Эффект Ферранти - это напряжение увеличение принимающей стороны линии электропередачи, когда она работает в режиме холостого хода или при низкой нагрузке. Это приводит к тому, что значение напряжения на принимающей стороне выше, чем в точке отправки.
Это явление открыл инженер-электрик Себастьян Зиани де Ферранти. В 1887 году он впервые отметил повышение напряжения в некоторых точках лондонской энергосистемы.
Эффект вызван взаимодействием между индуктивностью и емкостью линии.
Когда линия электропередачи работает без нагрузки или в условиях низкой нагрузки, напряжение на приемном конце может быть выше, чем входное напряжение. Если это напряжение превышает номинальное значение линии, это может привести к опасным ситуациям и вызвать напряжение. к кабелям и компоненты.
Классическая Т-схема, показанная на рисунке ниже, помогает объяснить, как возникает эффект Ферранти в линии электропередачи. Здесь мы предполагаем, что сопротивление линии незначительно.
Т Схема ЛЭП.
Где:
- L - продольная индуктивность линии [Гн / км]
- l - длина линии [км]
- C - поперечная емкость линии [Ф / км]
- Vi - напряжение на входе линии
- Ii - ток на входе в линию
- Vo - напряжение на выходе линии
Приведенное ниже уравнение предполагает, что линия находится в состоянии «холостого хода» (разомкнутая цепь), и применяет принцип Кирхгофа к схеме выше:
Из модели схемы из-за условий холостого хода очевидно, что выходное напряжение - это напряжение на емкости. Мы увидим, что поперечная емкость линии играет ключевую роль в эффекте Ферранти.
Из приведенных выше уравнений можно заметить, что выходное напряжение Vo выше, чем входное напряжение Vi, и, в частности, вычисляя разницу между ними, относя ее к выходному напряжению, мы имеем:
Следовательно, очевидно, что разница напряжений пропорциональна:
- Квадрат частоты энергосистемы (действительно = 2f)
- Произведение индуктивности линии и емкости
- Квадрат длины линии
Эти наблюдения приводят нас к нескольким выводам, которые стоит упомянуть:
Линии электропередачи в энергосистемах, которые работают на более высоких частотах, с большей вероятностью будут подвержены эффекту Ферранти. Например, учитывая две идентичные электрические линии, работающие при одинаковом напряжении, но на разных частотах, одна, работающая на более высокой частоте, должна быть короче, чтобы избежать нежелательного и опасного повышения напряжения на приемном конце.
Для кабельных линий эффект Ферранти будет более выраженным, потому что типичные значения индуктивности в кабеле примерно в 0.5–0.7 раза больше индуктивности воздушной линии. Однако значения емкости примерно в 20-60 раз выше. Следовательно, с кабельной линией произведение индуктивности и емкости линии может быть примерно в 10-30 раз выше.
Длина линии имеет решающее значение. Однако длина становится еще более важной, когда длина строки приближается к / 4. Рассматривая тригонометрические обозначения уравнений линий электропередачи в условиях холостого хода, можно продемонстрировать, что:
Итак, для 0l / 4 (то есть для 0 км при 1500 Гц) мы имеем 50l // 02, поэтому член в знаменателе находится между 2 и 1. По мере приближения длины линии к / 0 напряжение на приемном конце линии стремится быть бесконечным.
Как упоминалось выше, основной причиной эффекта Ферранти является взаимодействие между емкостью и индуктивностью линии.
В целом эффект Ферранти хорошо известен, и его следует учитывать при проектировании системы распределения электроэнергии, чтобы избежать неожиданного повышения напряжения, которое может вызвать сбои и опасные ситуации.
Чтобы избежать эффекта Ферранти, нам необходимо ограничить максимальную длину линий электропередачи. Поэтому типовые линии электропередачи не превышают 600-700 км при 50 Гц (или 500-600 км при 60 Гц).
Уменьшая длину линии, чтобы свести к минимуму это явление, индуктивность и емкость линии могут создать резонансную ситуацию из-за внутренних конструктивных свойств самой линии. Чтобы избежать эффекта Ферранти, обычным решением является установка дополнительного реактора (в основном индуктивности). Это компенсирует поперечную емкость линии и резко снижает это явление.
Реальность этих проблем может стать намного сложнее, чем объяснения, предложенные выше. Следует думать о любых возможных потерях, вместо того, чтобы предполагать «идеальный» случай, когда линия работает без нагрузки.