СПОСОБ КОСВЕННОГО КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРОВОДА ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ Российский патент 2000 года по МПК H02H5/04 

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для зашиты от пережога провода воздушной линии электропередачи (ЛЭП) преимущественно при проведении на ней плавки гололеда.

Известен контактный способ контроля температуры с использованием термопреобразователей на термозависимых сопротивлениях или термоэлектрических парах, находящихся в непосредственном контакте с объектом контроля [1,2].

Недостаток контактного способа контроля температуры провода воздушной линии - необходимость передачи информации от термопреобразователя, расположенного на высоковольтном проводе, к вторичному измерительному прибору, находящемуся на потенциале земли.

Известен бесконтактный способ контроля температуры, использующий зависимость интенсивности теплового излучения объекта контроля от его температуры [1,3] . Этот способ не требует формирования специального канала передачи информации с высоковольтного датчика - термопреобразователя на потенциал земли, однако практически непригоден для контроля температуры провода воздушной линии из-за влияния поглощающих тепловое излучение атмосферных осадков - тумана, дождя, снега.

Известен способ косвенного контроля температуры провода, основанный на измерении линейного температурного удлинения провода, нагреваемого электрическим током [4].

Недостаток способа [4] - существенная зависимость удлинения провода не только от его температуры, но и от изменяющихся механических нагрузок на провод - гололедной и ветровой.

Известен выбранный в качестве прототипа способ косвенного контроля температуры провода воздушной линии электропередачи, заключающийся в том, что измеряют ток линий и с использованием результатов измерений рассчитывают численным методом, исходя из уравнения теплового баланса провода, параметры математической модели экспоненциального с постоянной времени τ нарастания температуры нагреваемого провода от начальной в момент t₀ температуры до установившегося значения [5].

Согласно способу-прототипу при расчете параметров математической модели нагрева провода непосредственно измеряют значения тока линии, скорости ветра и температуры окружающей среды, а другие факторы, влияющие на теплоотдачу провода, учитывают в виде их оценочных значений.

Недостаток прототипа состоит в том, что необходимо контролировать на высоте подвески проводов или учитывать в виде оценочных значений многие атмосферные факторы, влияющие на теплоотдачу провода воздушной линии. К таким факторам, помимо температуры окружающей среды, относятся: скорость и направление ветра, влажность воздуха, степень турбулизации воздушного потока, прозрачность атмосферы, уровень солнечной радиации и т.п. Без непосредственного контроля этих факторов способ-прототип не обеспечивает достаточную точность оперативного измерения температуры провода. Этот недостаток особенно существенен для защиты от пережога провода воздушной ЛЭП при проведении на ней плавки гололеда.

Задача изобретения - создание способа контроля температуры провода воздушной ЛЭП, не требующего непосредственного измерения или оценки большого числа факторов, влияющих на тепловой баланс провода, и позволяющего снизить число контролируемых факторов без ущерба для точности определения температуры.

Предметом изобретения является способ косвенного контроля температуры провода воздушной линии электропередачи, заключающийся в том, что измеряют по меньшей мере в три последовательных момента времени t₁, t₂, t₃, токи линии и с использованием результатов измерений рассчитывают численным методом, исходя из уравнения теплового баланса провода, параметры математической модели экспоненциального с постоянной времени τ нарастания температуры нагреваемого провода от начальной в момент to температуры до установившегося значения, отличающийся согласно изобретению тем, что в моменты t₁, t₂, t₃, дополнительно измеряют падения напряжения на проводе линии, при этом измерения выполняют в течение интервала, не превышающего двух оценочных значений τ с момента t₀, и ведут указанный расчет методом последовательных приближений до тех пор, пока разность между двумя последовательными приближениями установившегося значения температуры провода не станет меньше требуемой погрешности расчета.

Указанная совокупность признаков позволяет снизить влияние большого числа факторов без их непосредственного измерения или оценки на погрешность определения температуры провода.

