- ОЦЕНКА ЭФФЕКТОВ КОРОНЫ НА ОДНОФАЗНОЙ ЛИНИИ И В КЛЕТКЕ
При проектировании линий требуются данные, на основе которых возможно оценить параметры короны для любой проектируемой линии. Для этого необходимо испытать большое число проводов разных конструкций. В идеале эти испытания следовало бы проводить на трехфазных опытных линиях реальных размеров. Однако на начальной стадии исследований такие испытания представляются экономически нецелесообразными. Исследовательский центр УВН и другие подобные центры добились успеха, обеспечив получение необходимых данных с относительно коротких участков проводов, смонтированных либо на воздушной опытной линии, либо в испытательной клетке с дальнейшим пересчетом этих данных на трехфазные линии реальной длины.
Генерация короны и поверхностная напряженность. Генерация короны с пучка проводов практически определяется распределением напряженности вокруг поверхности отдельных проводов и положения источников короны.
Распределение напряженности вокруг одиночного провода в пучке определяется по формуле
(2.5.1)
где ЕСР — средняя напряженность провода; d — диаметр провода; D — диаметр пучка; п — число проводов в пучке; 0 — угловое положение рассматриваемой точки провода, отсчитываемое от точки максимальной напряженности.
Обозначая отношение максимальной напряженности Еmах к средней напряженности Ecv через R, выражение (2.5.1) можно записать как
(2.5.2)
Для конфигураций, применяемых на практике, параметр R зависит только от геометрии фазы и распределения максимальных напряженностей. Поэтому для данной геометрии генерация короны определяется максимальными поверхностными напряженностями отдельных проводов, а также расположением и типом источников короны. Источниками короны могут быть неровности поверхности проводов, осевшие на проводе и находящиеся в воздухе частицы и, что более важно, капли воды при дожде или тумане. Образование капель воды на проводе при изучении короны, связанной с плохой погодой, может либо происходить в условиях натурального дождя пли тумана, либо воспроизводиться искусственно.
Для точного представления каждой фазы трехфазной линии с помощью однофазной должно быть обращено внимание на степень адекватности распределения максимальных напряженностей вокруг пучка. Полная адекватность при этом невозможна, однако в практических случаях асимметрия распределения достаточно мала, чтобы точность воспроизведения можно было считать приемлемой при обеспечении среднего значения максимальных напряженностей каждого из проводов фазы.
Рис. 2.5.1. Относительные максимальные поверхностные напряженности для 3-фазной линии передачи 1100 кВ и однофазной воздушной опытной линии с пучком проводов 8X3,3 см.
I — однофазная опытная линия; II — крайняя фаза; III — средняя фаза.
Рисунок 2.5.1 дает типичное распределение максимальной напряженности для средней и крайней фаз трехфазной линии передачи 1100 кВ со средней высотой 21,5 м и междуфазным расстоянием 15 м.
Максимальные напряженности даны в отношении к средней наибольшей напряженности соответствующей фазы.
На этом же рисунке приведено распределение максимальной напряженности вокруг аналогичного пучка, но смонтированного на однофазной воздушной линии со средней высотой 13,7 м. Из рисунка видно, что если средние максимальные напряженности однофазной линии и крайней (или средней) фазы трехфазной линии одинаковы, то разница в значениях относительных максимальных напряженностей составляет 1—4%. Указанная разница невелика, и оценку параметров короны трехфазной линии по данным, полученным при испытаниях на однофазной, можно считать достаточно точной.
Оценка генерации. Если средняя максимальная напряженность (далее именуемая просто напряженность) и условия вблизи поверхности провода однофазной и трехфазной линий с одинаковой конструкцией фазы соответствуют друг другу, то соответствует друг другу и генерация на единицу длины обеих линий. Что касается воздействий короны (возникновение акустических шумов, радиопомех и потерь на корону), то, как правило, никакого соответствия между трехфазной и однофазной
опытной линией не наблюдается. Например, измеренные звуковые шумы зависят от расстояния между проводом и микрофоном; токи в диапазоне радиочастот, обусловленные действием короны, зависят от емкости провод — земля, а потери на корону зависят от положения фазы по отношению к земле и от степени его влияния на движение объемного заряда. Чтобы облегчить переход от данных измерений на однофазной линии к параметрам, характеризующим трехфазную линию, желательно выразить интенсивность проявлений короны в величинах генерации, которые зависят только от генерации короны и могут быть вычислены по данным измерений с помощью соотношений, представленных в табл. 2.5.1.
