Электротехника. VIII. Передача электрической энергии
Электротехника. VIII. Передача электрической энергии. Для передачи электрической энергии на расстояние (ср. XXXI, прил. к стб. 487/88) применяется напряжение, величина которого должна соответствовать, во избежание чрезмерных потерь, передаваемой мощности и расстоянию. Вообще говоря, с увеличением дальности электропередачи должно увеличиваться напряжение, но при повышении напряжения капитальные затраты тоже повышаются и становятся экономически целесообразными только при мощности не ниже определенной величины. В табл. I показаны ориентировочные величины расстояния и мощности для различных напряжений по линиям заданного сечения (при медных проводах).
Таблица I.
Пределы передачи электроэнергии при различном напряжении.
В качестве иллюстрации к таблице может служить показанный на рис. 1 проект схемы высоковольтной передачи, соединяющей норвежские гидростанции с баварскими, хотя эта схема в условиях капиталистического хозяйства и не будет осуществлена. В СССР самая длинная линия электропередачи напряжением в 220 киловольт построена к началу 2-й пятилетки как линия, соединяющая Свирскую гидростанцию с Ленинградом (242 км).
Система передачи электрической энергии состоит из повысительной подстанции, на которой напряжение доводится до требуемой величины, одной или нескольких параллельных линий электропередач и понизительной подстанции. Если по пути следования высоковольтной линии передачи является необходимым сделать ответвление для передачи части мощности в ту или другую сторону без изменения передаваемого напряжения, то в соответствующих местах устраиваются переключательные пункты. Как правило, на магистральных линиях передач избегают устройства таких переключательных пунктов.
Рис. 1. Проект соединения электростанций Средней Европы в единую сеть электропередач. Передачу энергии через море между Лааланд и Фемари (120 км) предполагается осуществить кабелем 100 кв. В Лааланд и Фемари намечены подстанции 380/110 кв.
Для возможности передачи больших мощностей на более далекие расстояния часто по пути следования линии передачи устанавливаются синхронные компенсаторы *) (см. электротехника — электромашины), задачей которых является компенсировать индуктивные токи и связанное с ними индуктивное падение напряжения.
*) У нас применяется для машин и английский термин: синхронный конденсатор.
Теоретически рассуждая, путем дифференциальной компенсации вдоль линии передачи можно выровнять напряжения по всему пути линии передачи, причем могут быть заданы весьма значительные расстояния передачи энергии, пределы которой будут поставлены только омическими потерями, связанными с передачей энергии по данной линии передачи, и потерями, вызываемыми работой синхронных подстанций.
Однако, в виду того, что устройство каждой подстанции связано с добавочными расходами, а работа их — с добавочными потерями энергии, то от устройства большого числа таких подстанций обычно отказываются и в обыкновенных условиях ограничиваются установкой одной или максимум двух подстанций. Это тем более допустимо, если на расстоянии между двумя такими подстанциями электрической энергией от линии передачи не пользуются и если в таком случае падение напряжения на этом участке не имеет практического значения.
Синхронный компенсатор по конструкции своей является синхронной машиной (генератор) и, как всякая вращающаяся электрическая машина, работает на относительно невысоком напряжении (наиболее высокое напряжение, применяемое у генераторов 3-хфазного тока, не превышает 22 тысяч вольт). Это обстоятельство вызывает необходимость при установке вращающегося синхронного конденсатора устанавливать также и трансформаторы. Вольт-амперная мощность такой синхронной подстанции зависит от величины компенсируемого индуктивного тока. Чем больше расстояние и чем больше передаваемая мощность, тем больше получится и мощность компенсаторной подстанции.
Классификация электропередач. По своему назначению электропередачи подразделяются на 3 группы: питательные (трансмиссионные), распределительные и соединительные (интерконнекционные). Принципиальная схема линий этих 3-х групп изображена на рис. 2.