Изобретение имеет развитие, состоящее в том, что дополнительно измеряют ток I₀ линии и падение напряжения U₀ на проводе линии в момент времени t₀ и определяют начальную температуру θ₀ по формуле

где R₂₀ - сопротивление одного метра провода при 20^o по Цельсию, β - температурный коэффициент сопротивления материала провода, k-коэффициент, учитывающий число проводов в фазе линии электропередачи и схему ее подключения, L-длина линии.

Это позволяет определять начальную температуру провода линии без использования датчиков температуры.

Следующее развитие изобретения состоит в том, что при θ₀< 0 момент t₁ выбирают из условия

где C - теплоемкость одного метра провода линии, а
P₀= [I20

R₂₀[(1+β(θ₀-20)]. (3)
Это позволяет дополнительно уменьшить погрешность в определении контролируемой температуры провода.

Другое развитие изобретения состоит в том, что значение t₂ принимают равным

Это позволяет упростить и оптимизировать расчеты параметров математической модели нагрева провода.

Кроме того, изобретение имеет развитие, состоящее в том, что при контроле температуры провода во время плавки гололеда с помощью подключенного к линии выпрямителя измерения токов линии и падений напряжения на проводе линии выполняют косвенным методом путем расчета значений токов и напряжений на выходе выпрямителя по значениям токов и напряжений, измеренным на его входе.

Это позволяет уменьшить объем измерительного оборудования, необходимого для осуществления способа контроля температуры провода воздушной ЛЭП в ходе плавки гололеда, выполняемой с использованием высоковольтной выпрямительной установки.

Изобретение поясняется чертежом, на котором приведена схема измерения параметров ЛЭП при реализации предлагаемого способа во время плавки гололеда с учетом развития изобретения.

На чертеже обозначено: 1 - силовой выпрямитель; 2 - провод ЛЭП, закороченной для плавки гололеда; 3 - гололедная муфта на проводе 2; 4 - энергосистема; 5 - силовой трансформатор; 6 - измерительный трансформатор напряжения; 7 - измерительный трансформатор тока; 8 - микропроцессорный регистрирующий прибор, обеспечивающий измерение электрических параметров и фиксацию (запоминание) измеренных значений; 9 - компьютер, обеспечивающий выполнение необходимых для реализации предлагаемого способа вычислений.

Кроме того, на фиг.1 обозначено: U_л и I_ф - питающие выпрямитель 1 напряжение и ток соответственно, измеренные прибором 8 с помощью трансформаторов 6 и 7; U и I - падение напряжения на проводе линии и ток линии соответственно.

Предлагаемый способ реализуют с учетом его развития следующим образом.

Температуру провода линии определяют, используя математическую модель экспоненциального с постоянной времени τ нарастания температуры θ_пр провода от начальной температуры θ₀ до установившейся температуры. θ_уст В соответствии с этой моделью температура провода в процессе нагрева его протекающим током меняется следующим образом:
θ_пр= θ_уст-(θ_уст-θ₀)exp(-t/τ). (5)
При этом влияние на контролируемую температуру факторов теплоотдачи в окружающую среду и температурной зависимости сопротивления провода учитывают путем соответствующего выбора параметров τ и θ_уст модели.

В соответствии с предлагаемым способом определение этих параметров выполняют следующим образом.

Начиная с момента t₀-0, соответствующего подключению линии к выпрямителю 1, в течение интервала, не превышающего двух оценочных значений τ, фиксируют прибором 8 значения токов I₀, I₁, I₂, I₃ линии и падений напряжения U₀, U₁, U₂, U₃ на проводе 2 в последовательные моменты времени t₀, t₁, t₂, t₃ соответственно.

Зафиксированные прибором 8 в момент времени t₀ значения I₀ и U₀ используются для вычисления компьютером 9 значений θ₀ по формуле (1) и P₀ по формуле (3). При этом коэффициент k в формуле (1) выбирают с учетом числа проводов в фазе линии и схемы ее подключения в соответствии с [6]. Начальная температура θ₀ провода может быть также получена другим путем, например, измерена непосредственно.

Для уменьшения погрешности в определении контролируемой температуры провода значения t₁, t₂, t₃ выбирают следующим образом.

Момент t₁ выбирают близким к началу процесса расплавления гололеда на проводе (после чего температура участков провода под гололедной муфтой сохраняется близкой к нулю). При Q₀ < 0 это обеспечивается выполнением условия (2), при расчете которого используют ранее полученные значения P₀ и θ₀.
Момент t₃ выбирают, исходя из грубой предварительной оценки τ так, чтобы значение t₃ не превышало двух оценочных значений τ. Минимуму погрешности соответствует выбор значения t₃ в диапазоне (0,5...1,5) τ.
Оценка τ может быть предварительно получена эмпирически или рассчитана, исходя из известных характеристик линии и атмосферных условий.

Момент t₂ выбирают из соотношения (4).

Далее зафиксированные прибором 8 значения токов и падений напряжения используют для расчета компьютером 9 параметров τ и θ_уст математической модели экспоненциального нарастания температуры провода следующим образом.

Значение постоянной времени τ вычисляют по формуле

Значение другого параметра θ_уст модели вычисляют компьютером 9 следующим образом. Сначала рассчитывают значение установившегося тока I_уст. линии по формуле

а затем находят величину θ_уст путем решения следующей системы уравнений:







При решении этой системы уравнений методом последовательных приближении в качестве начального приближения переменной А - теплоотдачи одного метра провода на 1^o Цельсия может быть принято отношение C/τ. Процесс последовательного приближения прекращают, когда разность между двумя последовательными приближениями θ_уст станет меньше требуемой погрешности расчета.

Приведенные выше расчетные соотношения отражают:
- линейную температурную зависимость, определяемую коэффициентом β;
- принятую математическую модель экспоненциального нарастания температуры провода;
- результаты решения дифференциального уравнения теплового баланса для одного метра провода с использованием экспоненциальной аппроксимации зависимостей от времени тока и рассеиваемой проводом мощности от времени.

Формулы (6), (7), (13) и (14) для определения параметров (τ, I_уст, P_уст, τ_p) аппроксимирующих экспонент получены в результате решения соответствующих систем из трех экспоненциальных уравнений, составляемых по измеренным в моменты времени t₁, t₂ и t₃ значениям токов и падений напряжения на проводе.

При плавке гололеда в качестве источника питания линии, как правило, используется силовая высоковольтная выпрямительная установка. В этом случае для уменьшения объема измерительного оборудования согласно развитию предлагаемого способа значения токов линии и падений напряжений на проводе линии определяют косвенным методом путем их расчета по значениям питающих выпрямитель 1 напряжения U_л и тока I_ф, измеряемым в соответствующие моменты времени прибором 8 с помощью измерительных трансформаторов 6 и 7. Такой расчет может быть выполнен программно компьютером 9 с использованием известной, например, из [7] аналитической модели выпрямителя.

Предлагаемый способ определения температуры провода воздушной ЛЭП не требует измерения или оценки температуры воздуха и других атмосферных факторов на высоте подвески проводов. Способ автоматически учитывает факторы, влияющие на тепловой баланс провода воздушной линии, путем расчета температуры по измеряемым электрическим параметрам, зависящим от фактической температуры провода.

Выполнение расчета параметров математической модели нагрева по данным, полученным в начале плавки гололеда, позволяет заранее предсказывать ход нагрева провода в процессе плавки гололеда и тем самым надежно предотвращать пережог.

Дополнительно предложенный способ позволяет, используя полученные значения параметров τ и θ_уст модели и тот факт, что температура провода под гололедной муфтой в процессе плавки близка к нулю, определить начальную длину L_г.м. гололедной муфты по формуле:

Проверка способа выполнена при проведении плавок гололеда на двух ЛЭП (330 кВ и 500 кВ) Северокавказского региона.

