Электрические схемы криогенных электропередач

Построение схем криогенных электропередач имеет ряд особенностей по сравнению с построением схем традиционных воздушных и кабельных линий. Это прежде всего связано с тем, что в большинстве конструкций криогенных кабелей фазы предполагается выполнять в виде коаксиально расположенных проводников.
Параметры нормальных линий (сопротивления, проводимости) преимущественно определяются принципиальным конструктивным исполнением линии (воздушная линия или кабельная) и мало зависят от расчетной мощности линии и ее номинального напряжения. В криогенных линиях параметры определяются расстоянием между проводниками коаксиала, которое в значительной степени зависит от номинального напряжения линии. Кроме того, параметры линии сильно изменяются в зависимости от диаметров проводника коаксиала, а диаметры определяются расчетной мощностью. В результате при изменении расчетной мощности линии и ее номинального напряжения параметры линии могут изменяться в несколько раз.
В зависимости от схемы подключения к шинам энергосистемы отдельных проводников коаксиала напряжение коаксиала может быть различным (при одном и том же номинальном напряжении линии), в результате чего оказываются различными параметры криогенной линии и ее пропускная способность.
Таким образом, схема криогенной электропередачи должна выбираться в соответствии с конструкцией криогенного кабеля, расчетной мощностью электропередачи, ее длиной и номинальным напряжением.
При выборе схем криогенных электропередач важную роль играют следующие технические факторы: пропускная способность, возможность наиболее полного использования периметра и сечения проводникового материала криогенного кабеля, величина возникающей несимметрии напряжений и токов по фазам, наличие несимметричного электромагнитного поля внутри кабеля, потери в проводниках фаз, экранах, оболочках кабеля, возможность реверса мощности по линии, возможность присоединения промежуточных подстанций, тяжесть аварийных и послеаварийных режимов и др.
Рассмотрим основные принципиальные схемы криогенных электропередач, в которых каждая фаза выполнена из двух проводников, расположенных коаксиально.
На рис. 11.7 представлена схема с коаксиальными фазами, в которой внутренний проводник коаксиала 1 на приемном конце линии подключается к первичной обмотке трансформатора. Нейтраль трансформатора с помощью внешнего проводника коаксиала 2 собирается на передающем конце линии. При такой схеме токи в проводниках коаксиала направлены противоположно, в результате чего магнитное поле существует только внутри коаксиала каждой фазы, и происходит уменьшение индуктивного сопротивления линии по сравнению со случаем, когда токи направлены в одну сторону. Внешний проводник коаксиала фактически выполняет роль фазного экрана и, так как он служит нейтралью трансформатора, не требует значительной изоляции относительно криогенных оболочек.
Недостаток этой схемы заключается в том, что на приемном конце электропередачи линия обязательно должна подключаться к трансформатору. Остаётся неясной возможность реверсивных потоков мощности по такой электропередаче. Поскольку напряжение между проводниками коаксиала равно фазному, при требуемой большой пропускной способности диаметры фаз, а следовательно, и всего криогенного кабеля могут оказаться слишком большими.
Для повышения пропускной способности может быть применена схема спаренных фаз, варианты которой показаны на рис. 11.8 и 11.9. Идея всех схем со спаренными фазами заключается в том, что на внешний и внутренний проводники коаксиальной фазы подключают разные фазы, векторы напряжений и токов которых сдвинуты на 120°. При этом между проводниками коаксиала приложено линейное напряжение UK, за счет чего повышается пропускная способность. В схемах отпадает необходимость обязательного подключения трансформаторов в конце линии. Реверс мощности по такой линии не представляет никаких проблем.
В криогенном кабеле, включенном по схеме рис. 11.8, напряжения и токи не находятся в полной противофазе, в результате чего магнитное поле частично будет выходить за пределы коаксиала. Для устранения этого недостатка векторы напряжений и токов отдельных проводников коаксиала могут быть повернуты друг относительно друга с помощью трансформаторов с продольно-поперечным регулированием (ВДТ), включаемых по концам линии.
Тогда в зависимости от продольной (ДV) и поперечной (6U) надбавки напряжения (рис. И.9,в) вектор напряжения на внешнем проводнике Ubt будет изменять свое положение вплоть до перехода в положение 1)'ь, когда напряжения между проводниками коаксиала окажутся в противофазе, а по модулю вместо UK станут равными U'K.
Так как при введении только продольной (рис. 11.9,6) или продольно-поперечной надбавки напряжения изменяется напряжение коаксиала, то при этом меняется и пропускная способность электропередачи. Такие схемы могут быть применены как для коротких, так и для протяженных электропередач, в которых регулирование напряжения коаксиала в сторону его снижения при минимальных нагрузках может быть использовано с целью уменьшения установленной мощности шунтирующих реакторов.
Если линия должна быть включена в блоке с трансформатором на приемном конце, то схема спаренных фаз реализуется путем соединения обмоток трансформатора с помощью внешних проводников коаксиала.
Еще большей пропускной способностью обладает схема линии с режимом противофазы напряжений, в которой между проводниками коаксиала приложено двойное фазное напряжение. Противофаза напряжений создается с помощью специального подбора групп соединений концевых трансформаторов. Недостатком схемы является то, что на концах электропередачи обязательно должны быть включены трансформаторы.
Коаксиальное расположение проводников фазы позволяет создавать схемы линий с емкостной связью. В этих схемах передача мощности осуществляется только за счет емкостной связи между проводниками коаксиала (разомкнутая линия, рис. 11.12, а) либо одновременно за счет пропуска тока по неразрывному проводнику и емкостной связи (полуразомкнутые линии).
В линиях с емкостной связью индуктивное сопротивление компенсируется естественной продольной емкостью между проводниками коаксиала. Полная компенсация наступает на участке линии, равном длине звена самокомпенсации. Как показали предварительные исследования, длина звена самокомпенсации для криогенных линий может составлять всего лишь несколько или десятки километров. Это позволяет применять криогенные линии с емкостной связью, независимо от расстояния между концевыми подстанциями.
Наличие двух проводников в коаксиальной фазе криогенной линии приводит к некоторым особенностям подключения компенсирующих устройств и промежуточных подстанций на линиях. Принципы включения компенсирующих устройств показаны на рис. 11.13 на примере схемы с противоположным направлением токов в проводниках коаксиальных фаз, а присоединение промежуточных подстанций — на рис. 11.14. Схемы даны в однофазном исполнении. На рис. 11.14 одновременно поясняются принципы расстановки коммутационных аппаратов.
Аналогичным образом компенсирующие устройства, промежуточные подстанции и коммутационные аппараты могут быть включены и в других схемах криогенных линий.