Линии электропередачи 345 кВ и выше - Исследовательский центр УВН

ГЛАВА 1
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР УВН. ВОЗМОЖНОСТИ ИСПЫТАНИЙ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
АНДЕРСОН, ДОЙЛ

1. ВВЕДЕНИЕ

Исследовательский центр УВН (ультравысокого напряжения), основанный и руководимый Советом по исследованиям в области электротехники и его преемником — Институтом электроэнергетики, представляет собою комплекс установок, предназначенный для исследований воздушных линий электропередачи СВН и УВН. Он расположен в долине Хаузэтоник, южнее Питтсфилда (штат Массачусетс), и окружен холмами Новой Англии. Установки центра защищены от сильных ветров, однако они подвержены воздействию обильных дождей, туманов, снега и перепада температур, что обеспечивает широкие возможности для изучения влияния среды на линии электропередачи. Наличие рядом высоковольтной лаборатории «Дженерал электрик» также способствовало выбору местоположения установок центра. «Дженерал электрик» пополняет штат служащих, занимается оборудованием и проводит исследования, финансируемые Эдисоновским институтом электротехники, Бонневильской энергосистемой, а с 1972 г.— Энергосистемой долины Теннесси и Американской общественной ассоциацией энергетики. Материалы, представленные в настоящей книге, взяты — главным образом, но не исключительно — из данных Исследовательского центра УВН.
Как и многие крупные исследовательские высоковольтные комплексы, Исследовательский центр УВН создавался последовательно, в соответствии с тем, как это позволяли время и финансирование. Ему предшествовало сооружение СВН — исследовательского комплекса, построенного (финансировавшегося «Дженерал электрик») в 1958—1964 гг. для разработки вопросов, связанных с созданием передач 400—750 кВ. При поддержке Эдпсоновского института и Энергосистемы долины Теннесси в 1965 и 1966 гг. на испытательном комплексе СВН было проведено свыше 12 млн. электрических, механических и метеорологических измерений, на основании которых написана «Справочная книга по линиям электропередачи СВН» [1].

К 1966 г. стало очевидным, что испытательное оборудование Исследовательского центра СВН уже не  в состоянии, с точки зрения напряжения, удовлетворить требованиям ближайшего будущего.
Анализируя тенденции развития электроэнергетики, можно было заключить, что к началу 1980-х годов в Северной Америке возникнет необходимость в линиях ультравысокого напряжения. Поэтому с 1966 г. в США началось активное изучение проблем передачи УВН, а в 1967 г. приступили к изготовлению оборудования для Исследовательского центра УВН, Программа исследований, связанная с созданием линий 1000— 1500 кВ, была рассчитана на пятилетний срок и ставила своей целью:
определить конфигурацию и размеры опоры и требования к изоляции для электропередачи 1000—1500 кВ переменного тока;
получить экспериментальную и аналитическую информацию по электрической прочности гирлянд изоляторов при их загрязнении;
оценить грозозащитные характеристики линий УВН; оценить потери на корону линий УВН при полномасштабных испытаниях и испытаниях с использованием клетки;
оценить при полномасштабных испытаниях и испытаниях с использованием клетки характеристики радио- и акустических помех от линий электропередачи УВН, а также исследовать возможности снижения уровней этих помех;
определить влияние линий электропередачи УВН на персонал и транспорт;
выяснить существующие технологические ограничения для развития передач переменного тока и наметить необходимое направление будущих исследований.
Аппаратура и оборудование Исследовательского центра СВН, предназначенные для исследования проблем СВН, были модифицированы и использованы для новых исследований. В январе 1967 г. Исследовательский центр СВН был переименован в Исследовательский центр УВН с целью подчеркнуть расширение сферы его деятельности.
На ранних стадиях исследований, пока однофазные испытания еще отвечали стоящим перед исследователями задачам, трехфазные испытания были экономически не оправданы и однофазные испытания имели приоритет. Следует отметить, что эффект взаимного   влияния фаз в трехфазных цепях часто создает трудности при изучении механизма отдельных явлений. Вопрос же
о  переходе к трехфазным испытаниям связан с углублением исследований и дальнейшим развитием систем электропередачи, когда уже возникает потребность в полной картине явления и учет взаимного влияния фаз становится необходимым. Поэтому для первоначального периода исследований была сооружена опытная однофазная линия, которая использовалась вплоть до 1973 г., пока не стало очевидным, что для изучения таких важных для передач УВН вопросов, как акустические шумы и радиопомехи, необходимы дополнительные исследования на трехфазных линиях.
Следует отметить, однако, что переход от результатов однофазных испытаний к эквивалентным трехфазным не всегда необходим. Так, например, с точки зрения изоляционных характеристик в таком переходе нет необходимости, за исключением тех случаев, когда объектом изучения являются междуфазные воздушные промежутки.

