Skip to content

Predavanje 04

Proračun simetričnih prostoperiodičnih i ustaljenih režima nadzemnih vodova

Predavanje prof. dr Andrije T. Sarića

Elementi i modeli elektroenergetskih sistema, TF Čačak

Za proučavanje prostoperiodičnih režima vod se može zameniti monofaznom zamenskom šemom sa raspodeljenim parametrima:

Monofazna zamenska šema voda sa raspodeljenim parametrima r, l, g i c, struja I1 i napon V1 na početku, struja I2 i napon V2 na kraju; rastojanje x meri se od kraja voda.

Napone i struje na ovom vodu povezuju jednačine telegrafičara.

Ako se rastojanje meri od kraja voda fazne jednačine telegrafičara su (linijske jednačine se nešto drugačije i biće izvedene na vežbama):

V‾(x)=ch k‾x⋅V‾2+Z‾csh k‾x⋅I‾2;I‾(x)=sh k‾xZ‾c⋅V‾2+ch k‾x⋅I‾2,\begin{gathered} \ph{V}(x) = \mathrm{ch}\,\ph{k}x \cdot \ph{V}_2 + \ph{Z}_c\mathrm{sh}\,\ph{k}x \cdot \ph{I}_2; \\ \ph{I}(x) = \frac{\mathrm{sh}\,\ph{k}x}{\ph{Z}_c} \cdot \ph{V}_2 + \mathrm{ch}\,\ph{k}x \cdot \ph{I}_2, \end{gathered}

gde su:

  • k‾\ph{k} – konstanta prostiranja voda;
  • k‾=z‾ y‾=α+jβ=(r+jωl)(g+jωc)\ph{k} = \sqrt{\ph{z}\,\ph{y}} = \alpha + \mathrm{j}\beta = \sqrt{(r + \mathrm{j}\omega l)(g + \mathrm{j}\omega c)};
  • α\alpha – konstanta slabljenja voda, u [1/km];
  • β\beta – fazna konstanta voda, u [rad/km].

Funkcije α,β=f(z,y)\alpha, \beta = f(z, y) biće izvedene na vežbama.

Za idealizovan vod je r=g≈0\boxed{r = g \approx 0}, pa je:

αi=0;βi=ωlc≈ωv0=100π rad/s300000 km/s=0,06 ∘/km,\begin{gathered} \alpha_i = 0; \\ \beta_i = \omega\sqrt{lc} \approx \frac{\omega}{v_0} = \frac{100\pi\ \text{rad/s}}{300000\ \text{km/s}} = 0{,}06\ ^\circ/\text{km}, \end{gathered}

gde je v0v_0 brzina svetlosti u vakuumu.

Za realan vod konstanta prostiranja je kompleksan broj sa dominantnim imaginarnim delom.

Z‾c\ph{Z}_c u jednačini telegrafičara je karakteristična impedansa voda, definisana izrazom:

Z‾c=r+jωlg+jωc.\ph{Z}_c = \sqrt{\frac{r + \mathrm{j}\omega l}{g + \mathrm{j}\omega c}}.

Kod idealizovanog voda karakteristična impedansa je čisto realan broj Zc=lcZ_c = \sqrt{\dfrac{l}{c}}.

Kod idealizovanog voda je:

k‾x=jβix=jλx,\ph{k}x = \mathrm{j}\beta_ix = \mathrm{j}\lambda_x,

gde je λx\lambda_x električna ugaona dužina voda.

Karakteristični režimi nadzemnog voda sa raspodeljenim parametrima

Postoji nekoliko karakterističnih režima, koji će biti obrađeni pojedinačno.

Režim praznog hoda

Za ovaj režim voda je I‾2=0\ph{I}_2 = 0, pa su jednačine telegrafičara (napon na kraju voda postavljen u referentnu osu V‾2=V2/0∘‾\ph{V}_2 = V_2\underline{/0^\circ}):

V‾(x)=ch k‾x⋅V2;I‾(x)=sh k‾xZ‾c⋅V2.\begin{gathered} \ph{V}(x) = \mathrm{ch}\,\ph{k}x \cdot V_2; \\ \ph{I}(x) = \frac{\mathrm{sh}\,\ph{k}x}{\ph{Z}_c} \cdot V_2. \end{gathered}

Gornji izrazi daju tzv. spiralne dijagrame voda. Sabirci predstavljaju logaritamske spirale (treba ukratko objasniti zašto).