Таблица 2.5.1
* Формула применима лишь для случаев, когда расстояние от провода до точки измерения больше длины волны, соответствующей низшей рассматриваемой частоте.
** Формула применима лишь для случаев, когда расстояние от провода до земли несоизмеримо с длиной волны, соответствующей рассматриваемой частоте.
Примечание. Я— коэффициент, зависящий от положения микрофона и длины провода; Ь—плотность воздуха; с — скорость распространения звуковой волны; — диэлектрическая проницаемость воздуха; С — емкость провод —земля на единицу длины; К — коэффициент, зависящий от расположения пучка относительно земли.
Техника измерений. Для исследований могут быть использованы испытательные клетки разной конфигурации. В Исследовательском центре УВН провод обычно монтировался по оси заземленной сетчатой клетки, контуры которой следовали прогибу провода для поддержания вдоль его длины одного и того же уровня напряженности.
Определение мощности генерации акустического шума осуществляется весьма просто и требует лишь измерения уровня звукового давления на известном расстоянии от пучка проводов и знания коронирующей длины провода. Уровень звукового давления измеряется с помощью соответствующего микрофона и измерителя уровня звука в сочетании с фильтром или волновым анализатором для измерения отдельных частотных компонентов шума [2.35]. Микрофон должен быть помещен в «акустически пустое пространство», т. е. должен быть удален от провода по крайней мере на длину волны, соответствующую измеряемой частоте (около 3 м при измерении шума на частоте 120 Гц). Мощность генерации может быть затем найдена по соотношению, приведенному в табл. 2.5.1.
Рис. 2.5.2. Измерение тока радиопомех с помощью измерительной цепи, подключенной между проводом и землей.
1 — клетка; 2 — фильтр.
Определение функции генерации радиопомех требует измерения тока радиочастоты, вызванного генерацией короны. Измерение тока может быть легко осуществлено с помощью схемы, изображенной на рис. 2.5.2. Используемый здесь фильтр предназначен для создания высокого сопротивления на частоте измерений. Падение напряжения от интересующего тока подается на измеритель радиопомех. Если сопротивление измерительной цепи не соответствует волновому сопротивлению испытуемого провода или если длина провода велика по сравнению с длиной волны измерения, то следует считаться с возможностью появления концевого эффекта. Для его учета вводится поправочный коэффициент [2.36], который используется при пересчете от значения измеренного тока к общему току (на измеряемой частоте), вызванному генерацией короны. Предполагается, что причиной возникновения короны являются равномерно распределенные, не связанные между собой источники (например, капли дождя); общий ток при этом
(2.5.3)
где 1 — ток, обусловленный каждым из п источников.
Если от распределения дискретных источников перейти к концепции непрерывного распределения, то равенство (2.5.3) можно представить в виде
(2.5.4)
или
(2.5.5)
где1 — длина провода; 1 — мощность радиошумов на единицу длины, мкА*м~1/2.
Функция генерации находится в дальнейшем подстановкой этого значения в соответствующее соотношение табл. 2.5.1.
Для измерения потерь на корону с использованием клетки часто применяется мост Шеринга, обеспечивающий достаточно точное измерение малых потерь. Мост при этом может быть самобалансирующимся. Напряжение, подводимое к мосту, берется с прецизионного конденсатора, присоединенного к источнику высокого напряжения, в то время как ток измеряется на линии и передается на землю с использованием телеметрической связи. Мост может измерять значения эффективной емкости и коэффициента утечки через сопротивление провод — земля, на основе которых можно легко подсчитать потери. При соответствующей модификации он позволяет непосредственно указывать значение потерь. Измеренные потери, вызванные генерацией короны по всей длине провода, легко приводятся к потерям на единицу длины, которые в дальнейшем подставляются в соответствующие соотношения табл. 2.5.1 для определения значения эффективных потерь.