Питательные линии имеют большую протяженность, когда электростанции находятся на значительном расстоянии от центра нагрузок, например, при использовании водных сил. Термическая станция может быть построена либо в центре нагрузки, либо на месте добычи топлива; в последнем случае питательная линия электропередачи освобождает транспорт от перевозки топлива. Для решения вопроса о том, относить ли станцию к топливу или к потребителю приходится сравнивать стоимость железнодорожного транспорта энергии, заключенной в топливе, с электронным транспортом, то есть транспортом по линии электропередачи энергии, носителем которой является поток электронов. Задача эта гораздо сложнее, чем кажется на первый взгляд, и поэтому в мировой литературе можно встретить много разноречивых выводов из сравнения электронного и железнодорожного транспорта. Наиболее полное исследование этого вопроса составлено в Англии профессором Merchant (журнал The Electrician, 9/VIII, 1929), у которого заимствована диаграмма рис. 3 (см. также Е. А. Руссаковский, «Сравнение электронного и железнодорожного транспорта», Труды І-й всесоюзной топливной конференции 1930 г.). Задача не может иметь общего решения без целого ряда допущений, однако, в большинстве случаев справедливо нижеследующее положение: электронный транспорт выгоднее железнодорожного в случаях, когда станция пользуется низкокалорийным топливом, то есть когда сравнительно велик удельный расход натурального топлива в килограммах на киловатт-час. Наоборот, железнодорожный транспорт обычно безусловно выгоднее электронного, когда станция пользуется высококалорийным топливом, и тем выгоднее, чем совершеннее станция, то есть чем меньше удельный расход топлива в кг на кВт-ч. При прочих равных условиях выгодность электронного транспорта повышается при увеличении числа часов использования станций. Для чисто пиковых паровых станций (см. электростанции) длинная питательная линия не может быть оправдана экономическим расчетом. Для грубых расчетов можно считать ежегодные расходы, связанные с содержанием, амортизацией и оплатой капитала на 1 км высоковольтной питательной линии (100 и более киловольт), по 11 копеек на киловатт в наших условиях. Исходя из этой цифры, мы будем иметь стоимость передачи одного киловатт-часа электроэнергии на расстоянии 200 км: при 2 000 часах годового использования — 1,1 копеек, при 4 000 — 0,55, при 6 000 — 0 37 и при 8 000 — 0,28. Можно считать расходы на линию электропередачи, включая 6% на капитал, на амортизацию и содержание равными 15 % от капитальных затрат на сооружение линии. Амортизационный срок считается обычно 30-35 лет при железных опорах, для деревянных опор амортизационный срок порядка 10 (только для опор).
Рис. 2. Типовые схемы передачи электроэнергии. Прямоугольник обозначает электростанцию, кружок — потребителя, прямая линия — линяю электропередачи. 1-а — питательная (трансмисс.) линия; 2-а — объединительная (интерконнекционная) линия; 3-а — кольцевая линия одновр. питат.; 4-а — распределительная линия; б — питательная линия.
Распределительные линии служат для подведения энергии к отдельным потребителям от ближайшей станции или подстанции. Стоимость их должна быть отнесена к капитальным затратам для централизованного электроснабжения данного потребителя в тех случаях, когда производится экономическое сравнение выгодности снабжения энергией от собственной электростанции или покупка со стороны. Однако, надо иметь в виду, что распределительные линии очень часто снабжают одновременно несколько потребителей, и поэтому расходы на них должны распределяться между потребителями пропорционально требуемой мощности. Для обеспечения бесперебойности в электроснабжении ответственных потребителей надо им обеспечить питание по крайней мере с 2-х сторон. Прокладка двойной линии хотя и увеличивает надежность снабжения по сравнению с одинарной, но не в достаточной степени, потому что такие явления, как гололед, сильные грозовые разряды и т. п., могут повредить одновременно обе линии. Наилучшим способом обеспечения, по крайней мере, двустороннего питания является прокладка так называемых колец высоковольтных линий электропередач, имеющих форму замкнутого многоугольника. Перерыв в одной из точек кольца не прекращает снабжения присоединенных к нему потребителей.
Рис. 3. Пределы выгодности применения электронного транспорта энергии. Сравнение стоимости транспорта угля и стоимости передачи 1 кВт-ч электроэнергии.
Кольца могут питаться от одной станции, чаще же от нескольких.
Соединительные линии (интерконнекционные) служат для соединения между собою отдельных станций или сетей, в частности колец. Как видно на рис. 2, соединительные линии часто являются элементами колец, и в этих случаях одновременно становятся и питательными. Соединительные линии дают целый ряд прямых и косвенных выгод объединяемым ими системам электроснабжения. В большинстве случаев стоимость их вполне окупается экономией в потребной мощности на станциях, получаемой после объединения, вследствие либо уменьшения необходимого резерва, либо разновременности максимума нагрузки в соединяемых системах (например, летний максимум Нижегородско-Ивановской системы и зимний максимум Московской), либо и то и другое вместе. В статье электрификация уже отмечалось, что сооружение английской государственной сети линий электропередач напряжением на 132 киловольта окупается за счет снижения резерва с первоначальных 60-70% на большом числе изолированных сравнительно мелких станций до 12% после того, как осуществится объединение системы электроснабжения Англии (см. LI, 684 сл.).
Расчеты, произведенные по Урало-Кузнецкому комбинату для различных этапов промышленного развития Урала и Кузнецкого бассейна, показали полную целесообразность устройства интерконнекционной линии передачи между электрическими сетями Кузнецкого бассейна и Южного Урала. Устройство такой линии передачи длиной порядка 1 400 км с напряжением порядка 200 киловольт оказывается существенно необходимым и экономически целесообразным уже при совмещенном максимуме нагрузки порядка 2 000 тысяч кВт, так как благодаря устройству такой линии передачи оказывается возможным сэкономить свыше 300 тысяч кВт установленной мощности на электрических станциях этих районов. Эта экономия получается отчасти от смещения светового максимума, а главным образом в виду наличия возможности в данном случае уменьшения аварийного резерва и использования остаточных (по сравнению с нагрузкой местных районов) мощностей, распределенных по различным станциям, связываемым интерконнекционной линией передачи.
