6.9 Расчет дальней сверхвысоковольтной линии электропередачи

6.9. Расчет дальней сверхвысоковольтной линии электропередачи

В электротехнике встречаются несоответствия математики и физики. Так например, из-за неправильного принятия угла сдвига в 90 градусов между током и напряжением в цепи емкостного и индуктивного сопротивлений их произведение дает удвоенное значение частоты мгновенной мощности, чего на практике не встречается.
В другом случае из тригонометрического соотношения в векторной диаграмме между мощностью и напряжениями в генераторе через синус угла между векторами, неправильно принята зависимость мощности от синусоиды угла, чего не может быть в физике процесса.
Сверхвысоковольтные линии электропередач рекомендуется рассчитывать по так называемым уравнениям однородной линии с распределенными параметрами (8,9). Другие авторы называют эти уравнения по разному: волновые уравнения линии, уравнения четырехполюсника, уравнения длинной линии.
Несоответствий этих уравнений с физическими процессами передачи электроэнергии по проводам линий электропередач очень много. В первых, при составлении уравнений ошибочно принято, что напряжение продольной ветви в схеме замещения линии изменяется только за счет потери напряжения в активном сопротивлении и индуктивности. Также принято, что ток в продольной ветви изменяется только за счет поперечной ветви: тока в активной и тока в емкостной проводимости (9). Приняты следующие дифференциальные уравнения для линий с распределенными параметрами
— = (6.9.1)
— (6.9.2)
В уравнениях (1) и ((2) dх – протяженность линии, dt –время.
В уравнении (1) не учтена емкость линии, которое влияет на изменение напряжения вдоль линии, в уравнении (2) не учтено индуктивное сопротивление, которое влияет на изменение тока вдоль линии. В этих уравнениях изменения напряжения и тока вдоль линии являются функциями двух переменных: времени и длины линии. Для решения уравнения линии с распределенными параметрами при установившемся синусоидальном процессе пользуются, так называемым, символически методом. Преобразовывая уравнения (1) и (2) через показательные функции и гиперболические косинус и синус и предположив линию без потерь, исключив переменную во времени получают следующие уравнения
U1 = U2 cos lх + i I sin lх (6.9.3)
I1 = I2 cos lх + j sin lх (6.9.4)
В уравнениях (3) и (4) lх — волновая длина линии в градусах от 0 до 2 , причем 2 = 6000 км — (длина волны). U1, U2 и I1, I2 – напряжения и токи в начале и в конце линии, в- волновое сопротивлении линии.
Уравнения по многим причинам не годятся для определения напряжения и тока в линии электропередачи. В первых, данные, полученные по этим уравнениям, совершенно отличаются от данных, получаемых обычно принятым методам согласно закону Ома. С другой стороны, эти уравнения предполагают изменения их действующих значений по законам синусоиды, чего в действительности не имеет места. В третьих, кривые, полученные по первому и второму слагающим, получаются сдвинутыми на 900 при любом значении волновой длины линии, чего не может быть в действительности. В четвертых, уравнения получены для линии без потерь, чего не бывает. В пятых, принятая теория передачи электромагнитными волнами переменного тока для частоты 50 герц не подходит, соответственно неверно принимать для нее длину волны, скорость передачи света. Выводы, что при «волновой» длине линии 3000 км в нем не будет потери мощности, не соответствует физике процесса. Следующей ошибкой согласно этой теории является убеждение, что при длине 3000 км можно передать бесконечную мощность.
В 1967 году проводились уникальные испытания полуволновой передачи (11).
Для испытания была составлена схема сети 500 кВ «Волгоград – Москва –Куйбышев – Урал». Общая длина линии составила 2858 км. При загрузке линии мощностью 1043 МВт, т.е. близкой к натуральной (1000 МВт при U =525кВ), потери активной мощности составили 225 МВт или 21,6% от передаваемой мощности. Таким образом, было доказано экспериментально, что при «волновой» длине линии не наступает режима «линии без потерь». Потери соответствовали расчетным значениям по закону Ома. Предположения об особых свойствах линии длиной 3000 км никак не были обнаружены. Высокий авторитет авторов теории передачи электромагнитными волнами не позволил опровергнуть эту теорию. Эта теория до сих пор приводится в учебниках и рекомендуется к применению.
