Потери передачи
Как и все другие системы энергосистемы, независимо от того, насколько тщательно разработана система, существуют потери и их необходимо смоделировать до того, как будет рассчитано точное представление ответа системы.
Потери в системе передачи, линейные модели и способы их сокращения (фото: S. Inoué via Flickr)
Из-за размера области, в которой работает энергосистема, большинство компонентов системы предназначены для передачи электроэнергии. Основное внимание в этой статье уделяется описанию потерь, возникающих в системе передачи, представленных моделей компонентов и изучению способов сокращения этих потерь.
Давайте рассмотрим те темы, которые мы рассмотрим в этой технической статье:
- Системные параметры
- Эффект кожи
- Модели линий электропередач (по десятому)
- Короткие линии
- Средние линии
- Длинные линии
- Коронная потеря
- Потери трансформатора
- Резюме
1. Системные параметры
Когда ток течет по линии передачи, характеристики, представленные, объясняются в терминах взаимодействия магнитного и электрического полей. Явления, возникающие в результате полевых взаимодействий, представлены элементами схемы или параметрами. Линия передачи состоит из четырех параметров, которые непосредственно влияют на ее способность эффективно передавать мощность.
Эти элементы объединяются, чтобы сформировать эквивалентное представление схемы линии передачи, которое может быть использовано для определения некоторых потерь передачи.
Параметр, связанный с возникающими диэлектрическими потерями, представлен в виде шунтовой проводимости. Проводимость от линии к линии или от линии к земле объясняет потери, возникающие из-за тока утечки при изоляции кабеля и изоляторов между воздушными линиями.
На проводимость линии влияют многие непредсказуемые факторы, такие как атмосферное давление, и неравномерно распределены вдоль линии.
Влияние этих факторов не позволяет точно измерять значения проводимости. К счастью, утечка в воздушных линиях незначительна, даже в подробном анализе переходных процессов. Этот факт позволяет полностью игнорировать этот параметр.
Основным источником потерь, понесенных в системе передачи, является сопротивление проводников. Для определенного участка линии мощность рассеивается в виде бесполезной теплоты, когда ток пытается преодолеть омическое сопротивление линии и прямо пропорционален квадрату среднеквадратичного тока, проходящего через линию.
Из этого следует, что потери, связанные с сопротивлением линии, могут быть существенно снижены за счет повышения уровня напряжения передачи, но существует предел, при котором стоимость трансформаторов песка изоляторов будет превышать экономию.
Эффективность линии передачи определяется как:
где P R - мощность нагрузки, а P Loss - чистая сумма потерянной мощности в системе передачи.
Поскольку передача рассеивает мощность в виде тепловой энергии, значение сопротивления линии изменяется. Сопротивление линии будет варьироваться в зависимости от максимальных и минимальных ограничений. линейно.
Если R 1 - сопротивление при некоторой температуре, T 1 и R 2 - сопротивление в момент времени T 2, то:
если T 1 и T 2 указаны в градусах Цельсия.
Емкостное сопротивление линии передачи происходит из-за взаимодействия между электрическими полями от проводника к проводнику и от проводника к земле. Переменные напряжения, передаваемые на проводники, заставляют заряд, присутствующий в любой точке линии, увеличиваться и уменьшаться при мгновенных изменениях напряжений между проводниками или проводниками и землей.
Этот поток заряда известен как зарядный ток t и присутствует даже тогда, когда линия передачи завершена разомкнутой цепью.
Переменные токи, присутствующие в системе передачи, сопровождаются переменными магнитными полями. Взаимодействие этих магнитных полей между проводниками в относительной близости создает флюсовую связь. Эти изменяющиеся магнитные поля индуцируют напряжения в параллельных проводниках, которые равны временной скорости изменения потоковых связей линии. Это напряжение также пропорционально времени изменения тока, текущего в линии.
Константа пропорциональности называется индуктивностью.
Из-за относительного позиционирования линий взаимная связь вызывает индуцирование напряжений. Напряженное напряжение будет добавлять векторно с линейными напряжениями и вызывать неустойчивость фаз.
Когда трехфазный набор не сбалансирован, линии неравномерно распределяют ток.
Рассматривая только простые резистивные потери в цепи и напоминая, что потери мощности прямо пропорциональны квадрату величины тока, текущего в линии, легко видеть, что потери в одной строке будут значительно увеличиваться, чем уменьшение потерь в других линиях.
Ths предполагает, что простой способ минимизировать общие потери 1% - поддерживать сбалансированный набор напряжений. Второе замечание состоит в том, что взаимная связь также увеличивает общее сопротивление линии. Реактивное сопротивление линии дополнительно увеличивает потери, поскольку это влияет на коэффициент мощности на этой линии.
Аффект этой взаимной связи часто уменьшается, выполняя транспонирование линий передачи с заданными интервалами. Транспонирование регулирует относительное расположение линий передачи. Каждой фазе разрешено занимать позицию относительно двух других фаз на одну треть расстояния. Затем фазы вращаются, поэтому их положения относительно друг друга изменяются.
Благодаря правильному вращению линий реализуется сетевой аффект, значительно снижающий взаимную индуктивность. Фактическая фазовая перестановка обычно не происходит между передающими башнями.
Между фазами должно поддерживаться определенное безопасное расстояние, и из-за трудности в поддержании требуемых расстояний между фазами транспонирование, скорее всего, произойдет на подстанции.
Вернуться к содержанию ↑
2. Эффект кожи
Внутренний поток проводника вызывает явления, известные как скин-эффект. Этот поток состоит из линий потока, которые являются круглыми и концентрическими с поверхностью проводника. Это приводит к потоковым линиям, которые связывают только часть сечения проводника.
Поэтому центральные сечения проводника имеют более крупные полные потоковые связи, чем части, расположенные ближе к внешней стороне проводника. Это означает, что более высокое напряжение будет индуцироваться в продольном направлении внутри проводника, чем снаружи.
Однако общий градиент напряжения должен быть одинаковым в проводнике, независимо от того, измеряется ли он вдоль оси внутри или вдоль внешней поверхности.
Следовательно, ток не будет равномерно распределен по площади поперечного сечения проводника. Вместо этого плотность тока будет больше ближе к поверхности проводника. Омическое падение напряжения прямо пропорционально плотности тока и больше на поверхности.
Это компенсирует противоположное изменение индуцированного напряжения и поддерживает однородность общего изменения напряжения на единицу длины.
Поскольку омическое и индуцированное напряжения не находятся в фазе, изменяется не только величина тока по сечению проводника, но и фазовый угол тока. Это явление называется скин-эффектом. Для учета этого эффекта значение сопротивления линии умножается на константу, основанную на площади поперечного сечения и номинальном токе проводника.
Глубина кожи - это измерение бокового проникновения тока в проводник.
Как упоминалось ранее, глубина проникновения определяется внутренним потоком, возникающим из тока, переносимого внутри проводника. Внешние потоковые связи не влияют на глубину скин-линии. Глубина скина медного проводника, передающая 60 Гц. сигнал составляет приблизительно 0, 75 см.
В результате не столько ток течет в центре проводника.
Этот факт является удачным, поскольку он позволяет алюминиевому проводнику, глубина которого является корнем в два раза выше, чем у меди, линии электропередачи должны быть усилены плетеным стальным сердечником без снижения пропускной способности тока.
Вернуться к содержанию ↑
3. Линейные модели
Из-за требуемых расстояний между проводниками петли, образованные между выходными и обратными проводниками, имеют значительную площадь. Изменение потока в этих петлях приведет к возникновению противоположных напряжений в проводниках, которые могут иметь большое значение, особенно в отношении регулирования напряжения на линии.
Часто более удобно моделировать полифазную систему передачи с помощью однофазного представления и вычислять параметры в соответствии с величинами миль.
За исключением подробного анализа переходных процессов и некоторых расчетов для длинных линий передачи, модели для коротких линий, линий средней длины и длинных линий основаны на сосредоточенном представлении параметров системы.
Вернуться к содержанию ↑
3.1 Короткие линии
Линия передачи длиной менее 50 миль (80, 5 км) классифицируется как короткая линия передачи.
Когда мощность передается по короткой линии передачи, разница в условиях на отправляющем и приемном концах обусловлена последовательным сопротивлением линии. Импеданс представляет собой последовательное соединение между резистивным и индуктивным элементами, показанным на рисунке 1, где V S и V R являются передающей и принимающей линиями к нейтральным напряжениям, а I S a I R - передающий и принимающий токи.
