ПОВЫШЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ТРЕХФАЗНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРА

Афанасьев Д.Е.¹, Васильев П.Ф.², Кобылин В.П.³, Давыдов Г.И.⁴, Хоютанов А.М.⁵

¹ORCID: 0000-0002-5096-4540, доктор технических наук, ²ORCID: 0000-0003-4108-176X, кандидат технических наук, ³ORCID: 0000-0001-8773-7002, доктор технических наук, ⁴ORCID: 0000-0001-8543-0867, младший научный сотрудник, ⁵ORCID: 0000-0002-1917-6976, ведущий инженер, Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН в г. Якутске

ПОВЫШЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ТРЕХФАЗНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРА

Аннотация

Рассмотрены и предложены схемы расщепления трехфазной линии электропередачи переменного тока на три трехфазные, процессы между которыми, сдвинуты друг относительно друга на 120 электрических градусов. Представлены пяти - и семипроводные системы электропередачи с трехфазными трансформаторами, которые являются дальнейшим развитием схем, в которых, в качестве одного из фазных проводов используется земля. Сохраняя все преимущества системы «Два провода – Земля», она лишена ее недостатков, вытекающих из-за распространения многолетнемерзлых грунтов, и может быть применена для реконструкции существующих сетей, а также для сооружения новых для районов с малыми плотностями электрических нагрузок, к которым относятся Север и Арктика России. Эксплуатация шестифазной линии увеличивает пропускную способность по сравнению с двухтрансформаторной двухцепной ЛЭП. Представлено увеличение возможных схем подключения потребителей от питающей подстанции.

Ключевые слова: линия электропередачи, переменный ток, расщепление, многолетнемерзлые грунты, надежность, пропускная способность.

Afanasyev D.E.¹, Vasiliev P.F.², Kobylin V.P.³, Davydov G.I.⁴, Khoyutanov A.M.⁵

¹ORCID: 0000-0002-5096-4540, PhD in Engineering, ²ORCID: 0000-0003-4108-176X, PhD in Engineering, ³ORCID: 0000-0001-8773-7002, PhD in Engineering, ⁴ORCID: 0000-0001-8543-0867, Research fellow, ⁵ORCID: 0000-0002-1917-6976, Principal engineer, Institute of Physical and Technical Problems of the North, named after V.P. Larionov of Siberian Branch of RAS, Yakutsk

INCREASE OF CAPACITY AND RELIABILITY OF THREE-PHASE ELECTRIC NETWORKS IN THE CONDITIONS OF THE NORTH

Abstract

Considered and proposed schemes for the splitting of the three-phase alternating current transmission line into three three-phase, the processes between which are shifted relative to each other by 120 electric degrees. Five- and seven-wire power transmission systems with three-phase transformers are presented, which are a further development of circuits in which earth is used as one of the phase conductors. Preserving all the advantages of the "Two wires - Earth" system, it lacks its disadvantages resulting from the proliferation of permafrost soils, and can be used to reconstruct existing networks, as well as to construct new electric loads for regions with low densities, which include the North and the Arctic of Russia. The operation of the six-phase line increases the capacity compared to a two-transformer double-circuit power line. An increase in the possible schemes of connecting consumers from the power substation is presented.

Keywords: power line, alternating current, splitting, permafrost soils, reliability, throughput.

Введение

Север и особенно Арктические регионы России характеризуются значительной удаленностью потребителей от источников электроэнергии, удаленным размещением производства, большой разбросанностью населенных пунктов на большой территории. Электросетевое хозяйство характеризуется широким диапазоном классов напряжения, большой протяженностью сетей, сложными природными, климатическими и инфраструктурными условиями эксплуатации, такие как труднодоступность, непроходимость участков в летний период, недостаток техники и механизмов, а также не развитость ремонтных и эксплуатационных баз.