Другой ошибкой в этой теории является принятие при длине линии 3000 км наличие явления натуральной мощности. В настоящее время определено, что натуральная мощность не зависит от длины линии, а зависит от соотношения емкостной и индуктивной мощностей самой линии, при их равенстве они компенсируют друг друга и образуется режим отсутствия какого – либо реактивного сопротивления линии. Режим натуральной мощности имеет место при определенной нагрузке на линии Sнат , которая зависит только от напряжения и от величины волнового сопротивления и не зависит от длины линии.
Передача электроэнергии никак не может быть тождественной с теорией передачи света. Передача электроэнергии осуществляется электронами проводника, скорость передачи зависит от свойств металла. Согласно теории электропроводности металлов имеется зависимость от концентрации электронов, величины заряда, средней скорости упорядоченного движения зарядов. Плотность тока по этой теории j =n e v, где n – концентрация электронов, e – заряд, v – скорость движения электронов, которая в свою очередь зависит от длины свободного пробега и массы электрона.
Опровержением применения волновой теории в электропередачах также является то, что электрические и магнитные поля линии тесно связаны с плотностью и скоростью движения электронов. Эти поля, являясь основой емкостной и индуктивной мощностей, сопровождают заряды. Эти поля не могут передаваться с какой–то другой скоростью. Принятие за скорость передачи электроэнергии равной скорости света в 300 тысяч км/с и длиной волны 6000 км неверны.
Следующей серьезной ошибкой является то, что напряжение и ток рассматриваются как результат наложения двух электромагнитных прямой и обратной волн, движущихся в противоположные стороны. В исходных условиях это никак не оговаривается и не учитывается. В реальности нет никакой обратной (отраженной) волны. Ток течет только в замкнутых цепях и ни отчего ему отражаться.
Также несуразные результаты дают эти уравнения в зависимости параметров линии от ее длины. Так в (10) утверждается, что индуктивное сопротивление продольной ветви схемы замещения изменяется по синусоиде. Также утверждается в примере расчета линии 500 кВ с проводами 3х400/51, что активное сопротивление продольной ветви сначала нелинейно возрастает и при длине линии около 1000 км достигает максимума, затем оно снижается и в зоне 1800 – 1950 км переходит через нуль и становится отрицательным (9). Все эти результаты противоречат физике. Все сопротивления и проводимости имеют линейную зависимость от длины линии, тем более иметь отрицательные значения.
Сверхвысоковольтные линии электропередачи необходимо рассчитывать также как обычные высоковольтные линии, как цепи с сосредоточенными параметрами. Нейман Л. Р. (3) говорит: «Электрическую цепь можно рассматривать как цепь с сосредоточенными параметрами, если скорости изменения напряжений и токов малы…» Переменный ток частотой 50 гц является самой низкочастотной с малой скоростью изменения напряжения и тока, поэтому теории передач высоких частот к нему не подходят.
Таким образом, можно сделать вывод, что уравнения однородных линий с распределенными параметрами выведены неверно и не годятся для расчета сверхвысоковольтных дальних линий электропередач по двум причинам: во-первых, неверно принята физика процесса передачи электроэнергии, во-вторых, неверно принята схема замещения с распределенными параметрами. Все выводы, сделанные по этим уравнениям ошибочны, например, об особых свойствах линий длиной 3000 км.
Природа передачи электрической энергии по линии электропередачи не зависит от напряжения и дальности линии. Как, в коротких так и в длинных линиях физика процесса одинакова — передача имеет место за счет электропроводности проводника и расчеты их режимов надо вести одинаково по законам электротехники и по последовательной схеме замещения. Нами предложено вести расчеты сверхвысоковольтных линий также по методике баланса реактивных мощностей.

Содержание главы:

Содержание книги:

Статьи и книги по теме: