЧЕТВЕРТЬВОЛНОВОЙ ЛИНИИ
Линия длиной 1500 км и волновой длиной 90º называется
четвертьволновой.
По уравнениям (8) можно построить векторную диаграмму в
комплексных координатах, справедливую для четвертьволновой линии
(рисунок 2).
Рисунок 2 – Векторная диаграмма для четвертьволновой линии
Из векторной диаграммы следует, что sin  
Учитывая,
P* 
P
S 2 БАЗ
P
что
относительное
U 2 P* sin 
.
U1
значение
активной
мощности
ZB
, то после преобразований получим
U 22
P
U 1U 2
 sin   PMAX  sin  .
Z B sin 
(10)
Максимальная мощность, которая может быть передана по линии:
PMAX 
U 1U 2
.
Z B sin 
(11)
Если в (11) принять U 1  U 2  U HOM (при этом S 2 БАЗ  PHAT ) и, разделив
правую и левую часть на PHAT , получим
P*MAX 
10
1
.
sin 
(12)
Таким образом, для линии с    2 максимальная мощность равна
единице, т.е. равна натуральной мощности. При увеличении длины линии
максимальная мощность будет возрастать, однако, это увеличение будет
сопровождаться рядом отрицательных явлений (нагревом проводников,
малой
пропускной
способностью
коммутационной
аппаратуры
подстанций), затрудняющих передачу мощности в диапазоне от  2 до  .
Для четвертьволновой линии реактивные мощности в начале и в
конце будут равны [1]:
Q1  Q2  
U 1U 2
 cos  .
ZB
При условии, что: l  1500км ,  Х  0,06
sin90 0  1 ,
(13)
эл.гр
 1500км  90 0 , cos90 0  0 ,
км
уравнения четвертьволновой линии из системы (7) примут вид:
.
.

U 1Ф  j I 2  Z В ;

.

.
U2

I1  j
.

ZВ
(14)
Уравнения (14) позволяют сделать выводы:
1. Токи начала и конца четвертьволновой линии не зависят друг от
друга и прямо пропорциональны напряжению противоположного конца
линии:
.
.
I1  U 2 ;
.
.
(15)
I 2 U1.
2. В нормальном режиме работы напряжение в конце линии не
зависит от напряжения в начале линии.
.
.
3. В режиме короткого замыкания U 1  const , U 2  0 , следовательно
.
U1
 const , и такой режим для четвертьволновой линии не
I1  0 , I2  j
ZВ
.
.
представляет опасности.
.
4. Режим холостого хода. Обратимся к системе (7): при I 2 ХХ  0
первое уравнение системы (7) запишется как
11
.
.
.
U 1 ХХ  U 2 ХХ  cos 

.
(16)
U 2 ХХ  U 1 ХХ / cos  .
Поскольку cos / 2  0 , то при подаче даже небольшого напряжения в
.
начало четвертьволновой линии напряжение U 2 ХХ разомкнутого конца
теоретически становится бесконечным. Естественно, что в реальной линии
напряжение повысится до некоторого конечного значения, обычно
превышающего номинальное в несколько раз:
.
.
.
U 2 ХХ
.
U 1 ХХ
U 2 ХХ

  ; I 1 ХХ  j
.
0
ZВ
(17)
Следовательно, режим холостого хода для четвертьволновой линии
очень опасен, так как он равносилен режиму короткого замыкания для
обычных линий.
Режим холостого хода опасен еще и перегрузкой генераторов,
включенных в начале передачи. Из-за повышенных уровней напряжения
генерируемая линией реактивная мощность становиться настолько
большой, что может привести к перегреву обмоток генераторов [2].
Рассмотрим основные особенности режима натуральной мощности
на
примере
идеализированной
четвертьволновой
линии.
Режим
натуральной мощности имеет место, если эквивалентное сопротивление
нагрузки на приемном конце равно волновому сопротивлению линии.
Натуральная мощность определяется по выражению:
PНАТ
2
U HOM
.