При объединении энергосистем Восточной Сибири и Дальнего Востока к ЕНЭС России будут вовлечены электрические мощности крупного кластера гидроэлектростанций, себестоимость выработки электрической энергии, которых значительно ниже в сравнении с традиционными тепловыми источниками электрической энергии. При этом дальнейшее развитие системы транспорта электроэнергии должно сопровождаться разработками новых или адаптацией известных, но в силу сложившихся обстоятельств, не востребованных технических решений, необходимых для совершенствования элементной базы системы передачи электрической энергии. Увеличение вариативности схем подключения к подстанциям, которые позволяют в конечном итоге получить более экономичные и надежные линии, обеспечивающие требуемое качество напряжения и пропускную способность [1].

Расщепление передачи трехфазного тока

Л.Е. Эбин в своей в заявке от 8.03.1950 г. «Передача трехфазного тока», защищенной авторским свидетельством СССР [2, С. 1], говорит о расщеплении трехфазной линии электропередачи переменного тока «…что для уменьшения расхода цветного металла, три разноименные фазы трех трехфазных или девяти однофазных трансформаторов, вторичные обмотки которых соединены в звезды, соединяются вместе и заземляются, а к оставшимся шести фазам присоединяется шестипроводная линия передачи» [2, С. 3]. Далее, в описании изобретения, сказано «…в схеме передачи на передающей и понижающей подстанциях три одинаковые трехфазные трансформатора с низкой стороны включены параллельно на трехфазные шины. С высокой стороны три разноименные фазы (по одной в каждом из трансформаторов) соединяются вместе и заземляются наглухо; остальные 6 фаз трех трансформаторов включаются на шестипроводную линию передачи. Эту систему можно представить в виде трехфазной системы, отдельные «фазы» которой являются трехфазными системами» [2]. Описанная схема передачи представлена на рис. 1.

 

Рис. 1 – Схема передачи трехфазного тока

 

Необходимо отметить, что схема представляет собой одну из модификаций системы «Два провода – земля» (ДПЗ) [3], [4], [5], которая применялась в 30-50 гг. прошлого столетия и от которой отказались ввиду повышенной электроопасности заземленной фазы, а в условиях Севера и Арктики электроопасность повышается в разы, из-за повсеместного распространения многолетнемерзлых грунтов (мощность мерзлой толщи достигает 1,5 км), которые не проводят электрический ток [6, С. 6].

С учетом изложенного, предлагается общую точку соединения разных фаз трех трансформаторов присоединить к одному из семи проводов, а к шести фазам присоединить оставшиеся шесть проводов линии передачи трехфазного тока.

Векторная диаграмма напряжений расщепленной трехфазной линии приведена на рис. 2. Предлагаемая схема позволяет осуществить схему подстанции с тремя трансформаторами и семью шинами, от которой могут отходить линии разных типов и напряжений для питания рассредоточенных потребителей в сельской местности в зависимости от характера, мощностей нагрузок, их расстояний от питающей подстанции [7, С. 128].

Рис. 2 – Векторная диаграмма напряжений расщепленной трехфазной линии электропередачи

 

Пяти-, семипроводные системы трехфазного тока

Пятипроводная система электропередачи. Один трансформатор каждой пары трехфазных трансформаторов имеет группу соединений звезда-треугольник 11 и другой – звезда-треугольник 1. допускаются и другие группы соединений, если сдвиг между ними равен 60°, 180° и т.д. Со стороны треугольника фаза а одного из трансформаторов соединяется с фазой с другого. Остальные четыре вывода трансформаторов присоединяются к сборным шинам или непосредственно к линии электропередачи.

Рис. 3 – Принципиальная схема пятипроводной электропередачи

 

Пятипроводная система электропередачи является симметричной. При помощи простейших устройств в необходимых случаях может автоматически преобразовываться в симметричную трехфазную систему электропередачи. По сравнению с обычными трехфазными линиями имеют большую пропускную способность [8, С. 15-16].

Семипроводная система электропередачи. В нашем случае представляет собой утроенную систему ДПЗ, отличающуюся тем, что «земляной» токопровод заменяется седьмым воздушным токопроводом. Этот служит общим для трех трехфазных систем с такими же фазными и линейными напряжениями, что и исходная трехфазная линия (рис. 4) [9].