Для грубых расчетов можно принять, что соединительная линия на 100 киловольт длиною 150 км равноценна по капитальным затратам резервному агрегату в 24 000 киловатт.
Косвенная выгода соединительных линий иногда может быть значительно больше, чем экономия в капитальных затратах. Это имеет место в тех случаях, когда соединительная линия дает возможность так распределить нагрузку между двумя работавшими ранее самостоятельно станциями, что та из них, которая вырабатывает энергию значительно дешевле, будет нести основную нагрузку, а работа электростанции, дающей дорогую энергию, будет сокращена до самого крайнего минимума. Эта экономия в годовых эксплуатационных расходах, получаемая после соединения электростанций для совместной работы, может во многих случаях окупить с большим излишком капитальные затраты на линию, даже при отсутствии экономии в мощности. В частности, соединительные линии могут быть очень полезны для улучшения использования энергии гидростанций.
В городах, особенно крупных, передача высоким напряжением электрической энергии производится обычно при помощи прокладываемых под землей кабелей. Вообще передача электрической энергии при помощи кабелей имеет большое преимущество по сравнению с воздушной проводкой не только в крупных городах и в центрах, где воздушная проводка и опасна, и крайне неудобна. Применение кабельной проводки в районах затруднено в виду ее дороговизны по сравнению с воздушной; при некоторых условиях, например, в районах, подверженных гололеду, частым атмосферным перенапряжениям и проч., не говоря уже об оборонном значении, применение кабельной проводки имеет исключительный интерес. Возможное удешевление изготовления кабеля будет способствовать более широкому его распространению, тем более, что при передаче по кабелю естественная мощность *) в 10 раз больше естественных мощностей при передаче по линиям воздушных электропередач. Ниже приводится таблица естественных мощностей для воздушной и кабельной проводки (по Рюденбергу).
С технической стороны единственным отрицательным явлением в случае кабельной проводки являются гораздо большие колебания напряжения у приемников в зависимости от передаваемой по кабелю мощности. Величина этих колебаний обусловливается статическим (емкостным) током, причем при малых нагрузках, особенно при дальней передаче высоким напряжением, у приемников может наблюдаться недостаточно большое повышение напряжения.
*) Естественной мощностью называется такая мощность, при передаче которой вне зависимости от расстояния потери напряжения в линии передачи будут обусловлены (при cos ϕ приемников = 1) только омическими потерями сопротивлением, так как емкость и самоиндукция линии компенсируются.
Как средство борьбы с этим явлением можно указать на возможность применения саморегулирующихся трансформаторов, которые во время работы путем автоматического включения и выключения части обмотки поддерживают во вторичной сети постоянство напряжения.
На рис. 4 показан разрез кабеля на 132 киловольта, выполненный в Италии. Повышение напряжения подземных кабелей стало очень актуальной задачей в больших городах в связи с ростом нагрузки городских сетей и практическими затруднениями к увеличению числа параллельных кабелей в подземных каналах. Увеличение вдвое напряжения дает возможность уложить в том же самом канале новый кабель с более чем двойной пропускной способностью.
Рис. 4. Разрез однофазного кабеля на 132 000 вольт: а) канал, наполненный маслом под давлением, соединенный со специальным резервуаром; б) спираль из твердотянутой меди, имеющей на наружной поверхности желобок для свободного проникновения масла к изоляции; в) медные оплетенные провода, из которых скручен кабель; г) пропитанная маслом бумажная изоляция (бумага из древесной массы); д) свинцовая оболочка; е) два слоя бумаги для разделения меди и свинца; ж) броня из твердотянутой полосовой меди; з) наружная свинцовая оболочка.
В СССР мощная высоковольтная (35 киловольт) кольцевая кабельная сеть проложена в Ленинграде в 1926 году. Кабель был изготовлен на советских заводах. В настоящее время в Ленинграде в целях научно-исследовательской работы проложен небольшой участок маслонаполненного кабеля напряжением 110 киловольт, а завод Севкабель занят работой по изготовлению пробного кабеля напряжением уже в 200 киловольт.
Устройство высоковольтных воздушных линий. В статье передача энергии на расстояние (см. XXXI, прил. к стб. 487/88) на фиг. 2 показана воздушная линия на железных опорах (мачтах) американского типа. Опоры бывают двух родов: анкерные (некоторые из них угловые) — более массивные, и промежуточные — более легкие. Анкерные, как более прочные и устойчивые опоры, рассчитанные для воспринятия на себя предельной нагрузки, устанавливаются обязательно в начале и конце линии, везде, где меняется направление, по обе стороны пересечения линий железнодорожного полотна, рек, горных долин, улиц, на пути линий внутри города и через 5-10 промежуточных опор. Деревянные опоры для высоковольтных электропередач широко применяются в СССР и в некоторых частях Североамериканских Соединенных Штатов. Типичные конструкции таких опор для линий напряжением порядка 100 киловольт показаны на рис. 5.