ZB
(18)
Рассмотрим распределение параметров – U, I, Q в режиме
натуральной мощности, обратившись к системе (7).
Предположим, что в конце исследуемой линии подключена
нагрузка, сопротивление Z H которой равно волновому сопротивлению Z B
линии, тогда ток и напряжение в конце могут быть представлены, как
I2 
U 2Ф U 2 Ф

; U 2Ф  I 2  Z H  I 2  Z B .
ZH
ZB
12
(19)
Заменим с помощью этих соотношений ток и напряжение конца
линии в уравнениях (7). В результате получим:
U 2Ф

 Z B  sin   U 2Ф  e j ;
ZB


1
j

I 1  I 2  cos   j I 2  Z B 
 sin   I 2  e .

ZB
U 1Ф  U 2Ф  cos   j
(20)
Из системы (20) видно, что напряжение и ток в режиме натуральной
мощности остаются по модулю неизменными по всей длине линии, только
отстают от соответствующих векторов начала на величину угла, равную
волновой длине линии.
Отличительной чертой режима натуральной мощности является
отсутствие потоков реактивной мощности между соседними участками в
линии,
то
есть
мощность
QГ ,
генерируемая
емкостью
любого
элементарного участка, расходуется на покрытие потерь мощности в
индуктивном сопротивлении этого участка QП :
QГ U 2  b0  l  U
 2