Источники информации
1. Туричин А. М. Электрические измерения неэлектрических величин. Л.: "Энергия", 5-е изд. 1975.

2. Специальные термометры с термопреобразователями сопротивления. /E.И. Фандеев, Г.А.Лущаев, В.А.Карчков, М.: Энергоатомиздат, 1987.

3. Низкотемпературные пирометры с тепловыми приемниками излучения. /Е.И. Фандеев, Б. В. Васильев, А.П.Бараненко, В.М.Горбачев, М.: Энергоатомиздат, 1993.

4. Электрические и магнитные измерения. Под ред. Е.Г.Шрамкова. Л., М. 1937, стр.134-135.

5. Петрова Т. Е. , Фигурнов Е.П. Защита от перегрузки по току проводов воздушных линий электропередачи. Электричество, 1991, N 8, стр. 29-34.

6. Левченко И. И. Плавка гололеда на проводах и тросах воздушных линий высокого напряжения. М., Изд-во МЭИ, 1998, стр. 32.

7. Поссе A.B. Схемы и режимы электропередач постоянного тока. Энергия, 1973, стр. 18-40.

Изобретение может быть использовано для защиты от пережога провода воздушной линии электропередачи преимущественно при проведении на ней плавки гололеда. Способ заключается в том, что измеряют по меньшей мере в три последовательных момента времени t₁, t₂, t₃ токи линии и рассчитывают с использованием результатов измерений параметры математической модели экспоненциального с постоянной времени τ нарастания температуры нагреваемого провода от начальной в момент t₀ температуры до установившегося значения. Измерение в моменты t₁, t₂, t₃ падений напряжения на проводе линии, выполнение при этом измерений в течение интервала, не превышающего двух оценочных значений τ с момента t₀, и использование измеренных таким образом значений токов и напряжений при расчете температуры провода численным методом позволило автоматически учитывать влияние неконтролируемых факторов на тепловой баланс провода. Технический результат заключается в возможности снизить погрешность контроля температуры из-за влияния атмосферных факторов. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ косвенного контроля температуры провода воздушной линии электропередачи, заключающийся в том, что измеряют, по меньшей мере, в три последовательных момента времени t₁, t₂, t₃ токи линии и с использованием результатов измерений рассчитывают численным методом, исходя из уравнения теплового баланса провода, параметры математической модели экспоненциального с постоянной времени τ нарастания температуры нагреваемого провода от начальной в момент t₀ температуры до установившегося значения, отличающийся тем, что в моменты t₁, t₂, t₃ дополнительно измеряют падения напряжения на проводе линии, при этом измерения выполняют в течение интервала, не превышающего двух оценочных значений τ с момента t₀, и ведут указанный расчет методом последовательных приближений до тех пор, пока разность между двумя последовательными приближениями установившегося значения температуры провода не станет меньше требуемой погрешности расчета. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно измеряют ток I₀ линии и падение напряжения U₀ на проводе линии в момент времени t₀ и определяют начальную температуру по формуле

где R₂₀ - сопротивление одного метра провода при 20^o по Цельсию;
β - температурный коэффициент сопротивления материала провода;
k - коэффициент, учитывающий число проводов в фазе линии электропередачи и схему ее подключения, L - длина линии. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что при θ₀ < 0 момент t₁ выбирают из условия

где C - теплоемкость одного метра провода линии;
P₀= I20

R₂₀[(1+β(θ₀-20)]. (3)
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что значение t₂ принимают равным

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при контроле температуры провода во время плавки гололеда с помощью подключенного к линии выпрямителя измерения токов линии и падений напряжения на проводе линии выполняют косвенным методом путем расчета значений токов и напряжений на выходе выпрямителя по значениям токов и напряжений, измеренным на его входе.