Изображенная на рис. 5-в деревянная опора отличается от обыкновенной тем, что каждый столб закрепляется в земле при помощи двух коротышей, причем соединение с коротышами столбов производится при помощи двухрядной обмотки из толстой проволоки. Хотя для данных опор и требуется несколько большее количество лесного материала, но зато опоры в данном случае могут собираться из более коротких столбов. Основное преимущество этих опор заключается в том, что при обрыве провода они сдают по направлению действию силы, что может быть, конечно, учтено при расчете механической прочности опор. Кроме того, закопанные в землю коротыши после их порчи легко могут быть заменены новыми, не трогая при этом основной конструкции опоры. В первое время после революции в большинстве случаев опоры устанавливались без пропитки их креозотом. Опыт показал недолговечность таких опор. В силу этого в последнее время стали опоры пропитывать предохраняющим от гниения составом. В виду того, что наибольший эффект стойкости против гниения обнаруживает лес, пропитанный под давлением, в настоящее время приступлено к пропитыванию опор под давлением.
На железных опорах обычно подвешиваются 2 трехфазные линии, то есть 6 проводов, на деревянных — одна трехфазная линия с вертикальным или горизонтальным расположением проводов. Иногда одинарные линии имеют не 3, а 4 провода, один запасной на случай порчи одного из основных.
Материалами для проводов служат: медь, алюминий, сталеалюминий, железо, бронза. Провода делаются одножильными и многожильными (кабели).
Рис. 5-а. Типы мачт для высоковольтных линий передач в различных странах мира для двух цепей (все размеры в м).
Последние состоят из нескольких скрученных проволок. Главное их преимущество перед одножильными — большая механическая прочность. Медные одножильные провода у нас допускаются для напряжений не свыше 22 кв. и сечением не свыше 16 кв. мм. При больших сечениях и более высоких напряжениях обязательно применяются кабели. Алюминиевые провода всегда делаются многожильными. Медные провода для высоковольтных линий обязательно делаются из полутвердой и твердотянутой меди. Во избежание перехода этой меди в мягкую отнюдь не допускается горячая пайка проводов. Железные провода применяются только в сельских местностях для линий с небольшой нагрузкой. Во избежание ржавления они обязательно делаются из оцинкованного железа. Сталь (тоже оцинкованная) применяется для проводов в случаях, когда необходим очень большой пролёт (выше километра), когда обычная в этих случаях бронза все еще недостаточно прочна и дает слишком большой провес, удорожающий переходные опоры. В этих случаях стальной трос обычно не служит в качестве проводника, а к нему только подвешивается медный кабель, по которому и протекает ток (отметим, что в СССР для пересечения такой реки, как Ока, высоковольтной линией применены в качестве переходных опор башни Шухова). Препятствием к применению железа и стали в качестве проводов является низкая проводимость этих металлов и большая самоиндукция линии, в особенности, если она сделана из мягкого железа. Алюминий является в настоящее время главным конкурентом меди при постройке высоковольтных электропередач. Вследствие худшей проводимости сечение их должно быть в 1,64 раза больше, чем сечение медных проводов при тех же условиях. Но для очень высоких напряжений (220 кВ и выше) это явление не имеет значения, так как при этих напряжениях размер провода определяется требованием избегать явления «короны» — потерь вследствие излучения электрических зарядов, имеющих место, когда поверхность провода по сравнению с напряжением слишком мала и поверхностная плотность электрических зарядов получается слишком высокой. В таких случаях алюминиевые провода определенно дешевле медных.
Рис. 5-б. Типы мачт для высоковольтных линий передач в различных странах мира для одной цепи (все размеры в м).
Недостатком алюминия является его большая мягкость по сравнению с медью, применяемой для проводов. Важно при монтаже беречь поверхностный слой алюминиевых проводов. В отношении влияния атмосферных условий алюминиевые провода не уступают медным, так как покрываются защитным слоем окислов. Но в местностях, где провода подвергаются действию газов химических заводов, применять алюминий не рекомендуется. В последнее время получили широкое применение (в том числе и в СССР) сталеалюминевые провода, соединяющие преимущества алюминиевых с прочностью стальных. Они состоят из стального сердечника, скрученного из оцинкованных проволок, и алюминиевых проволок, покрывающих сердечник обычно двумя слоями. Отношение сечения алюминиевых проводов к сечению стальных составляет обычно 5. Реже применяются сталемедные провода, в которых стальная сердцевина сваривается по способу Монното с медной оболочкой, причем отношение меди к стали колеблется от 1 : 1 до 9 : 1. Согласно «нормам для механического расчета электрических воздушных линий сильного тока», одобренных ІХ-м Всесоюзным электрическим съездом, сечение проводов должно быть не ниже:
Для меди при низком напряжении (не свыше 250 В) 6 мм
высоком 10
железа 10
стали и бронзы при низком напряжении 6
высоком 10
алюминия при низком 16
высоком 25
Рис. 5-в. Деревянная анкерная опора в СССР.
При наибольшем провисании провода по тем же нормам расстояние наинизшей точки его от земли не должно быть менее: а) при пересечении мощеных и шоссейных дорог — 6 м для проводов низкого и 7 м для проводов высокого напряжения; б) при пересечении грунтовых дорог постоянного пользования — 6 м во всех случаях; в) при пересечении несудоходных и несплавных рек — 5 м для низкого и 6 м для высокого напряжения, считая от уровня льда зимою, но не менее 3 м над уровнем высоких вод в половодье. Для пересечения железнодорожных линий и судоходных рек существуют специальные правила, по которым низшая точка провода при наибольшем провесе не должна быть ниже 7,5 м над головкой рельса железной дороги или 1 м над наиболее высокой мачтой судов, проходящих по судоходной реке в период самого высокого стояния воды. Провода пересекающего пролета над железной дорогой должны быть подвешены на двойных изоляторах.
Рис. 5-г. Деревянная промежуточная опора в СССР.
Гололед в некоторых местностях СССР, особенно в Донбассе, доходит до толщины слоя льда на проводе в 30 см и представляет огромные трудности для надежной эксплуатации электропередачи. Однако, местности, где встречается большой гололед, весьма ограничены по площади, и иногда можно найти трассу для линии, по которой провода в наименьшей степени подвергаются влиянию гололеда. Для плавления гололеда применяются различные методы образования в линиях сильных реактивных токов, вызывающих перегрев линий. В 1933 году испытывался в Донбассе метод профессора Круковского.
Провода линии электропередачи подвешиваются на фарфоровых изоляторах. Для напряжения не свыше 20 киловольт применяются штыревые изоляторы, для более высоких напряжений — обязательно подвесные (см. рис. 6). Несколько подвесных изоляторов соединяются в гирлянды. Число изоляторов в каждой гирлянде зависит от напряжения. При напряжении 100 киловольт обычно помещают 7 изоляторов на промежуточных опорах и 9 на концевых. Для 220 киловольт в Америке применяют 13 или 14 для промежуточных, 15 или 16 для концевых гирлянд, хотя опыты, произведенные в Америке, показали возможность ограничиться 11 для промежуточных и 13 для концевых. Форма, которая придается подвесным изоляторам, должна предохранять от перекрытия даже в случае сырой погоды и тумана.
Рис. 6. Подвесной изолятор.
Запас электрической прочности у отдельных изоляторов достаточно велик, но очень трудно добиться равномерного распределения напряжения вдоль гирлянды изоляторов. Линии высокого напряжения 220 киловольт, если они проходят в местностях, подверженных частым туманам, должны иметь, на основании американской практики, изоляторы увеличенной поверхности. Наибольшая опасность перекрытия изоляторов имеет место, когда они сильно запылены и застигнуты туманом. При таких условиях на американских линиях в 220 киловольт бывали случаи перекрытия изоляторов и вывода линии из строя. Поэтому изоляторы периодически очищаются от пыли.
Провода к подвесным изоляторам обычно прикрепляются наглухо. Но в последние годы в СССР стал применяться предложенный профессором Сушкиным и инженером Глазуновым способ подвески проводов на промежуточных опорах на «скользящих клеммах». Это дает возможность облегчить конструкцию опоры, так как в случае обрыва провода опора будет испытывать меньшее одностороннее тяжение, чем при обычном способе подвески.
Очень серьезное значение имеет защита линий передач от грозовых разрядов (см. молния и громоотвод) и вообще атмосферных перенапряжений. Эти перенапряжения опасны не только, а может быть и не столько для линий передач, но и для трансформаторов и аппаратуры станций и подстанций. Одним из серьезных средств защиты линии от перенапряжений или, вернее, ограничения волн перенапряжений является натяжка одного или нескольких заземленных во многих точках защитных тросов. Защитные тросы располагаются обычно выше проводов и способствуют весьма значительному снижению возникающих перенапряжений. В виду того обстоятельства, что устройство таких защитных тросов значительно удорожает стоимость сооружения линии передачи, очень часто ограничиваются прокладкой троса на участках неблагополучных в смысле атмосферных перенапряжений, а также на протяжении 1-2 км от станции и подстанций. Значение устройства заземляющих тросов можно усмотреть из приведенной далее таблицы II. В качестве защитного средства против перехода волн с крутым фронтом на шины станции и подстанций иногда устраивают на прилегающем к станции и подстанциям участке электропередачи пониженную изоляцию провода, облегчающую возможность разряда на землю. Весьма надежным средством против перехода волн перенапряжения на станцию является перевод за несколько сот метров воздушной линии передачи в кабельную проводку; однако, этот способ применим пока для сравнительно невысоких напряжений. При таком способе защиты наиболее уязвимым местом является переходная муфта от воздушной линии в кабель и вообще ближайший кабель. Далее, в помещении станции и подстанций весьма часто устанавливаются специальные отражающие волну приборы (реактивные катушки) и разрядники для отвода волны перенапряжения в землю. Понятие об этих приборах дано ниже.