QП
I  x 0  l  I  Z B
2

I  ZB
 
 1,
I

Z

B
QГ  QП .
(21)
Поскольку активное сопротивление равно нулю и отсутствует
переток реактивной мощности, то величина напряжения вдоль линии не
меняется. Для линии с потерями в этом случае имеет место монотонное
уменьшение напряжения по направлению от передающего конца линии к
приемному.
Если передаваемая по линии мощность отлична от натуральной, то
баланс
генерации
и
потребления
реактивной
мощности
линией
нарушается. При передаче активной мощности, меньше натуральной и
длине линии до полуволны будет наблюдаться избыток реактивной
мощности, ее потоки будут направлены из линии в приемную систему и в
генераторы передающей станции. Если линия связывает две системы, то
обе они получают реактивную мощность из линии.
13
Обратная картина будет при передаче по линии активной мощности
большей натуральной. Преобладает потребление линией реактивной
мощности над ее генерацией, то есть в линии появляется дефицит
реактивной мощности, который покрывается за счет притока ее от
концевых подстанций. Направление потоков реактивной мощности
меняется на противоположное. При закрепленных напряжениях по концам
линии, напряжение в различных точках линии, в особенности в ее
середине, понижается. Поэтому, во-первых, на линии необходимо иметь
источники реактивной мощности, так как отсутствие их может привести к
серьезным нарушениям нормальной работы вследствие понижения
напряжения в местах присоединения промежуточных систем или
подстанций с отбором мощности. Поток активной мощности на
достаточно
протяженных
передачах
приводит
к
необходимости
предусматривать мероприятия по повышению устойчивости, так как
предельная мощность линии оказывается меньше, чем активная мощность,
которую целесообразно передавать в приемную систему [3].
Еще одной особенностью четвертьволновой линии является то, что
она не имеет запаса устойчивости, поэтому передача электрической
энергии переменного тока на расстояние 1500 км неприемлема без
применения
специальных
мероприятий
искусственного
снижения
волновой длины. Такое снижение параметра λ называется компенсацией, а
линии
–
компенсированными.
Способы
компенсации
вытекают
непосредственно из формулы (4). Для уменьшения λ необходимо
снижение либо удельного (среднего на единицу длины) индуктивного
сопротивления х0 , либо емкостной проводимости b0 , либо и того, и
другого вместе. Далее для удобства будем рассматривать суммарные
сопротивления Х и проводимости Y схемы замещения (рисунок 3).
Уменьшение параметра
Х достигается за счет последовательного
включения в рассечку проводов линии конденсаторов, сопротивление
которых ХС компенсирует индуктивность Х. Уменьшение параметра Y
14
достигается включением шунтирующих реакторов с проводимостью YР,
компенсирующих емкостную проводимость линии на землю.
Рисунок 3 – Схема замещения линии электропередачи
Обычно
используется
комплексная
компенсация
Х
и
Y
приблизительно в одинаковой пропорции (рисунок 4). Если степень
компенсации С одинакова для параметров Х и Y
СХ 
ХС
Y
 СY  P  C ,
Х
Y
(22)
то волновое сопротивление передачи Z В остается неизменным.
Рисунок 4 – Компенсация четвертьволновой линии
При
этом
максимальная
мощность
передачи
согласно
(11)
увеличивается с возрастанием параметра С, так как при равенстве
напряжений начала и конца [2]
PMAX 
PНАТ
.
sin[(1  C ) ]
(23)
Таким образом, компенсация равносильна уменьшению длины
линии –   90 0 .
15
Раздел
3
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ
ЧАСТЬ:
НАТУРНОЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТАНОВИВЩЕГОСЯ РЕЖИМА РАБОТЫ
ОДНОЙ ФАЗЫ ДЛИННОЙ ЛИНИИ С ДЛИНОЙ ВОЛНЫ λ/4,
СОЕДИНЯЮЩЕЙ МОЩНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ.
3.1 Описание экспериментальной установки
Схема экспериментальной электрической цепи представлена на
рисунке 5.
Рисунок 5 – Схема экспериментальной электрической цепи
16
Перечень аппаратуры, используемой для исследования режимов
работы четвертьволновой линии, представлен в таблице 1.
Перечень аппаратуры – Таблица 1
Обору
дова-
Наименование
Тип
Параметры
215
~250 В; 0,8 А
ние
G1
A1,
A2,
А3
Шины бесконечной
мощности
Модель ЛЭП
313.2
~400 В; 3 
0.5 А
Шунтирующий
реактор
350
~250 В
220/380 В; 50
A4
Индуктивная нагрузка
324.2
Гц
340 Вар
220/380 В; 50
A5
Активная нагрузка
306.1
Гц
350 Вт;
17
Схема
Продолжение таблицы 1
Коммутатор
A6
измерителя
349
5 положений
мощностей
15; 60; 150;
P1
Измеритель
мощностей
507.2
300; 600 В
0,05; 0,1; 0,2;
0,5 А
2
мультиметра
P2
Блок мультиметров
509.2
≈ 0…1000 В;
≈ 0…10 А;
0…20 МОм
Рассмотрим более подробно модель линии электропередачи и
управляемый шунтирующий реактор (рисунки 6 и 10 соответственно).
Рисунок 6 – Модель линии электропередачи
18
Соединенные последовательно фазы моделей А1, А2 линий
электропередачи моделируют фазу длинной линии электропередачи
цепной схемой с 6-ю звеньями.
Блок линии электропередачи состоит из 18 конденсаторов (12
конденсаторов К73-11а емкостью 0,15мкФ и 6 конденсаторов МЕТ630
VDC емкостью 0,22мкФ), 12 катушек индуктивности (L = 0,3Гн) и 60
резистивных элементов (R = 10 Ом). На каждую фазу приходиться треть
всех элементов.
Последовательно соединенные резисторы моделируют активное
сопротивление линии электропередачи (рисунок 8). Это позволяет
устанавливать
необходимое
значение
активного
сопротивления
переключением регулятора на лицевой модели блока. Регулятор может
принимать пять положений: 0; 50; 100; 150; 200 Ом. Изменение
сопротивления
осуществляется
путем
переключения
отпаек,
установленных через каждые 5 резистивных элементов.
Рисунок 7 – Соединение резистивных элементов на печатной плате
внутри блока
Параллельно соединенные конденсаторы моделируют зарядную
мощность линии в ее начале и конце, что дает возможность задавать
емкостную проводимость линии, требуемую согласно эксперименту
19
(рисунок 3). Установка значения емкостной проводимости осуществляется