Рис. 4 – Принципиальная схема семипроводной электропередачи

 

Предлагаемая схема позволяет осуществить схему подстанций с тремя трансформаторами и семью шинами (рис. 5), от которой могут отходить линии разных типов и напряжений для питания рассредоточенных потребителей в сельской местности в зависимости от характера, мощностей нагрузок, их расстояний от питающей подстанции.

Рис. 5 – Схема подстанции с трема трансформаторами, семью шинами

 

При повышении напряжения на шестифазных проводах линии в  раз, ток в этих проводах снижается в  раз. Допустим, что при  по проводу фазы  ток равен . При  ток примет значение ( ) . Пропускная способность по току данного провода увеличится на . . То есть увеличится в 1,42 раза, чем при .

Пропускная способность этого же провода по мощности станет равной .

Таким образом, трехтрансформаторная шестифазная семипроводная линия передачи будет иметь пропускную способность по мощности в 2,46 раз большую, чем двухтрансформаторная двухцепная линия.

По сравнению со схемой двухтрансформаторной подстанции с тремя шинами повышение числа трансформаторов до трех, числа шин до семи по данной схеме оправдывается следующими ее преимуществами: во-первых, существенным повышением числа возможных вариантов схем подключения к подстанции линий электропередачи, отличающихся друг от друга по протяженности, категориям надежности, мощности и по режимам работы питаемых от них потребителей электроэнергии, в конечном итоге, приводящим к повышению маневренности и надежности электроснабжения; во-вторых, возможным снижением потерь активной мощности в линиях путем реализации схем электропитания удаленных потреблений на повышенном напряжении.

Заключение

Предложенная расщепляемая трехфазная система не имеет тех недостатков, присущих системе ДПЗ и ее модификациям, вызванных наличием «земляного» токопровода (электромагнитная несовместимость с системами электросвязи, радио-, телепередачи, автоматики и управления, низкая надежность работы и повышенная электроопасность), невозможностью выполнения последнего возлагаемых на нее функций в местах распространения криолитозоны в определенный период времени. Также данные схемы дают возможность осуществить переход на более высокие напряжения без замены установленного оборудования, при этом повышается пропускная способность линии и ее надежность.