Таблица II.
Аварии на высоковольтных линиях электропередачи (район Великих Озер) в США.
За последние годы в разных странах, в особенности в США и в СССР во Всесоюзном электротехническом институте, производятся серьезные научно-исследовательские работы, связанные с грозовыми разрядами. Для этой цели построены специальные лаборатории и сконструированы специальные измерительные приборы. Определяется не только напряжение, индуцированное в проводе высоковольтной линии, но и продолжительность разряда и другие его характеристики. При помощи приборов, называемых клидонографами, устанавливаемых на линии, производится систематическое фотографирование поля, создаваемого перенапряжением в линии. Директор наиболее мощной в мире лаборатории такого рода, принадлежащей Дженераль Электрик Компани в Америке, Ф. В. Пик, приводит следующие характеристики молнии: напряжение порядка 100 млн. вольт, сила тока — 100 тысяч ампер, продолжительность — несколько микросекунд, энергия — 4 киловатт-часа (иногда много больше), мощность — порядка 1 000 млрд. лошадиных сил (максимальная мгновенная). Разряд обычно не колебательный. Индуцированная волна в линии продолжается в течение нескольких микросекунд и имеет напряжение в несколько миллионов вольт (тем больше, чем выше провод от земли, поэтому в отношении грозы надежнее горизонтальное расположение проводов). На расстоянии от 21/2 до 10 км от места возникновения грозового перенапряжения индуцированное напряжение уменьшается вдвое (это расстояние тем меньше, чем выше индуцированное напряжение). Индуцированный заряд может иметь различную полярность и в зависимости от этого клидонограммы имеют различный вид. Форма волны имеет большое значение для изоляции. Измерения, произведенные на Пенсильванской линии 220 кв., показали, что перекрытие гирлянды изоляторов, получающееся при одном миллионе вольт от 60-типериодного тока при разрядах, вызванных грозой, наблюдаются только при 2 миллионах вольт и что поэтому сопротивляемость изоляторов мгновенным грозовым разрядам примерно в 2 раза больше, чем сопротивляемость при обычной форме кривой. В лаборатории Дженераль Электрик установлен генератор искусственных грозовых разрядов, дающий 5 миллионов вольт, что превышает величину наведенного напряжения высоковольтных линий, когда-либо измеренную при грозе. Пользуясь этим генератором, удалось очень детально изучить явления, сопровождающие грозовые разряды. Катодным осциллятором изучались волны естественных грозовых разрядов, и потом эти волны воспроизводились искусственно и посылались по линиям электропередач. Измерялось напряжение, перекрывающее изоляторы при естественном грозовом разряде, и сравнивалось с искусственным. Искусственная молния, полученная от «генератора молний», была способна расщепить шестиметровую деревянную опору. Приблизительно в то же время во Франции в обсерватории Пик де Миди в Пиренеях производились наблюдения над грозовыми разрядами, установившие некоторую зависимость силы грозовых разрядов от геологического строения местности. К. Доцэр в докладе на Токийском мировом инженерном конгрессе в 1929 году, описывая результаты этих наблюдений, сообщает, что, например, на сплошном известняке вовсе не бывает ударов молнии, тогда как гранит и сланец очень подвержены им. Наиболее сильные разряды бывают на линии соприкосновения двух различных геологических формаций. Автор доказывает возможность по геологической карте данной местности составить карту грозовых разрядов и при помощи этой карты выбрать такую трассу для линий электропередач, чтобы опасность от грозовых разрядов была уменьшена до минимума.
Перенапряжение в линии происходит не только от атмосферных влияний, но и при таких случаях, как: внезапное включение линии передачи под напряжение, при выключении работающих вхолостую трансформаторов и асинхронных двигателей, при выключении большой нагрузки, при отключении работающих вхолостую линий большой емкости, при замыкании на землю одной из фаз трехфазной системы.
В связи с защитой машин трансформаторов и приборов от разрушительного действия волн перенапряжений и для отвода тока в землю, как было выше сказано, применяются два основных прибора: реактивная катушка и разрядники. Простейший тип — роговой разрядник — представляет собою отогнутые в виде рогов два медных стержня с воздушным промежутком между ними. Один из них присоединен к проводу, другой заземлен; промежуток между рогами настолько велик, что он при обычных напряжениях не перекрывается; большое перенапряжение вызывает появление вольтовой дуги, причем потоком горячего воздуха эта дуга поднимается вверх по рогам, длина ее увеличивается, и в некоторый момент она разрывается и гаснет. Расстояние между рогами составляет величину порядка 6-8 мм при напряжении 6,6 кВ, 50-90 при 33 кВ и до 330 при 66 кВ. В США получили большое распространение алюминиевые разрядники; они имеют искровой промежуток между рогами, последовательно с которым включается сопротивление в виде электролитического конденсатора, состоящего из ряда алюминиевых тарелок, находящихся в электролите. Алюминий покрыт окисью, не проводящей ток при нормальном напряжении. При определенном повышении напряжения изолирующая способность пленки из окиси нарушается, и разрядник дает соединение с землей. Однако, при прохождении тока через электролит химическая реакция восстанавливает изолирующую пленку, вследствие чего ток прекращается. Алюминиевый разрядник должен ежедневно заряжаться путем пропускания тока для поддержания изолирующей пленки, иначе последняя растворяется в электролите. Это является основным недостатком алюминиевого разрядника. Имеются и другие типы разрядников (см. Г. Л. Эпштейн, «Перенапряжение на электрических установках», Киев, 1927). Электролитические и ему подобные разрядники для напряжения в 220 киловольт становятся настолько дорогими, что от них в США отказываются.