переключением регуляторов на лицевой панели блока. Регулятор может
принимать 4 положения: 0; 0,18; 0,4; 0,58 мкФ для начала и конца линии.
Изменение осуществляется путем переключения отпаек, установленных
после каждого конденсатора.
Рисунок 8 – Соединение конденсаторов на печатной плате
внутри блока
Индуктивное сопротивление линии электропередачи моделируется
последовательным соединением катушек индуктивности (рисунок 9).
После каждой катушки идут отпайки, с помощью которых осуществляется
установка
индуктивного
сопротивления,
требуемого
согласно
эксперименту. Всего существует 5 положений: 0; 0,3; 0,6; 0,9; 1,2, которые
меняются на лицевой панели с помощью регулятора.
Рисунок 9 – Соединение катушек индуктивности на печатной плате
внутри блока
20
Рисунок 10 – Модель шунтирующего реактора
Шунтирующий
реактор
моделируется
однофазным
трансформатором типа ТПК-50-003. Трансформатор, как и шунтирующий
реактор, является индуктивным элементом. Поэтому при параллельном
подключении к сети, он компенсирует емкостную проводимость, тем
самым
уменьшает генерацию реактивной
мощности
линией.
Это
позволяет понизить напряжение в месте присоединения.
Обратная
шунтирующий
картина
реактор
наблюдается
включен
в
режиме
настройки,
последовательно,
когда
увеличивая
индуктивное сопротивление сети. Это позволяет избежать недопустимого
снижения напряжения, хотя на практике такое присоединение реактора
служит для ограничения токов короткого замыкания.
Назначение остальных элементов:
·
Источник G1 моделирует электрическую систему.
·
Соединенные параллельно фазы индуктивной нагрузки А4,
выполняют роль модели управляемого шунтирующего реактора.
·
Соединенные
однофазную
параллельно
активную
фазы
нагрузку
электропередачи.
21
нагрузки
в
конце
А5,
моделируют
длинной
линии
·
Коммутатор А6 позволяет без переборки схемы производить
измерение
потоков
активной
и
реактивной
мощностей
измерителем Р1 в начале и в конце линии электропередачи, а также
мощности потребляемой активной нагрузкой А5.
·
Блок мультиметров Р2 позволяет одновременно производить
измерение
тока
и
напряжения
в
интересующих
точках
электрической сети.
3.2 Порядок проведения экспериментов
1. Измерить активную и реактивную мощности, ток и напряжение
вдоль некомпенсированной линии электропередачи.
2. Измерить активную и реактивную мощности, ток и напряжение на
линии при Q1=25%, Q2=Q3=0.
3. Измерить активную и реактивную мощности, ток и напряжение на
линии при Q1=Q2=25%, Q3=0.
4. Измерить активную и реактивную мощности, ток и напряжение на
линии при Q1=Q2=Q3=25%.
Примечание:
В
каждом
эксперименте
потребление
реактивной
мощности реактором изменяется путем переключения отпаек.
3.3 Указания по проведению экспериментов
1. Убедитесь,
что
устройства,
используемые
в
эксперименте,
"
"
отключены от сети электропитания.
2. Соедините
гнезда
защитного
заземления
устройств,
используемых в эксперименте, с гнездом "РЕ" шин бесконечной
мощности G1 и/или G2.
3. Соедините аппаратуру в соответствии с электрической схемой
соединений.
4. Установите регулировочные рукоятки шин бесконечной мощности
G1, G2 и нагрузки А4 в крайнее против часовой стрелки положение.
22
5. Установите переключателями желаемые параметры моделей А1, А2,
линий электропередачи, например, R=0; L=0,6 Гн; С/2=0,58 мкФ
(определяют
волновое
сопротивление
линии
электропередачи
ZВ=(L/C)1/2=720 Ом).
6. Тумблер
знака
поперечной
составляющей
напряжения
шин
бесконечной мощности G1 установите в положение «+», а шин
бесконечной мощности G2 – в положение «-».
7. Включите выключатели «СЕТЬ» выключателя А14, измерителя
мощностей Р1 и блока мультиметров Р2.
8. Включите выключатель «СЕТЬ» шин бесконечной мощности G1 и
G2.
9. Включите выключатель А14 нажатием кнопки «ВКЛ».
10. Регулируя продольные (влияют преимущественно на поток активной
мощности в длинной линии электропередачи) и поперечные (влияют
преимущественно на уровни напряжений на концах длинной линии
электропередачи) составляющие напряжения шин бесконечной
мощности G1 и G2, установите желаемые поток активной мощности,
поступающий с шин G1 в длинную линию электропередачи, и
напряжения на ее концах, например, 15 Вт и 100 В соответственно.
Эти мощность и напряжение контролируйте измерителем Р1 и
мультиметром блока Р2.
11. Напряжения и токи в интересующих местах длинной линии
электропередачи измеряйте с помощью мультиметров, включенных
как амперметр и вольтметр, блока Р2.
12. Величины потоков активной и реактивной мощностей мощных
электрических систем, моделируемых шинами G1 и G2, измеряйте
ваттметром и варметром измерителя Р1, устанавливая положение
переключателя коммутатора А6 соответственно в положения «1» и
«3».
23
13. Направление потока активной мощности по линии электропередачи
изменяйте
переключением
тумблеров
полярности
поперечной
составляющей напряжения шин G1 и G2.
14. Величину потока активной мощности по линии электропередачи
изменяйте
преимущественно
путем
регулирования
величин
поперечных составляющих напряжений шин G1 и G2.
15. Величины
напряжений
на
концах
линии
электропередачи
(реактивных мощностей мощных электрических систем) изменяйте
преимущественно
путем
регулирования
величин
продольных
составляющих напряжений шин G1 и G2.
16. Величины реактивной мощности, потребляемой шунтирующими
реакторами, изменяйте варьируя мощности фаз моделирующей его
индуктивной нагрузки А4.
17. По завершении эксперимента отключите выключатели «СЕТЬ» шин
бесконечной мощности G1, G2, измерителя мощностей Р1 и блока
мультиметров Р2.
Установить переключателями желаемые параметры моделей А1, А2,
линий электропередачи 1500 км:
R0  0 Ом
G0  0 См
,
C / 2  0,58 мкФ
L / RL  0,6 /16 Гн / Ом
тогда коэффициент распространения электромагнитной волны и волновое
сопротивление линии могут быть записаны следующим образом:
 0  ( RL  jX L ) jX C
ZB 
RL  jX L
jX C
откуда
24
,