1.2. ИСПЫТАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ЦЕНТРА УВН

На рис. 1.2.1 —1.2.16 представлены фотографии основного оборудования комплекса. Питание комплекса осуществляется по линии 110 кВ через автотрансформатор, позволяющий регулировать напряжение в пределах 110 кВ±30% с шагом 5,8%.
Трансформатор 1500 кВ (рис. 1.2.1). Для уменьшения изоляционного расстояния все обмотки трансформатора размещены на одном стержне.

Рис. 1.2.1. Однофазный автотрансформатор УВН 33 MB-А. 8

Рис. 1.2.2. Свободностоящий грозовой разрядник 900 кВ (а) и высокопрецизионный газонаполненный конденсатор (б).
Имеются ответвления 193 | 3 и 143 | 3 кВ. Схема присоединения к регулировочному трансформатору обеспечивает получение фазного напряжения в пределах от 346 до 866 кВ, что эквивалентно линейному напряжению от 600 до 1500 кВ.

Рис. 1.2.3. Передатчик, использовавшийся в 1987—1972 гг. для измерения потерь на корону. (В 1973 г. был заменен транзисторным.)
Для проведения трехфазных испытаний и испытаний по специальным схемам предусмотрена третичная обмотка с наружным выводом 13,8 кВ, 11,5 MB*А.
Вывод УВН трансформатора имеет длину 11,9 м; высота его над поверхностью бака 8,7 м.
Грозовой разрядник 900 кВ. Защита трансформатора УВН от атмосферных и коммутационных перенапряжений обеспечивается изображенным на рис. 1.2.2,а грозовым разрядником 900 кВ высотой 12,3 м с диаметром верхнего экранного кольца 3,7 м. Создание одноколонкового разрядника такой высоты оказалось невозможным по условию его устойчивости.

Рис. 1.2.4. Клетка в восточной части территории комплекса (клетка СВН).

Рис. 1.2.5. Шины УВН, проходящие над трансформатором УВН, грозовым разрядником, газонаполненным конденсатором и конденсатором связи для измерения радиопомех.

Рис. 1.2.6. Противокоронные экраны по концам шин УВН.

Рис. 1.2.7. Фаза испытательной линии УВН из 16 проводов диаметром 2,3 см, расположенных по окружности диаметром 143 см.

Рис. 1.2.8. Испытательная клетка СВН 5,34x5,34X6,1 м.

Рис. 1.2.9. Испытательная клетка УВН 7,6X7,6X15,2 м.

В связи с этим нижняя секция разрядника состоит из трех колонн фарфоровых изоляторов, две из которых служат лишь в качестве механической опоры. Верхняя секция состоит из двух колонн, в одной находятся искровой промежуток и вентильные элементы, а в другой — калиброванные емкости.

Рис. 1.2.10. Камера тумана для испытания на загрязнение гирлянд изоляторов УВН длиной до 12 м.
Разрядник имеет следующие характеристики:
Пробивное напряжение при импульсе 1,5-50 мкс, кВ. 2175
Остающееся напряжение при токе 5 кА, кВ.. 2175
Пробивное напряжение при коммутационном импульсе, кВ   . 2020 Пробивное напряжение при импульсе с крутизной 1200 кВ/мкс, кВ 2500
Оборудование для измерения потерь на корону. Система измерения потерь на корону в Исследовательском центре УВН описана в [1.2, 1.3]. Система эта подобна использованной в Исследовательском центре СВН [1.1, 1.4, 1.5], но с применением модифицированного самобалансирующегося моста на высокое напряжение. Напряжения измерялись с помощью высокопрецизионного

Рис. 1.2.11. Токоограничивающий нихромовый проволочный резистор для испытательной камеры тумана УВН.

Рис. 1.2.12. Помещение для испытаний на загрязнение изоляторов СВН.

Рис. 1.2.13. Площадка для испытаний изоляторов СВН.

Рис. 1.2.14. Площадка для испытаний изоляторов УВН.