Для защиты трансформаторов и генераторов от крутого фронта волны перенапряжения, идущей со стороны линий передач, ставятся защитные катушки самоиндукции, шунтированные иногда безындукционным сопротивлением в виде стержня из металла с высоким удельным сопротивлением, соединяющим зажимы катушки (катушки Кампоса). Применяются также более простые защитные катушки без такого шунта.
В последнее время вообще стали отказываться от установки специальных катушек самоиндукции, служащих отражателями волн перенапряжений, полагая, что сам трансформатор, являясь такой катушкой, должен справляться с этой задачей. В силу этого, обычно современные трансформаторы имеют значительно усиленную изоляцию первых витков, наиболее подверженных разрушительному действию волн перенапряжений. Высоковольтные линии электропередачи могут оказать мешающее действие на соседние линии связи путем либо электростатической, либо электромагнитной индукции. При неблагоприятных условиях эти воздействия могут быть опасны для аппаратов связи и пользующихся ими лиц. Наиболее опасным представляется акустический удар при разряде телефонной линии через телефон в тех случаях, когда замыкается на землю один из проводов соседней линии электропередачи. Лучшим способом избежать опасных воздействий линии электропередачи на линию связи является выбор достаточного расстояния между ними, когда это возможно и экономически выгодно. Если это невозможно, необходимо принять меры для ослабления влияния, каковы: 1) установка разрядников перед телефонами во избежание акустического удара; 2) применение изолирующих трансформаторов, разделяющих линию на несколько частей; 3) такое соединение обмоток трансформатора, при котором избегается появление гармоник звуковой частоты; 4) транспозиция двухпроводных линий связи, то есть перемена их взаимного расположения через каждый километр (перекрещивание, при котором правый провод становится левым, и наоборот). Иногда применяется транспозиция и проводов линии электропередачи (через несколько десятков километров).
В трехфазных линиях электропередачи нейтральную точку часто заземляют, обычно через сопротивление или катушку самоиндукции. Заземление нейтрали ограничивает величину возможных на линии перенапряжений и дает путь для отвода статических зарядов. Для напряжений свыше 20 киловольт, а в особенности для напряжений порядка 100 и 200 киловольт, в настоящее время применяются открытые подстанции. На подстанции устанавливаются трансформаторы, масляные выключатели (для размыкания и замыкания цепи под током), разъединители (рубильники для размыкания или переключения цепи не под током и не под напряжением), разрядники, а также трансформаторы для измерительных приборов. Все эти механизмы соединяются с высоковольтными шинами, подвешенными на железных или железобетонных каркасах открытой подстанции. Если на подстанции устанавливаются синхронные конденсаторы, то они помещаются в специальном здании. Опыт показал, что самые сильные снегопады не мешают функционированию открытой подстанции. При очень большом развитии электрических сетей, в настоящее время связывающих иногда целый ряд мощных станций и снабжающих энергией крупные индустриальные районы, правильная и надежная работа линий передач и возможная защита электрических машин трансформаторов и аппаратуры от повреждений имеет в эксплуатации исключительно серьезное значение. Это обстоятельство, с одной стороны, является причиной устройства все усовершенствующихся способов селективной защиты, а с другой стороны — устройства центров диспетчерского управления сетями и станциями. Для всякого объединения электрических станций диспетчерская служба и диспетчерское управление являются обязательными. В последнее время, в виду наличия весьма длинных и исключительно мощных линий передач энергии, приобрел громадное значение вопрос взаимной стойкости работы сетей и станций, характеризующейся так называемой «устойчивостью работы», то есть такой взаимной связью, при которой гарантируется невыпадение из синхронизма генераторов различных станций, связанных сетью электропередач. В случае несоблюдения условий, необходимых для устойчивой параллельной работы, электрические генераторы различных станций будут выходить из синхронизма, и работа всей электрически-связанной системы придет в расстройство, что внешне будет выражаться в сильном колебании напряжения системы и перерывах тока. Устойчивость различается статическая и динамическая. Статической устойчивостью называется такая работа электрической системы при нормальных эксплуатационных условиях, при которой имеются все факторы, обеспечивающие синхронную работу генераторов. Динамической устойчивостью называется устойчивость параллельной работы станций в периоды аварий, когда работающие параллельно станции также не должны выходить из синхронного состояния определенное, правда очень короткое, время, пока не подействует селективная защита и не выключит поврежденный участок линии. Устойчивость работы системы, которой, как уже сказано, в современных мощных сетях придается исключительное значение, в основном зависит от реактанса общей связи между станциями, длины связующей станции линии передачи, от передаваемой мощности, а также от включенной параллельно мощности станций и от ряда других факторов. Устойчивость параллельной работы аналитически характеризуется углом сдвига между напряжениями той и другой станции, причем величина этого угла будет различная в зависимости от условий параллельной работы. Предельный угол сдвига напряжений будет порядка 90° (наличие омического сопротивления способствует некоторому увеличению этого угла). До этих пределов угол между напряжениями может расходиться в период аварии до момента ее устранения. Чтобы угол в периоды аварии (к концу ее) не превзошел 90°, он во время нормальной работы должен быть значительно меньше 90° — обычно порядка 20°.