R 
 0  j X L X C 1  j L 
2X L 

XL 
RL 
ZB 
1  j

XC 
2X L 
RL  16 Ом
Z L   L  314.0, 6  188.4 Ом
R  ZL
 0    j
 
X L X C   LC  314. 0, 6.0,58.2.10 6  0, 26 рад

рад  0, 26 рад
12
L
0, 26
.6  1500 км
1, 05.103
Для 6-ти звеньев экспериментальной схемы


.6 
12
2
рад. Для
моделирования линии электропередачи с четвертью длины волны λ/4,
необходимо подключить 2 блока ЛЭП с параметрами С/2=0,58 мкФ и R=0
Ом; L/RL=0,6/16 Гн/Ом.
3.4 Результаты измерений
Эксперимент 1: Передача мощности по линии электропередачи,
соединяющей две системы (2 система - дефицитная, 1 система –
избыточная)
x / 
0
1/3
1/2
2/3
1
P,Вт
8
7.8
6.5
6.5
-6
Q,Вар
-12
-8
-2.5
3.5
-11
U,B
100
127.3
132.7
129.4
104.0
I,A
0.122
0.066
0.047
0.056
0.103
25
Эксперимент 2: Передача мощности по линии электропередачи,
соединяющей две системы (1 система - дефицитная, 2 система –
избыточная)
x / 
0
1/3
1/2
2/3
1
P,Вт
-6
6,5
7
7
7,5
Q,Вар
-11
-5,5
0,5
6
-12
U,B
103,9
129,1
132,8
126,9
102,5
I,A
0,104
0,054
0,047
0,065
0,119
3.5 Обработка результатов экспериментов
3.5.1 Режим передачи натуральной мощности
1 система - дефицитная, 2 система - избыточная
Режим передачи натуральной мощности имеет место при
напряжении на шинах бесконечной мощности UШБМ = 100 В.
PНАТ
2
U ШБМ
100 2