Список литературы / References

1. Нестеров А.С., Давыдов Г.И., Васильев П.Ф. Альтернативное решение развития электроснабжения потребителей Арктической зоны Республики Саха (Якутия) / А.С. Нестеров, Г.И. Давыдов, П.Ф. Васильев // Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова. – 2013. – № 4. – С. 54–58.
2. А.с. 91036 СССР, МПК H 02 J 3. Передача трехфазного тока / Эбин Л.Е (СССР). – 413738; опубл. 01.01.1950. – 3 с.
3. Фильштинский А.А. Четырехпроводная электропередача как средство повышения экономичности и надежности высоковольтных сетей / А.А. Фильштинский // Электричество. – 1952 – №1. С. 17–22.
4. Эбин Л.Е., Алукер Ш.А. Электрический расчет сетей с использованием земли в качестве одного из фазных проводов (два провода – земля) / Л.Е. Эбин, Ш.А. Алукер // Госэнергоиздат. – 1949.
5. Орошкинский П.С. Передача энергии трехфазным токов по системе два провода – земля / П.С. Орошкинский// Изд. Академия наук СССР. – 1935.
6. Васильев П.Ф. Методы снижения сопротивления заземляющих устройств в многолетнемерзлых грунтах / П.Ф. Васильев // Изд-во СО РАН. – 2013. – 83 с.
7. Афанасьев Д.Е. Расщепление передачи трехфазного тока. Развитие идеи Л.Е. Эбина применительно к условиям Крайнего Севера / Д.Е. Афанасьев // Современные проблемы теплофизики и теплоэнергетики в условиях Крайнего Севера. – Якутск: Изд-во Якутского ун-та. – 2010. – С. 128.
8. Андреев В.В. Четырехфазная схема электропередачи с трехфазными трансформаторами / В.В. Андреев // Электричество. – 1952 – № 1. – С. 15–17.
9. Афанасьев Д.Е., Давыдов Г.И., Васильев П.Ф., Ли-Фир-Су Р.П., Хоютанов А.М. Энергоэффективные схемы электропередачи для районов с малыми плотностями электрических нагрузок (Север и Арктика) / Д.Е. Афанасьев, Г.И. Давыдов, П.Ф. Васильев, Р.П. Ли-Фир-Су, А.М. Хоютанов // Научный альманах. – 2016. – №5-3(19). – С. 21–26.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Nesterov A.S., Davydov G.I., Vasil'ev P.F. Al'ternativnoe reshenie razvitiya elektrosnabzheniya potrebiteley Arkticheskoy zony Respubliki Sakha (Yakutiya) [Alternative solutions of the electric supply development of the Arctic zone of Republic of Sakha (Yakutia)] / A.S. Nesterov, G.I. Davydov, P.F. Vasil'ev // Vestnik Severo-Vostochnogo federal'nogo universiteta im. M.K. Ammosova. [Bulletin of Northeast federal university of M. K. Ammosov] – Yakutsk, 2013. – T.10 – № 4. – P. 54–58. [in Russian]
2. s. 91036 SSSR, MPK H 02 J 3. Peredacha trekhfaznogo toka [Three-phase current transmission] / Ebin L.E (SSSR). – 413738; opubl. 01.01.1950. – P. 3.
3. Fil'shtinskiy A.A. Chetyrekhprovodnaya elektroperedacha kak sredstvo povysheniya ekonomichnosti i nadezhnosti vysokovol'tnykh setey [Four-phase transmission scheme as a way of high-voltage transmission lines economy and reliability increasing] / A.A. Fil'shtinskiy // – M.: Elektrichestvo, 1952. – №1. – P. 17–22. [in Russian]
4. Ebin L.E., Aluker Sh.A. Elektricheskiy raschet setey s ispol'zovaniem zemli v kachestve odnogo iz faznykh provodov (dva provoda – zemlya) [Electrical calculation of networks using ground as one of the phase conductors (two wires – the ground)] / L.E. Ebin, Sh.A. Aluker // Gosenergoizdat publ. – 1949.
5. Oroshkinskiy P.S. Peredacha energii trekhfaznym tokov po sisteme dva provoda – zemlya [Transmission of three-phase current through a system of two wires – the ground] / P.S. Oroshkinskiy // Izd. Akademiya nauk SSSR publ. – 1935. [in Russian]
6. Vasil'ev P.F. Metody snizheniya soprotivleniya zazemlyayushchikh ustroystv v mnogoletnemerzlykh gruntakh [Methods for reducing the resistance of earthing devices in permafrost soils]/ P.F. Vasil'ev // Izd-vo SO RAN publ. – 2013. – 83 p.
7. Afanas'ev D.E. Rasshcheplenie peredachi trekhfaznogo toka. Razvitie idei L.E. Ebina primenitel'no k usloviyam Kraynego Severa [Splitting of the three-phase current transmission. Development of the idea of L.E. Ebina applied to the conditions of the Far North] / D.E. Afanas'ev // Sovremennye problemy teplofiziki i teploenergetiki v usloviyakh Kraynego Severa [Modern Problems of Thermal Physics and Heat Power Engineering in the Conditions of the Far North]. – Yakutsk: Izd-vo Yakutskogo un-ta. – 2010. – P. 128. [in Russian]
8. Andreev V.V. Chetyrekhfaznaya skhema elektroperedachi s trekhfaznymi transformatorami [Four-phase with three-phase transformers electricity transmission scheme] / V.V. Andreev // – M.: Elektrichestvo, 1952. – № 1. – P. 15–17. [in Russian]
9. Afanas'ev D.E., Davydov G.I., Vasil'ev P.F., Li-Fir-Su R.P., Khoyutanov A.M. Energoeffektivnye skhemy elektroperedachi dlya rayonov s malymi plotnostyami elektricheskikh nagruzok (Sever i Arktika) [Energy-efficient power transmission schemes for areas with low electrical load densities (North and the Arctic)] / D.E. Afanas'ev, I. Davydov, P.F. Vasil'ev, R.P. Li-Fir-Su, A.M. Khoyutanov // Nauchnyy al'manakh [Scientific almanac]. – 2016. – №5-3(19). – P. 21-26. [in Russian]