Потребность в электрической энергии стабильно показывает всемирный рост. Есть страны, где спрос на этот вид ресурса удваивается каждые пять-восемь лет. Между тем строительство электростанций обычно предполагает значительное удаление этих объектов от центров нагрузки. Такая ситуация требует передачи больших объёмов энергии на значительные расстояния. Так вот, как показывает практика, экономично осуществить дальнюю передачу ресурса возможно только в условиях транспортировки сверхвысоких напряжений - выше 230 кВ. Здесь становится актуальным термин - расщеплённая фаза высоковольтных ЛЭП.
Расщеплённая фаза высоковольтных линий электропередач
Увеличение напряжения высоковольтных линий электропередачи способствует следующим моментам:
- минимизация электрических потерь,
- увеличение эффективности транспортировки,
- улучшение регулирования напряжения,
- снижение требований к материалу проводников.
Однако при напряжениях выше 300 кВ образование «короны» вызывает значительные потери мощности и помехи в цепях связи. Но такое, как правило, отмечается, когда схематично используется только один проводник круглого сечения на фазу.
Между тем, вместо одного проводника предпочтительным видится применение больше, чем одного проводника на фазу. Такой подход получил название – расщеплённая фаза. Конструктивно на высоковольтных линиях напряжением 400 кВ и выше всегда используется метод расщеплённая фаза.
Что представляет конструктивно расщеплённая фаза?
Расщеплённая фаза – это, по сути, фазный электрический проводник, содержащий два или более вспомогательных проводников. Эти вспомогательные (дополнительные) провода располагаются в непосредственной близости один от другого, по сравнению с расстоянием между линейными фазами.
Отличительной особенностью составного проводника (расщеплённой фазы) от жгута электрических проводов состоит в том, что дополнительные провода расщеплённой фазы разнесены на 0,2-0,6 метра друг от друга. Конкретное расстояние в этом диапазоне определяется зависимостью от расчётного напряжения и окружающих условий по всей длине линии.
Заданное расстояние выдерживается с помощью изоляторов, при этом провода составного проводника связаны друг с другом. Провода расщеплённой фазы фактически имеют внутренний изолятор, в роли которого выступает воздух. Благодаря такой конструкции, общий диаметр линии увеличивается.
Практика применения расщеплённых фаз способствует снижению градиента напряжения вблизи электрической линии. Тем самым существенно снижаются риски образования коронного разряда. Связанные такой схемой проводники, конечно, используются в линиях электропередачи сверхвысокого напряжения, в первую очередь, для уменьшения коронных потерь и радиопомех. Однако схема обладает рядом других преимуществ, по сравнению с одиночными проводниками:
- Передаёт большую мощность с меньшими потерями, обеспечивая повышенную эффективность передачи.
- Несёт более высокий зарядный ток, что помогает улучшить коэффициент мощности.
- Способствует снижению индуктивности на фазу по сравнению с однопроводными линиями.
- Обладает более высокой ёмкостью и меньшей индуктивность по сравнению с однопроводными линиями.
- Показывает более низкое волновое сопротивление с соответствующим увеличением максимальной мощности передачи.
Относительная передача мощности расщеплённой фазой
Представленная ниже таблица демонстрирует относительную передачу мощности, исходя из количества проводников, образующих расщеплённую фазу:
Следует подчеркнуть: конструкция, созданная из более чем четырёх вспомогательных проводов на фазу, показывает незначительную выгоду.
Большинству применяемых на практике линий сверхвысокого напряжения достаточно двух-трёх дополнительных проводников на фазу. Средний геометрический радиус такого пучка проводов рассчитывается для схем:
- двухпроводная (дуплексная),
- трёхпроводная (триплексная),
- четырёхпроводная,
Среднегеометрическое расстояние жгута проводов можно определить, извлекая корень из произведения расстояний от каждого проводника жгута до каждого другого проводника других жгутов. Индуктивность определяется следующей формулой:
L = 2 * 10-7 ln * (Dm / Ds) * H
где: Dm – среднее геометрическое расстояние; Ds – средний геометрический радиус;
Если предполагать, что (Ds) средний геометрический радиус каждого дополнительного проводника, а (d) расстояние между пучками, средний геометрический радиус вычисляется по формулам:
Исходя из уравнения: индуктивность обратно пропорциональна среднему геометрическому расстоянию. Таким образом, когда среднее геометрическое расстояние увеличивается, индуктивность уменьшается. Тем самым уменьшается импульсное сопротивление, которое выражается формулой:
В результате объединения проводов в пучок минимизируется импульсное сопротивление. Также, когда собственное среднее геометрическое расстояние проводников увеличивается за счёт объединения в пучки, реактивное сопротивление становится меньше. Обусловлено это реактивным сопротивлением проводника, которое обратно пропорционально собственному среднему геометрическому расстоянию или радиусу:
k * ln(D/R)
Снижение реактивного сопротивления приводит к увеличению полной нагрузки по импульсному сопротивлению, ёмкости линии и нагрузочной способности.
Снижение потерь от эффекта короны
Большее количество проводов требует увеличивать расстояние, из-за чего градиент потенциала уменьшается. Градиент потенциала напряжения, при котором возникает корона, увеличивается. Следовательно, коронный разряд будет возникать при более высоком напряжении, что даст сокращение потерь в этом направлении. Градиент проводника следует рассматривать через формулу:
Таким образом, градиент напряжения минимизируется, уменьшаются помехи между линиями.