Primera radi, spiralni dijagram za napon je:

Spiralni dijagram napona u kompleksnoj ravni: V(x) = (V2/2)e^(αx)e^(jβx) + (V2/2)e^(−αx)e^(−jβx) kao zbir odmotavajuće logaritamske spirale (V2/2)e^(αx)e^(jβx) i zamotavajuće (V2/2)e^(−αx)e^(−jβx), obe iz tačke V2/2 na realnoj osi; zbir je izdužena kriva oko realne ose koja polazi iz V2, a ugao βx meri se od realne ose.

Na vežbama će biti urađen i primer spiralnog dijagrama za struje.

Sa gornje slike se vidi da fazni napon u bilo kojoj tački voda prednjači u odnosu na fazni napon na kraju voda V2V_2 za βx=λx\beta x = \lambda_x (električna ugaona dužina voda).

Takođe, sa slike se vidi da je napon V‾(x)\ph{V}(x) u velikom opsegu dužina vodova (do reda 2200 km) manji od napona na kraju voda.

To znači da je:

V2>∣V‾(x)∣.V_2 > \left|\ph{V}(x)\right|.

Kod idealizovanog voda je:

V2=V(x)cos⁡λx.\boxed{V_2 = \frac{V(x)}{\cos\lambda_x}}.

To znači da su naponi u svim tačkama voda u fazi sa naponom na kraju voda i da je napon na kraju voda veći od napona na početku voda.

Ovaj efekat naziva se Feranti efekat.

Spiralni dijagram idealizovanog voda degeneriše se u pravu po realnoj osi između tačaka −V2-V_2 i V2V_2. Komponente ukupnog napona degenerišu se u krugove sa suprotnim smerom obrtanja.

Spiralni dijagram idealizovanog voda: duž po realnoj osi od −V2 do V2 i krug poluprečnika V2/2 sa središtem u koordinatnom početku, po kome se kreću komponente napona.

Na realnim vodovima Feranti efekat može da izazove probleme na vodovima dužim od 400 km, kada je odnos V2/V1V_2/V_1 veliki.

Primer: Za idealizovan vod i βx=π/2\beta x = \pi/2, napon na početku voda je nula, dok napon na kraju voda postoji. Ovaj Feranti efekat je vrlo važan za eksploataciju vodova.

Režim prenosa prirodne snage

Pod režimom prenosa prirodne snage podrazumeva se slučaj kada je krajnja tačka voda zatvorena karakterističnom impedansom.

Tada je:

I‾2=U‾2Z‾c.\ph{I}_2 = \frac{\ph{U}_2}{\ph{Z}_c}.

Tada je:

V‾(x)=ch k‾x⋅V2+sh k‾x⋅V2=V2eαxejβx;I‾(x)=sh k‾x⋅I‾2+ch k‾x⋅I‾2=I‾2eαxejβx.\begin{gathered} \ph{V}(x) = \mathrm{ch}\,\ph{k}x \cdot V_2 + \mathrm{sh}\,\ph{k}x \cdot V_2 = V_2e^{\alpha x}e^{\mathrm{j}\beta x}; \\ \ph{I}(x) = \mathrm{sh}\,\ph{k}x \cdot \ph{I}_2 + \mathrm{ch}\,\ph{k}x \cdot \ph{I}_2 = \ph{I}_2e^{\alpha x}e^{\mathrm{j}\beta x}. \end{gathered}

Iz gornjih relacija vidi se da su u režimu prenosa prirodne snage moduli napona i struje na bilo kom mestu veći od istih veličina na kraju voda (x=0x = 0):

∣V‾(x)∣>V2;∣I‾(x)∣>∣I‾2∣.\begin{gathered} \left|\ph{V}(x)\right| > V_2; \\ \left|\ph{I}(x)\right| > \left|\ph{I}_2\right|. \end{gathered}

Prividna snaga S‾2f=V2I‾2∗=V22Z‾c∗=S‾nat\ph{S}_{2\text{f}} = V_2\ph{I}_2^* = \dfrac{V_2^2}{\ph{Z}_c^*} = \ph{S}_{\text{nat}} naziva se (fazna) prirodna snaga voda.