Опытная воздушная линия. В принципе определение значений генерации короны по данным измерений на однофазной опытной линии не отличается от описанного выше для клетки. Однако на линии необходимо учитывать, что изменение высоты провода, связанное с его провисанием и неровностями рельефа, при-
водит к изменению вдоль трассы значений напряженности.
Одна из точек линии принимается в качестве точки отсчета, причем предпочтительнее выбрать ее в середине пролета, где колебания высоты линии малы. Прикладываемое к линии напряжение повышается до того момента, пока напряженность провода в точке отсчета не достигнет заданного значения. Для идентичных погодных условий вдоль трассы линии можно предположить, что величины генерации изменяются с изменением поверхностной напряженности
(2.5.6)
где Gr и Gx — рассматриваемые генерации; Е — поверхностная напряженность; х — индекс рассматриваемой точки; г—индекс точки отсчета.
Расчеты, подобные тем, которые использовались для определения значений генерации при испытаниях в клетке, могут быть выполнены, если вместо постоянной генерации, получаемой в клетке, подставлять переменную
(2.5.7)
Так как высота линии, а следовательно, и напряженность могут быть представлены как функция расстояния вдоль линии сравнительно редко (из-за неровности рельефа), то не может быть получено и единой формы решения, применимой сразу ко всем опытным линиям; каждая линия должна анализироваться отдельно. Ниже рассматривается метод анализа для акустических шумов.
Если Ах — мощность генерации на расстоянии х от точки измерения, то уровень звукового давления р может быть получен из формулы
(2.5.8)
где /=/!—J—/2 — общая длина линии.
Если при данном напряжении линии переменная генерации следует закону
выражение (2.5.8) может быть записано как
(2.5.10)
В дальнейшем предполагается, что при небольших колебаниях напряжения выражение (2.5.9) остается справедливым. Исходя из этого предположения, можно записать, что отношение уровней звукового давления р0 и pi, измеренных при напряжении U0 и Ui, может быть выражено следующим образом:
(2.5.11)
Так как напряжение и напряженность линейно-зависимы
(2.5.12)
Ui может быть выбрано так, что Eri=Ex0.
Тогда
(2.5.13)
Теперь в соответствии с (2.5.9)
(2.5.14)
используя выражения (2.5.11) — (2.5.14), находим:
(2.5.15)
Таким образом, при изменении напряжения, когда уровень звукового давления Р0 соответствует номинальному напряжению Uo, а р1 — любому другому напряжению С/, оказывается возможным численное определение функции F. Далее для определения мощности генерации Аго, соответствующей заданной напряженности go, функцию F следует подставить в (2.5.10). Указанную процедуру можно повторить для различных напряженностей с целью построения кривой зависимости мощности генерации от напряженности провода.
План расчета для определения генерации радиопомех и потерь на корону аналогичен описанному.
Возможность оценки параметров короны по однофазным испытаниям. В Исследовательском центре УВН различные конструкции фазы были одновременно испытаны в клетке и на пролете 400 м опытной линии при одних и тех же погодных условиях. Некоторые пучки испытывались в клетке в разные времена в условиях искусственного дождя. В целом более близкое совпадение результатов испытаний в клетке и на линии было обнаружено при их одновременном проведении. Для мощности генерации акустических шумов и функции генерации радиопомех отмечено совпадение в пределах 2—3 дБ, в то время как совпадение для эффективных потерь определяется дисперсией измерений.
Столь хорошее совпадение данных, полученных в клетке и на линии для фаз различных конструкций, показывает, что результаты, полученные в клетке, могут быть перенесены на линию, и наоборот. Это подкрепляет аргументы в пользу оценки параметров короны трехфазных линий электропередачи на основе результатов однофазных испытаний.
