Если воздушная линия электропередачи работает на нагрузку, эквивалентное сопротивление которой равно волновому сопротивлению линии:

z_в=1/(V_вС)=V_вL, (1)

то такой режим ее работы называют натуральным. В этих формулах L и С индуктивность и емкость единицы длины линии;

5. _в=1/(LC)^(1/2) (2)

- скорость распространения электромагнитной волны вдоль линии. В соответствии с определением натуральный ток линии

I_н=qV_в, (3)

где q - заряд единицы длины линии, который для одного провода в фазе согласно теореме Гаусса равен

q=q₀=CU_ф.н, (4)

где r₀- радиус провода; 2пиr₀ - поверхность единицы длины провода;

Таким образом, натуральный ток линии

I_н=qV_в =r₀E/60, (5)

где Е - напряженность поля на поверхности провода,

т.е. численно равен произведению заряда единицы длины линии и скорости распространения электромагнитной волны и определяется только радиусом провода и напряженностью поля на его поверхности.

При протекании натурального тока запасаемая магнитным и электрическим полями энергия одинакова. В этом можно убедиться, подставив в формулу для средней за период напряжения энергии магнитного поля на единицу длины одной фазы линии выражение (3) для I_н и использовав формулу (2):

W_м=LI_н²=LC²V_в²U_ф.н,²=CU_ф.н,²=W_эл, (6)

где W_эл - средняя за период энергия электрического поля.

Одинаковы и мгновенные значения энергии магнитного и электрического полей линий, работающей в натуральном режиме, что определяет полностью сбалансированный режим работы линии, при котором не требуется каких-либо дополнительных устройств для передачи активной мощности по линии (натуральной мощности Р_н).

При токе в линии I=0 (режим холостого хода) магнитное поле отсутствует, а электрическое поле, определяемое напряжением на линии, такое же, как и при I=I_н. В связи с этим в режиме холостого хода линия является источником реактивной мощности, которая должна быть поглащена примыкающей системой или распределнной вдоль линии индуктивной нагрузкой такой же мощности, как и мощность электрического полялинии длиной l (на три фазы):

17. _эл=3wCU_ф.н,²l.

Устройствами, поглощающими генерируемую электрическим полем линии мощность (зарядную мощность линии), могут служить шунтирующие реакторы, включаемые между проводом и землей, трансформаторы, а также генераторы работающие в недовозбужденном режиме.

При токе в линии, превышающем ток в натуральном режиме I>I_н, средняя за период энергия магнитного поля больше энергии электрического поля:

LI²=CU_ф.н,²

Причем это различие увеличивается пропорционально квадрату тока. В результате энергия магнитного поля может значительно превосходить энергию электрического поля. Это означает, что работающая в таком режиме линия эквивалентна индуктивной нагрузке (реактору), мощностью которой Q определяется избыточной мощностью магнитного поля линии. Для трехфазной линии длиной l с учетом формулы (6)

Q=P_н(k²-1)л,

где k=I/I_н; л=wl/V_в - волновая длина линии; P_н=V_вCU_ф.н,² - натуральная мощность линии.

В этой ситуации, когда мощность магнитного поля больше, чем электрического, линия нуждается в источнике реактивной мощности, возмещающем ее потребление магнитным полем линии. В качестве такого источника может использоваться батарея конденсаторов, синхронный компенсатор, работающий в режиме упреждающего фазового сдвига тока по отношению к фазе напряжения на 90⁰, а также синхронный генератор в режиме перевозбуждения.

Потребляемая линия реактивная мощность Q быстро увеличивается при росте отношения передаваемой мощности Р к натуральной мощности Р_н (табл 1.1) и может составлять значительную долю передаваемой по линии мощности Р.

Поэтому выработка дополнительной реактивной мощности в энергосистеме для компенсации ее потребления линией требует больших дополнительных капитальных вложений.

Из изложенного следует, что наиболее экономичным является натуральный режим работы линии, не требующий дополнительных источников реактивной мощности.

Натуральный режим передачи электроэнергии характеризуется еще одним замечательным свойством, которое непосредственно следует из уравнения передачи, записанного в символической форме при пренебрежении активным сопротивлением и активной проводимостью линии (линии без потерь).

В натуральном режиме линии без потерь напряжение в начале и в конце линии одинаково по модулю, но сдвинуто по фазе на угол Л. Таким образом, в натуральном режиме линия без потерь работает без потери напряжения. Активное сопротивление проводов реальных линий определяет потерю напряжения и в натуральном режиме работы линии, однако значительно меньшую, чем при I>I_н.

В связи с изложенным за основу анализа условий работы проводов ВЛ примем натуральный режим работы линий. Передаваемая по линии мощность в этом режиме

называется натуральной мощностью.

Из формулы следует, что натуральный ток и натуральная мощность линии пропорциональны площади поверхности единицы длины провода F_п=2*3,14r₀ и напряженность поля на ней.

Поэтому если на линиях сверхвысокого напряжения целесообразно обеспечивать максимальную возможную напряженность Е=Е_доп, ограниченную из-за неблагоприятных последствий развития коронного разряда. Поскольку допускаемая напряженность не моржет быть превышена при среднем эксплуатационном напряжении, при номинальном напряжении напряженность поля меньше допустимой

Следовательно, натуральный ток и натуральная мощность линии (вычисляемые при номинальном напряжении)

Активное сечение одиночного провода при zа=const увеличивается пропорционально квадрату радиуса провода. Поэтому плотность тока в проводах линии, работающей в натуральном режиме (натуральная плотность тока)

уменьшается обратно пропорционально радиусу провода независимо от класса напряжения линии.