Передаваемая от станции к станции, соединенным линией электропередачи, мощность (например, от Шатурской станции на 1-ую Московскую ГЭС) связана уравнением
В приведенной формуле Е1 и Е2 означают напряжение на той и на другой станции, а х — реактивное сопротивление между ними. Для устойчивости работы электрических станций и в периоды аварий (динамической устойчивости) имеет громадное значение быстрота действия селективной защиты в целях выключения поврежденного участка в течение того времени, пока угол θ не дошел еще до своего допустимого предельного значения. Большое влияние на устойчивость работы имеет также величина живой силы ротора генератора, а кроме того скорость действия автоматического регулятора возбуждения, который должен поднимать падающее вследствие короткого замыкания напряжение на генераторе. Таким образом, для обеспечения динамической устойчивости параллельной работы станций приходится отказаться от прежних приемов, допускающих понижение напряжения в генераторе в периоды аварий, с целью уменьшения величины тока короткого замыкания. Современный генератор должен выдерживать ток короткого замыкания при полном возбуждении.
В виду особой важности надежной работы селективной защиты линий передач, которая должна гарантировать своевременное, исчисляемое иногда долями секунды, выключение поврежденного участка, в последние годы был разработан целый ряд систем и способов такой защиты, представляющих к настоящему времени специальную область электротехники и требующую от соприкасающихся работников серьезной подготовки. Все перечисленные условия работы современных сетей настоятельно требуют единого диспетчерского управления, которое теперь стало неотъемлемой и чрезвычайно важной составной частью общего управления. Объединенные сети, распределяющие энергию нескольких станций, имеют центральный диспетчерский пункт, откуда диспетчер по своему усмотрению в зависимости от технической целесообразности производит включение отдельных станций и линий передач; делается это, при наличии полной автоматизации, непосредственно со щита управления, при отсутствии же автоматизации или неполном ее развитии - соответственным распоряжением по прямому телефонному проводу. На диспетчерском щите управления оборудована (иногда светящаяся) полная схема всех соединений сети и станций с соответствующими сигналами. На основании этой схемы диспетчер имеет полное и наглядное представление о характере работы системы для каждого данного момента и может найти наилучшее решение для переключения работы системы при обнаруженных авариях. Автоматическое управление на дальнее расстояние, а также полная автоматизация электрических установок за последние годы в США получили весьма большое распространение. К 1930 году имелись данные об автоматическом управлении, устройствах дальнего наблюдения и дальнего управления, а также дальне-измерительных установках на суммарную мощность около 5,5 млн. кВт, а именно:
Вопрос автоматизации в условиях СССР также имеет громадное значение, и ему уделяется за последнее время серьезное внимание.
Стоимость линий электропередач на километр.
Литература: «СЭТ» (справочная книга для электротехников, 1929, т. III; там же подробный указатель литературы на русском и иностранных языках); инженер А. А. Глазунов, «Линии электропередачи. Механический расчет проводов и тросов» (1928); инженер Н. И. Сушкин и инженер А. А. Глазунов, «Новые конструкции высоковольтных линий передач» (1930); Г. Л. Эпштейн, «Перенапряжение на электрических установках» (1927); «Генеральный план электрификации СССР». Госплан СССР, 1932, т. VI (Энергооборудование) и т. VII (Станции и сети); Г. Л. Эпштейн, «Районные трансформаторные подстанции»; «Защита сетей высокого напряжения», сборник статей, переводов под редакцией профессора Н. Ф. Марголина; В. И. Иванов, «Реле и релейная защита»; Ф. Кессельринг, «Электрические выключающие, пусковые и регулирующие аппараты», перевод с немецкого под редакцией профессора В. С. Кулебакина; М. М. Михайлов, «Сетевые и кабельные измерения» (1932): А. Я. Рябков, «Электрический расчет высоковольтных линий электропередач» (2-е изд., 1931).
С. Кукель-Краевский.
| Номер тома | 52 |
| Номер (-а) страницы | 594 |