Za proizvoljnu tačku voda je:

S‾f(x)=V‾(x)I‾∗(x)=V2eαxejλxI‾2∗eαxe−jλxS‾f(x)=S‾nate2αxejλxe−jλx\begin{gathered} \ph{S}_{\text{f}}(x) = \ph{V}(x)\ph{I}^*(x) = V_2e^{\alpha x}e^{\mathrm{j}\lambda_x}\ph{I}_2^*e^{\alpha x}e^{-\mathrm{j}\lambda_x} \\ \ph{S}_{\text{f}}(x) = \ph{S}_{\text{nat}}e^{2\alpha x}e^{\mathrm{j}\lambda_x}e^{-\mathrm{j}\lambda_x} \end{gathered}
S‾f(x)=S‾nate2αx\boxed{\ph{S}_{\text{f}}(x) = \ph{S}_{\text{nat}}e^{2\alpha x}}

Kod idealizovanog voda (bez gubitaka) je α=0\alpha = 0, pa se izraz uprošćava.

Kod idealizovanog voda prividne snage u svim tačkama su jednake prirodnoj snazi, koja je čisto aktivna.

S‾f(x)=S‾f,nate2αx=S‾f,nat=V22Z‾c∗=V22Zc=Pf,nat.\boxed{\ph{S}_{\text{f}}(x) = \ph{S}_{\text{f,nat}}e^{2\alpha x} = \ph{S}_{\text{f,nat}} = \frac{V_2^2}{\ph{Z}_c^*} = \frac{V_2^2}{Z_c} = P_{\text{f,nat}}}.

Prirodna trofazna snaga stvarnih vodova definiše se za nominalni linijski napon kao:

Pnat=Un2Zc.\boxed{P_{\text{nat}} = \frac{U_n^2}{Z_c}}.

Kod realnih vodova prirodna snaga je kompleksna zbog kompleksne karakteristične impedanse, ali se u realnim razmatranjima može smatrati čisto realnom.

Karakteristične vrednosti prirodne snage po naponskim nivoima su:

UnU_n [kV]6102035110220400
ZcZ_c [Ω]400400400400400400350
PnatP_{\text{nat}} [MW]0,090,2513,0630,2121457

Karakteristična impedansa vodova sa fazama u vidu snopa je manja nego kod vodova sa jednim užetom po fazi, zbog njihove manje podužne induktivnosti i veće podužne kapacitivnosti.

To znači da se sa snopom provodnika povećava prirodna snaga voda.

Prenos aktivne snage idealizovanim vodom

Kod idealizovanog voda jednačine telegrafičara se svode na:

V‾(x)=ch(jβx)⋅V‾2+Zcsh(jβx)⋅I‾2;I‾(x)=sh(jβx)Z‾c⋅V‾2+ch(jβx)⋅I‾2.\begin{gathered} \ph{V}(x) = \mathrm{ch}(\mathrm{j}\beta x) \cdot \ph{V}_2 + Z_c\mathrm{sh}(\mathrm{j}\beta x) \cdot \ph{I}_2; \\ \ph{I}(x) = \frac{\mathrm{sh}(\mathrm{j}\beta x)}{\ph{Z}_c} \cdot \ph{V}_2 + \mathrm{ch}(\mathrm{j}\beta x) \cdot \ph{I}_2. \end{gathered}

Za V‾2=V2/0∘‾\ph{V}_2 = V_2\underline{/0^\circ} dobija se:

V‾(x)=cos⁡(βx)⋅V2+jZcsin⁡(βx)⋅I‾2;I‾(x)=jsin⁡(βx)Zc⋅V2+cos⁡(βx)⋅I‾2.\begin{gathered} \ph{V}(x) = \cos(\beta x) \cdot V_2 + \mathrm{j}Z_c\sin(\beta x) \cdot \ph{I}_2; \\ \ph{I}(x) = \mathrm{j}\frac{\sin(\beta x)}{Z_c} \cdot V_2 + \cos(\beta x) \cdot \ph{I}_2. \end{gathered}

Ako se povežu veličine sa početka i kraja voda, odnosno zameni x=Lx = L, onda je βL=λ\beta L = \lambda.

Tada je:

V‾1=V2⋅cos⁡λ+jZcsin⁡λ⋅I‾2I‾1=jV2Zc⋅sin⁡λ+cos⁡λ⋅I‾2\boxed{\begin{aligned} \ph{V}_1 &= V_2 \cdot \cos\lambda + \mathrm{j}Z_c\sin\lambda \cdot \ph{I}_2 \\ \ph{I}_1 &= \mathrm{j}\frac{V_2}{Z_c} \cdot \sin\lambda + \cos\lambda \cdot \ph{I}_2 \end{aligned}}

Pri prenosu čisto aktivne snage, vod je zatvoren otpornošću RR, pa je:

I‾2=I2=V2R.\ph{I}_2 = I_2 = \frac{V_2}{R}.