Рис. 1.2.15. Схема измерения напряжения радиопомех на воздушной опытной линии проекта УВН.
1 — кабель 75 Ом, 150 м; 2 — измеритель радиопомех STODDART NM-25-T; -V — фильтр радиопомех 1,04 мГд; 4 — элегазовый конденсатор 50 пкФ.
конденсатора, наполненного элегазом с прочностью 2550 кВ; tg б конденсатора равен нулю в сухую погоду и 0,0008% при увлажнении. Измерение токов осуществлялось с помощью шунта, дистанционно связанного с заземленным мостом на частоте 208 МГц (рис. 1.2.2,б, 1.2.3 и 1.2.4).

Рис. 1.2.16. Опора для испытания изоляторов УВН.
Система шин УВН. Напряжение от трансформатора подается на защитное и измерительное оборудование, а затем на опытную линию или другой испытуемый объект. На рис. 1.2.5 показаны шины УВН, проходящие над трансформатором УВН, грозовым разрядником, газонаполненным конденсатором и конденсатором, используемым для измерения радиопомех. Шины присоединены к каждому из этих устройств с помощью гибких связей. Они состоят из шести алюминиевых труб 0 6,03 см, размещенных по вершинам шестиугольника с расстоянием между осями труб 46 см. Во избежание короны на натяжной арматуре и изоляторах натяжных гирлянд на обоих концах шин смонтированы тороидальные экраны диаметром 4,12 м (рис. 1.2.6). Эти экраны, изготовленные из алюминиевых труб диаметром 11 см, представляют собой пять колец, расположенных на расстоянии 46 см одно от другого. Значение начального напряжения короны у экранов такое же, как и у шин (1100 кВ относительно земли в сухую погоду и около 500—600 кВ в сырую).
Опытная линия электропередачи УВН. Пролет опытной однофазной линии УВН протянулся на расстояние 440 м к югу от испытательной станции (рис. 1.2.7). Высота подвески проводов может изменяться с помощью лебедок, установленных по обоим концам линии; с их помощью легко осуществляется перетяжка проводов. До использования этого пролета испытания в течение нескольких лет проводились на опытной линии 6,76 км Исследовательского центра СВН; таким образом, у испытателей имеется сравнительный опыт использования обеих линий. При контроле за концевыми эффектами короткая линия обеспечивает более четкое и значительно более экономичное проведение измерений, а также и большую точность. Следует отметить, что погодные условия вдоль трассы длинной линии могут существенно меняться, затрудняя оценку их действительного влияния. Кроме того, для однопролетной линии напряженности провода и их интегральное влияние могут быть заранее рассчитаны и учтены. При длинной линии разница провесов в разных пролетах, неровности почвы и наличие примыкающей к трассе растительности могут привести к таким явлениям, которые трудно учесть, исходя лишь из значения радиопомех, измеренных на одном конце линии. На короткой линии легче и быстрее производится монтаж проводов. Длинная опытная линия обеспечивает различные условия вдоль трассы и меньшую чувствительность к случайным источникам короны.
Если ее длина достаточно большая — несколько километров, то можно получить информацию о затухании радиошумов. Длинная линия дает также лучшую информацию о средних значениях радиопомех, поскольку погодные условия вдоль ее трассы как бы усредняются.
Общее заключение, однако, таково, что короткая линия обладает большими преимуществами. Кроме того, однофазная испытательная линия позволяет количественно более четко судить об исследуемом явлении, чем   на основании экспериментов на трехфазной линии, отражающих взаимное влияние фаз.
В табл. 1.2.1 приведены сведения о конструкции фаз, которые были испытаны на опытной линии УВН.
Таблица 1.2.1

* Асимметричный провод.
Клетки для испытаний на корону. Уже давно разрабатывались методы измерения параметров короны без использования опытной линии. Испытания проводов на воздушных линиях, хотя и более приближены к реальности, дороги и требуют большой затраты времени. Кроме того, на длинной линии приходится считаться с трудностями контроля метеорологических факторов, условий формирования электрического поля, медленной и трудоемкой системой измерений. Чтобы обеспечить быстрое испытание фаз разных конфигураций, в Исследовательском центре УВН были использованы три испытательные клетки. На рис. 1.2.8 показана одна из двух первоначально построенных клеток, которые с успехом использовались в течение нескольких лет. Они называются клетками СВН в отличие от смонтированной из стальных конструкций большой клетки УВН (рис. 1.2.9). В первых двух клетках проводятся испытания пучков диаметром до 1 м. Близость решеток этих клеток к испытуемому проводу увеличивает напряженность и позволяет проводить испытания при напряжениях, меньших номинальных. Клетка УВН предназначена для испытания фаз диаметром до 2 м и имеет большое поперечное сечение, соответственно чему при испытаниях в этой клетке прикладывается и большее напряжение.
Клетки имеют специальные концевые пластины с прорезью, позволяющие монтировать симметричные и асимметричные пучки с числом проводов до шестнадцати.