 13,88 Вт,
ZB
720
где Z B  L / C  0, 6 / 2  0, 58 106  720Ом – волновое сопротивление линии
электропередачи.
Распределение мощностей вдоль линии: а) активной; б) реактивной
приведено на рисунках 11, 12. Распределение тока и напряжения вдоль
линии приведено на рисунках 13, 14.
2 система - дефицитная, 1 система – избыточная
Распределение мощностей вдоль линии: а) активной; б) реактивной
приведено на рисунках 11, 12. Распределение тока и напряжения на линии
приведено на рисунках 13, 14.
а) График зависимости активной мощности от длины линии:
26
Рисунок 11 – Распределение активной мощности вдоль линии
б) График зависимости реактивной мощности от длины линии:
Рисунок 12 – Распределение реактивной мощности вдоль линии
Распределение напряжения (а) и тока (б) вдоль линии
а) График зависимости напряжения от длины линии:
27
Рисунок 13 – Распределение напряжения вдоль линии
б) График зависимости тока от длины линии:
Рисунок 14 – Распределение тока вдоль линии
3.6 Анализ результатов экспериментов
По рисунку 11 видно, что значение активной мощности в конце
линии меньше значения активной мощности в начале линии из-за потерь
при транзите между двумя системами.
Реактивная мощность может создаваться двумя факторами. Первый
и основной из них – это генерация реактивной мощности внешними по
отношению
к
линии
источниками:
генераторами,
синхронными
компенсаторами. Вторым фактором является повышенная генерация
28
реактивной мощности емкостью линии на участках, прилегающих к узлу с
более высоким напряжением.
При большой генерации реактивной мощности в линии появляется
избыток реактивной мощности, следовательно, повышается напряжение в
промежуточных точках линии, достигающее максимального значения в ее
середине (рисунок 13).
Значение тока в промежуточных точках линии меньше, чем значение
тока на ее концах. Минимальное значение тока приходится на ее середину.
Полученные экспериментальные результаты полностью отражают
процессы, происходящие в четвертьволновых линиях электропередачи,
описанные в литературных источниках.
29
Заключение
При проектировании линий СВН и анализе их режимов необходимо
учитывать особенности этих линий, что позволяет выделить их в
отдельный класс и рассматривать отдельно от линий более низких классов
напряжения. Учет этих особенностей сказывается на определении
параметров
линии
(номинального
напряжения,
количества
цепей
электропередачи, сечения проводов, конструкции фазы) и на составе
оборудования электропередачи.
Приведенные в данной работе экспериментальные исследования
показывают, что режимы работы дальних линий электропередачи и
процессы, происходящие в таких линиях, могут быть исследованы с
помощью учебных установок и рекомендованы в качестве лабораторных
работ для студентов, обучающихся по профилю «Электрические сети и
электротехника».
Список литературы
1.Рыжов Ю.П. Дальние электропередачи сверхвысокого напряжения.
Учеб. для вузов. – Изд. дом МЭИ, 2007.- 488 с., ил.
2.Веников В.А., Рыжов Ю.П. Дальние электропередачи переменного и
постоянного тока: Учебн. Пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат,
1985.- 272с., ил.
3.Энергетические системы. Электрические сети: Учебн. Для электроэнерг.
спец. вузов/ В. А. Веников, А. А. Глазунов, Л. А. Жуков и др.: Под ред. В.
А. Веникова, В. А. Строева. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. Шк.,
1998. – 511 с.: ил.
30