Onda je:

V‾1=V2(cos⁡λ+jZcRsin⁡λ)I‾1=I2(cos⁡λ+jRZcsin⁡λ)\boxed{\begin{aligned} \ph{V}_1 &= V_2\left(\cos\lambda + \mathrm{j}\frac{Z_c}{R}\sin\lambda\right) \\ \ph{I}_1 &= I_2\left(\cos\lambda + \mathrm{j}\frac{R}{Z_c}\sin\lambda\right) \end{aligned}}

Snaga na početku voda je:

S‾1=P1+jQ1=V‾1I‾1∗=V2I2(cos⁡λ+jZcRsin⁡λ)(cos⁡λ−jRZcsin⁡λ)=P2+jP22(ZcR−RZc)sin⁡2λ\begin{aligned} \ph{S}_1 = P_1 + \mathrm{j}Q_1 = \ph{V}_1\ph{I}_1^* &= V_2I_2\left(\cos\lambda + \mathrm{j}\frac{Z_c}{R}\sin\lambda\right)\left(\cos\lambda - \mathrm{j}\frac{R}{Z_c}\sin\lambda\right) \\ &= P_2 + \mathrm{j}\frac{P_2}{2}\left(\frac{Z_c}{R} - \frac{R}{Z_c}\right)\sin 2\lambda \end{aligned}

Dakle, može se zaključiti da je aktivna snaga ista na oba kraja voda, što se moglo i očekivati, pošto nema gubitaka aktivne snage.

Reaktivna snaga na početku voda zavisi od aktivne snage koja se prenosi vodom.

Ako je: R=ZcR = Z_c, onda je P2=PnatP_2 = P_{\text{nat}} i Q2=0Q_2 = 0.

Za vodove dužine do L=1500 kmL = 1500\ \text{km} važi sin⁡2λ≥0\sin 2\lambda \ge 0, pa Q1Q_1 zavisi od odnosa R/ZcR/Z_c:

  • Za R>ZcR > Z_c je Q1<0Q_1 < 0, vod se ponaša kao izvor reaktivne snage.
  • Za R<ZcR < Z_c je Q1>0Q_1 > 0, reaktivna snaga je induktivnog karaktera, pa se vod ponaša kao potrošač.

Vrlo je važno odrediti maksimalnu snagu koja se može preneti vodom:

V2=∣V‾1∣∣cos⁡λ+jZcRsin⁡λ∣=V1cos⁡2λ+Zc2R2sin⁡2λ.V_2 = \frac{\left|\ph{V}_1\right|}{\left|\cos\lambda + \mathrm{j}\dfrac{Z_c}{R}\sin\lambda\right|} = \frac{V_1}{\sqrt{\cos^2\lambda + \dfrac{Z_c^2}{R^2}\sin^2\lambda}}.

Sada je:

P2=V2I2=V22R=V12Rcos⁡2λ+Zc2Rsin⁡2λ.\boxed{P_2 = V_2I_2 = \frac{V_2^2}{R} = \frac{V_1^2}{R\cos^2\lambda + \dfrac{Z_c^2}{R}\sin^2\lambda}}.

Maksimalna snaga koja se može preneti, dobija se iz:

∂P2∂R=0.\frac{\partial P_2}{\partial R} = 0.

Potrebnim diferenciranjem dobija se uslov:

cos⁡2λ−Zc2sin⁡2λR2=0,\cos^2\lambda - \frac{Z_c^2\sin^2\lambda}{R^2} = 0,

odnosno otpornost pri kojoj je maksimalna preneta snaga:

R=Zc tgλ.\boxed{R = Z_c\,\mathrm{tg}\lambda}.

Maksimalna preneta aktivna snaga je:

P2max⁡=V12Zcsin⁡2λ≈Pnatsin⁡2λ.\boxed{P_{2\max} = \frac{V_1^2}{Z_c\sin 2\lambda} \approx \frac{P_{\text{nat}}}{\sin 2\lambda}}.