Рисунок 1 - Модель короткой линии передачи
Поскольку нет шунтовых компонентов:
Напряженное напряжение в линии прямо пропорционально току и будет зависеть от физических размеров проводника. Величина этого индуцированного напряжения на милю для одного проводника определяется:
где:
- d - расстояние между проводниками
- r - радиус проводника
- I - амплитуда rrns тока
- f - частота тока в герцах
Эффект импеданса линии и изменение коэффициента мощности нагрузки лучше всего увидеть в регулировании нагрузки линии.
где | V R, NL | - величина входного выходного напряжения без нагрузки и | V R, FL | представляет собой величину принимаемого конечного напряжения при полной нагрузке.
Регулирование является наибольшим для коэффициента запаздывания мощности и наименее для ведущего коэффициента мощности.
Вернуться к содержанию ↑
3.2. Средние линии
Линии протяженностью от 50 до 150 миль (80, 5 км и 241, 4 км) классифицируются как линии передачи средней длины.
В модель коротких линий добавляется шунтирующая емкость для создания модели для линий средней длины. Этот дополнительный элемент необходим, поскольку увеличение длины линии увеличивает емкость, а ее влияние на систему становится значительным.
Линейная емкость между двумя параллельными цилиндрическими проводниками, указанными в микрофазах (мкФ), на милю, равна:
где a - расстояние между проводниками, деленное на диаметр проводника.
Как правило, вход шунта разделяется поровну и помещается на обоих концах линии. Это представление, показанное на рисунке 2, известно как номинальная эквивалентная схема R.
Путем моделирования линии таким образом, принимающие конечные напряжения и токи могут быть получены с использованием параметров ABCD линий из двухпортовой сети, показанной на рисунке 3 ниже.
Рисунок 2 - Модель линии передачи средней длины (номинальная эквивалентная схема R)
Рисунок 3 - Параметры двух портов и ABCD
Вернуться к содержанию ↑
3.3 Длинные линии
По мере того как линии передачи растут в длину, влияние емкости становится более преобладающим. Существует значительная составляющая полного тока, которая приводит к напряжению на 90 градусов, а напряжения, вызванные этим током, замедляют фазовый ток на 90 градусов и вызывают зарядный ток.
Это уменьшает необходимый размер посылающего напряжения.
Аффект наиболее заметен, когда линии подвергаются очень легким нагрузкам. Модель длинной линии похожа на модель средней линии. Разница в том, что длинная строка представлена распределенными параметрами вместо сосредоточенных параметров.
Вернуться к содержанию ↑
4. Коронная потеря
Воздух, присутствующий в атмосферной атмосфере, чаще всего считается хорошим изолятором, однако он далек от совершенства. Недостатки обусловлены тем, что из-за различных форм излучения всегда присутствует небольшое количество ионов.
Когда воздух подвергается равномерному электрическому полю, ионы и электроны в воздухе приводятся в движение. С помощью конвекции они поддерживают небольшой поток тока, который в большинстве случаев можно пренебречь.
Однако, как только напряженность электрического поля достигает значения 3000 кв / м, ионы накапливают достаточную энергию между столкновениями с нейтральными молекулами, чтобы затем отторгнуть электрон от свободных молекул. Это взаимодействие добавляет новый электрон и положительный ион в поле. Эти новые ионы ускоряются силой поля и далее ионизируют промежуточные молекулы воздуха.
Этот процесс продолжается и происходит ионная лавина.
Поле вокруг проводника неравномерно, но имеет пиковое значение на поверхности проводника. Следовательно, значение поля падает со скоростью, обратно пропорциональной расстоянию от проводника.
Крутой градиент напряжения, присутствующий на поверхности проводника, облегчает такую ионизацию и служит катализатором для ионной лавины. Ионизация сохраняется вокруг проводника и сопровождается свечением, от которого оно получает свое название. Полученные ионы приводят к космическим зарядам, которые перемещаются переменным полем.
Энергия, затрачиваемая на перемещение этих ионов, удаляется из самой линии передачи, поэтому она считается потерей передачи.
Скорость ионизации происходит неравномерно, а скорее происходит как флуктуации, которые приводят к резким изменениям электрического поля и приводят к радиопомехам.
Вернуться к содержанию ↑
5. Потери трансформатора
На практике наиболее эффективным способом снижения потерь, понесенных в сети передачи, является использование трансформаторов. Линии передачи, служащие связями с областью с умеренным спросом на нагрузку, будут иметь чрезвычайно высокие потери, если они должны были нести полный ток нагрузки.