Форма клеток СВН имеет кривизну, соответствующую цепной линии, что обеспечивает одинаковое расстояние от проводов до верхней, нижней и боковых стенок клеток. Это помогает устранить связанную с провесом провода неоднородность поля; провес регулируется гидравлическими домкратами, расположенными по концам у поддерживающих конструкций. Одна из клеток СВН оборудована специальной дождевальной установкой [1.6], которая позволяет регулировать интенсивность и размеры капель искусственного дождя. Другая клетка открыта, и испытываемый в ней провод оказывается под воздействием естественного дождя. При одновременных испытаниях проводов в этой клетке и на воздушной линии при одинаковых напряженностях обнаруживается отличное соответствие, что позволяет рекомендовать использование клеток для исследования короны.
Исследования загрязнения изоляторов. Создание линий УВН в США основывалось на том, что развитие выключателестроения должно обеспечивать снижение кратности перенапряжений при возрастании рабочего напряжения. В связи с этим максимальные значения перенапряжений на линии 1200 кВ лишь немного выше, чем на линии 800 кВ, а следовательно, и требуемые для линии 1200 кВ изоляционные расстояния незначительно превосходят существующие.
Однако возрастание напряжения промышленной частоты повышает напряжение на каждом изоляторе гирлянды, если, конечно, длина ее не увеличивается. Требуемая длина гирлянды и наилучшая форма изолятора определяются характеристикой загрязнения.
Испытания на загрязнение в Исследовательском центре УВН происходят в двух закрытых помещениях и на двух открытых площадках. На рис. 1.2.10 изображено большее из помещений — камера тумана. Это цилиндрическое сооружение имеет высоту и диаметр, равные 1 м, и представляет собою большую камеру, в которой можно испытывать гирлянды до 12 м длиной. Туман образуется при испарении воды из больших нагреваемых электрическим током баков. Испытательное напряжение от трансформатора УВН вводится в камеру через пластмассовое окно в одной из его стен. Для ограничения тока перекрытия примерно до 30 А в цепь обмотки низкого напряжения трансформатора включен резистор (рис. 1.2.11). Он изготовлен безындукционным, из нихромовой проволоки длиной 1830 м и рассчитан на протекание тока замыкания в течение 1 с.

Второе помещение изображено на рис. 1.2.12. Оно предназначено для испытания более коротких гирлянд СВН с целью сравнения их характеристик с характеристиками гирлянд УВН. Подробное описание этого сооружения приведено в [2]. Ток короткого замыкания в этой установке около 20 А.
Площадки для испытания искусственно загрязненных изоляторов в условиях естественного тумана (рис. 1.2.13 и 1.2.14) находятся поблизости, что позволяет сравнить результаты испытаний в условиях искусственного и естественного тумана.
Аппаратура для метеорологических измерений и измерений радио- и акустических шумов. Аппаратура для измерения радиопомех используется в Исследовательском центре для контактных и дистанционных измерений. На воздушной линии они проводятся с помощью либо измерительной аппаратуры Stoddart NM-20B, ММ-25Т, либо Fairchild ЕМС-25. Эти приборы используются также при измерениях радиопомех в клетке. При всех измерениях радиопомех использовалась схема, приведенная на рис. 1.2.15; в соответствующие точки включены фильтры, пропускающие все токи радиопомех в измерительную систему и препятствующие проникновению ложных сигналов, не имеющих отношения к исследованию радиопомех.
Для измерения напряженности поля радиопомех воздушной линии около середины пролета были установлены три прибора Stoddart NM-20B — один непосредственно под проводом, два других по разные стороны от него на расстоянии 30 м. Такое размещение было необходимо, чтобы удалить аппаратуру от трансформатора УВН и другого подстанционного оборудования и поместить ее вблизи максимума стоячей волны при частоте измерения 1,04 МГц на ненагруженной линии.
Для автоматического измерения уровней сигналов к выходу каждого измерителя шумов подключены специальный усилитель и интегратор. Когда показания на выходе интегратора превышают 40 дБ, в цепь антенны автоматически включается дополнительный аттенюатор на 20 дБ. Каждая антенна представляет собой вертикальный прут высотой 1 м, экранированный у вершины для предотвращения короны в сильном электрическом поле.
Калибровка измерителей с использованием генератора шумов производится ежедневно, а при испытаниях— до и после каждого цикла измерений, контроль калибровки осуществляется с помощью генератора стандартных сигналов.
Измерение звуковых шумов проводится с применением аппаратуры General Radio (GR) или Bruel and Kjaer (BK).
Из аппаратуры GR использовались звуковые измерители типа 1561 А и анализаторы частоты типа 1564 А, постоянно включенные в измерительную систему Исследовательского центра. В качестве микрофонов использовались приборы типа 1560 Р7, соединенные с предусилителем GR типа 1560 Р42. В качестве переносной измерительной аппаратуры часто применялись звуковые измерители ВК типа 2203 с микрофоном типа 4145. Для получения полного соответствия между измерениями к показаниям приборов ВК следует добавить 1,5 дБ, что должно скомпенсировать разницу в чувствительности микрофонов. Используемый в Исследовательском центре УВН микрофон ВК дает показания на 0,5 дБ меньше, а микрофон GR — на 1,0 дБ больше, чем идеальный микрофон ненаправленного действия. При этом принимается, что спектры звуковой частоты соответствуют полосе в 1/10 октавы.
Кроме вышеуказанной, в Исследовательском центре использовалась и другая аппаратура (полностью автоматизированная система поиска данных с выходом на перфоленту, метеоаппаратура, включая термодатчики, дождемеры и датчики давления, а также оборудование для измерения телевизионных помех).
Опора для испытания изоляторов УВН и импульсный генератор 5 MB. Для испытания линейной изоляции УВН от импульсного генератора 5 MB, 250 кДж была установлена опора (рис. 1.2.16). При ее конструировании были приняты во внимание следующие соображения.