Prenos reaktivne snage idealizovanim vodom

U ovom slučaju vod je zatvoren induktivnošću ili kapacitivnom reaktansom (X<>0X <> 0). Tada je:

I‾2=V2jX=−jV2X.\ph{I}_2 = \frac{V_2}{\mathrm{j}X} = -\mathrm{j}\frac{V_2}{X}.

Sada je:

V‾1=V2(cos⁡λ+ZcXsin⁡λ)I‾1=I‾2(cos⁡λ−XZcsin⁡λ)\boxed{\begin{aligned} \ph{V}_1 &= V_2\left(\cos\lambda + \frac{Z_c}{X}\sin\lambda\right) \\ \ph{I}_1 &= \ph{I}_2\left(\cos\lambda - \frac{X}{Z_c}\sin\lambda\right) \end{aligned}}

Prividna snaga na početku voda je:

S‾1=P1+jQ1=V‾1I‾1∗=V2I‾2∗(cos⁡λ+ZcXsin⁡λ)(cos⁡λ−XZcsin⁡λ)=jV22X[cos⁡2λ+sin⁡2λ2(ZcX−XZc)]=jQ1=jQ2[cos⁡2λ+sin⁡2λ2(ZcX−XZc)]\begin{aligned} \ph{S}_1 = P_1 + \mathrm{j}Q_1 = \ph{V}_1\ph{I}_1^* &= V_2\ph{I}_2^*\left(\cos\lambda + \frac{Z_c}{X}\sin\lambda\right)\left(\cos\lambda - \frac{X}{Z_c}\sin\lambda\right) \\ &= \mathrm{j}\frac{V_2^2}{X}\left[\cos 2\lambda + \frac{\sin 2\lambda}{2}\left(\frac{Z_c}{X} - \frac{X}{Z_c}\right)\right] \\ &= \mathrm{j}Q_1 = \mathrm{j}Q_2\left[\cos 2\lambda + \frac{\sin 2\lambda}{2}\left(\frac{Z_c}{X} - \frac{X}{Z_c}\right)\right] \end{aligned}

Vidi se da ulazna i izlazna reaktivna snaga na vodu mogu biti čak i suprotnih znakova.

One se izjednačavaju (Q1=Q2Q_1 = Q_2) za:

X=Zctgλ.\boxed{X = \frac{Z_c}{\mathrm{tg}\lambda}}.

Neophodno je odrediti i maksimalnu reaktivnu snagu koja se može preneti. To se može uraditi na bazi sledećeg izvođenja:

V2=V1cos⁡λ+ZcXsin⁡λ.V_2 = \frac{V_1}{\cos\lambda + \dfrac{Z_c}{X}\sin\lambda}.
I‾2=−jV2X=−jV1X(cos⁡λ+ZcXsin⁡λ).\ph{I}_2 = -\mathrm{j}\frac{V_2}{X} = -\mathrm{j}\frac{V_1}{X\left(\cos\lambda + \dfrac{Z_c}{X}\sin\lambda\right)}.
S‾2=V2I‾2∗=jV12X(cos⁡λ+ZcXsin⁡λ)2=jQ2.\boxed{\ph{S}_2 = V_2\ph{I}_2^* = \mathrm{j}\frac{V_1^2}{X\left(\cos\lambda + \dfrac{Z_c}{X}\sin\lambda\right)^2} = \mathrm{j}Q_2}.

Maksimalna reaktivna snaga koja se može preneti, dobija se iz:

∂Q2∂X=0.\frac{\partial Q_2}{\partial X} = 0.

Potrebnim diferenciranjem dobija se uslov:

cos⁡2λ−Zc2sin⁡2λX2=0,\cos^2\lambda - \frac{Z_c^2\sin^2\lambda}{X^2} = 0,

odnosno reaktansa pri kojoj je maksimalna preneta reaktivna snaga:

X=Zc tgλ.\boxed{X = Z_c\,\mathrm{tg}\lambda}.

Maksimalna preneta reaktivna snaga je:

Q2max⁡=V12Zc tgλ(cos⁡λ+ZcZc tgλsin⁡λ)2≈Pnat2sin⁡2λ.\boxed{Q_{2\max} = \frac{V_1^2}{Z_c\,\mathrm{tg}\lambda\left(\cos\lambda + \dfrac{Z_c}{Z_c\,\mathrm{tg}\lambda}\sin\lambda\right)^2} \approx \frac{P_{\text{nat}}}{2\sin 2\lambda}}.

Teme

Vodovi i kablovi · Regulacija napona

Zadaci uz ovo predavanje