Чтобы этого не произошло, напряжение на линии усиливается большим отношением N, тогда как линейный ток одновременно уменьшается в 1 / N. Это позволяет линиям передачи нести большое количество мощности при значительном уменьшении потерь системы.
Только потери I 2 R уменьшаются на коэффициент, обратно пропорциональный N 2. Однако трансформаторы действительно имеют свои потери. Три механизма, с помощью которых трансформаторы демонстрируют потери, - это гистерезис, I 2 R и вихревые токи. Потери I 2 R происходят в обмотках трансформатора, а другие происходят в материале сердечника.
Обмотка или медь теряются прямо пропорционально сопротивлению обмотки и выражаются как:
Потеря основного тока представляет собой трансформатор, выражаемый в терминах гистерезиса и вихревых токов. Эти два имеют чистые потери, которые могут быть аппроксимированы линейно линейно с частотой f и имеют нелинейную зависимость от интенсивности потока B материала сердцевины.
Потери гистерезиса возникают из-за неустранимой энергии, затраченной на поворот поляризации магнитного материала ядра. Потери энергии на единицу цикла выражаются как площадь, заключенная в петлю гистерезиса.
Общая гистерезисная потеря является продуктом этой области, объема ядра и частоты. Потери вихревых токов просто выражаются как потери I 2 R из-за токов, индуцированных в магнитном материале.
Трансформаторы состоят из двух или более обмоток, которые соединены общей магнитной цепью или сердечником, что обеспечивает канал с низкой сопротивляемостью для связывания общего потока.
Для того, чтобы обмотки были связаны магнитно, поле B должно быть создано одной обмоткой и связано с другой. Основным компонентом сердечника, который выполняет связь, является индуктивность намагничивания, которая моделируется большой индуктивностью.
К сожалению, не весь поток, создаваемый в одной обмотке, успешно связан с другими. Некоторые из потоков утечки из сердечника и имеет обратный путь по воздуху. Этот эффект несовершенной связи моделируется как индуктор небольшой серии, известный как индуктивность утечки.
Многие методологии проектирования были сформулированы в попытке уменьшить индуктивность утечки. Помещая обмотки непосредственно поверх друг друга, весь поток в сердечнике связан обоими обмотками. Однако все еще существует небольшое количество потока, генерируемого во внешней обмотке, которое не связано с внутренними обмотками.
Другой подход заключается в том, чтобы признать, что поток утечки увеличивается с толщиной обмотки. Обмотки, которые являются длинными и тонкими, дают более низкие значения индуктивности утечки, чем обмотки, короткие и жирные.
Так как поток утечки имеет обратный путь, который является внешним по отношению к сердечнику, это приводит к электромагнитным помехам (EMI). Для минимизации электромагнитных помех обмотка с одной фольгой имеет короткое замыкание и помещается вокруг всей магнитной цепи. Поток утечки индуцирует токи в этой короткозамкнутой обмотке, которые создают противоположный поток и уменьшают EMI.
Полученный взаимный поток, связывающий обмотки, можно разделить на два компонента. Компонент нагрузки описывается как ток в одной обмотке, который точно отменит mmf других обмоток. Ток возбуждения представляет собой дополнительный ток, необходимый для получения результирующего взаимного потока.
Хотя возбуждающий ток несинусоидальный, он может быть представлен как намагничивающий компонент I m и компонент потерь I c. Ток возбуждения моделируется как шунтирующая проводимость G m параллельно индуктивному сопротивлению намагничивания X m.
Модель типичного трансформатора показана ниже:
Рисунок 4 - Модель силового трансформатора
Вернуться к содержанию ↑
6. Резюме
Понимая взаимодействие магнитных и электрических полей, модели эквивалентных схем могут быть построены для описания явлений, происходящих внутри линии передачи.
Анализ этих моделей позволит количественно оценить некоторые потери в линии передачи, которые составляют от 3 до 5 процентов нагрузки. В зависимости от желаемой точности и длины линии для описания системы могут использоваться модели различной сложности.
Использование трансформаторов в системе передачи значительно снижает потери I 2 R, но трансформатор действительно вносит некоторые дополнительные элементы в уравнения потерь.
Вернуться к содержанию ↑
Ссылка // Потери в электрических энергетических системах Т. Д. Коллинз