1. Возможность иметь воздушные промежутки, соответствующие целям испытания линейной изоляции УВН. Расстояние между стойками опоры 24,4 м; высота траверсы 30,5 м; размеры окна — позволяющие испытывать воздушные промежутки до 12,2 м; концы траверсы— выступающие за каждую стойку на 18,9 м (что позволяет проводить исследование длинных V-образных гирлянд).
2. Минимальное поперечное сечение (1,2 м2) стоек и траверс для ослабления эффекта близости опоры, влияние которого может быть установлено с помощью специальных заземленных экранов.
3. Расчетная рабочая вертикальная нагрузка опоры— 2260 кгс при подвеске каждой из трех фаз в любом возможном положении; расчетная скорость ветра на уровне земли— 100 км/ч.
4. Удобство макетирования параметров реальных опор. Вдоль всей траверсы и стоек с интервалами 15 см предусмотрены отверстия для крепления заземленных экранов разной ширины. Траверса имеет помост с решеткой для облегчения работ по такелажу и оснастке.
5. Возможность регулирования длины воздушных промежутков провод — стойка. Специальные тележки обеспечивают возможность горизонтального перемещения вдоль траверсы узлов крепления подвесных гирлянд или заземленных экранов.
6. Возможность изменения положения испытуемых проводов. Шесть деревянных столбов высотой по 30 м вместе с системой блоков и анкеров обеспечивают возможность регулирования высоты подвески провода и расстояния его до стойки опоры. Столбы рассчитаны на вертикальную нагрузку 2260 кгс.
7. Возможность проводить испытания изоляторов в условиях искусственного дождя. Вдоль всей траверсы на расстоянии 1 м смонтированы две трубы с насадками, расположенными с интервалом 60 см. Направление разбрызгивания может регулироваться с верхнего помоста у каждой насадки в отдельности.
8. Расход металла на изготовление опоры должен быть минимальным для уменьшения ее стоимости и легкости перевозки в будущем. При небольшом поперечном сечении стойки и траверсы их жесткость обеспечивается с помощью оттяжек.

Импульсный генератор наружной установки, предназначенный для испытания изоляторов (рис. 1.2.17), способен генерировать коммутационные импульсы до 3800 кВ отрицательной полярности и 3300 кВ положительной. Наиболее часто используются импульсы с длительностью фронта до 1200 мкс и длительностью импульса до 3000 мкс. Период автоматического заряда генератора составляет от 20 до 40 с, воспроизводимость импульсов отличная. Эти качества в сочетании с удобством управления и измерения делают генератор идеальным для получения надежных статистических данных.

Рис. 1.2.17. Импульсный генератор 5 MB и компенсированный делитель напряжения.
Высокая скорость операции позволяет, кроме того, проводить большие серии опытов без риска не закончить их до существенных изменений метеорологических условий,