СПОСОБ СОГЛАСОВАНИЯ ТРЕХПРОВОДНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НАГРУЗКОЙ Российский патент 2013 года по МПК H02J3/00 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при проектировании, монтаже, наладке и эксплуатации линий электропередачи (ЛЭП) при передаче электрической энергии к потребителю.

Передача электрической энергии по протяженным ЛЭП, а также электрическая энергии повышенной частоты по сравнительно с непротяженным ЛЭП обеспечивается: по одно- и двухпроводным ЛЭП одной парой волн электромагнитного поля (падающей и отраженной); по трехпроводным - тремя парами; по четырехпроводной - четырьмя и т.д. [1]. В результате согласования ЛЭП с электрической нагрузкой пропускная способность линий электропередачи повышается из-за исключения отраженной волны. Кроме того, уменьшается степень искажения кривых напряжения и тока, увеличивается надежность функционирования электрического оборудования, нормализуется работа релейной защиты, автоматики и связи, улучшается экологическая обстановка в районе эксплуатации ЛЭП.

Известно условие согласованного режима работы однопроводной ЛЭП [2], на основании которого работает устройство [патент RU 2390924], где реализован согласованный режим работы однопроводной протяженной ЛЭП. Однако трехпроводная ЛЭП не может быть согласована одним лишь условием согласованного режима [2] из-за специфичности распространения напряжений и токов по трехпроводным ЛЭП [3].

Известны способы согласования линий связи с нагрузкой [4]. Однако применяемые здесь технические элементы, такие как дифференциальный усилитель, не предназначены для работы на высоком напряжении, к примеру 1 кВ, а это значит, что специфика реализации способов [4] достаточно своеобразна и неприменима в протяженных линиях электропередачи высокого напряжения.

Задача изобретения - формирование способа согласования трехпроводной ЛЭП с электрической нагрузкой.

Технический результат заключается в обеспечении условий согласования трехпроводной высоковольтной линии электропередачи с электрической нагрузкой, выполнение которых повлечет за собой уменьшение потерь электрической энергии, повышение пропускной способности линии, уменьшение степени искажения кривых напряжения и тока.

Технический результат достигается тем, что способ согласования трехпроводной линии электропередачи с электрической нагрузкой, заключающийся в том, что исходная информация о напряжениях и токах в линии через устройства сопряжения поступают в процессор, согласно изобретению в процессоре проверяются условия согласования трехпроводной линии электропередачи с электрической нагрузкой для каждого провода линии в результате сравнения действительного и эталонного значений сопротивлений нагрузки, напряжений в конце линии или токов, поступающих в нагрузку, и формируются управляющие сигналы для корректирующих органов, в качестве которых могут быть использованы устройства РПН силовых трансформаторов или автоматизированные технологические комплексы.

Сущность изобретения поясняется схемами: на (рис.1) показан алгоритм обеспечения и поддержания согласования трехпроводной неизолированной ЛЭП с электрической нагрузкой, на (рис.2) представлена схема алгоритма работы процессора, на (рис.3) в блоке А выполняются логические операции.

На рисунках показаны:

1 - корректирующий орган, такой как РПН трансформатора (КО1);

2 - трансформатор, питающий ЛЭП напряжением 110 кВ или выше (Т1);

3 - устройства сопряжения, каковыми являются датчики напряжения и тока, спектроанализаторы, установленные в начале ЛЭП напряжением 110 кВ или выше $$\left({\displaystyle \sum _{i=1}^nД1}\right)$$ ;

4 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

5 - процессор (П);

6 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП);

7 - показывающий или самопишущий прибор (РО);

8 - ЛЭП напряжением 110 кВ или выше (ЛЭП 110 кВ ИЛИ ВЫШЕ);

9 - понижающий трансформатор, напряжением 220 кВ/10 кВ (Т2);

10 - устройства сопряжения, каковыми являются датчики напряжения и тока, спектроанализаторы, установленные в конце ЛЭП напряжением 110 кВ или выше $$\left({\displaystyle \sum _{i=1}^nД2}\right)$$ ;

11 - понижающий трансформатор, напряжением 10 кВ/0,85 кВ (Т3);

12 - корректирующий орган, такой как РПН понижающего трансформатора напряжением 220 кВ/10 кВ (КО2);

13 - преобразователь, выполненный в виде выпрямительной установки для электролизных ванн алюминиевого завода, фаза A, (VD1);

14 - корректирующий орган, такой как РПН понижающего трансформатора напряжением 10 кВ/0,85 кВ (КО3);

15 - обобщенная электрическая нагрузка $$({\underset{\_}{Z}}_{НАГР.})$$ ;

16 - корректирующий орган, такой как система электролиза алюминия ТРОЛЛЬ (КО4);

17 - обобщенное сопротивление нагрузки $$\left({\underset{\_}{Z}}_{Н.А}=\frac{{\dot{U}}_{Н.А}}{\dot{I}{2}_{.A}}\right)$$ ;

18 - обобщенное сопротивление нагрузки с учетом реализации согласования ЛЭП напряжением 110 кВ или выше 8 (ЛЭП 110 кВ ИЛИ ВЫШЕ), $$\left({\underset{\_}{Z}}_{ВОЛН.А}=\frac{{\dot{U}}_{ВОЛН.А}}{\dot{I}{2}_{Н.A}}\right)$$ ;

19 - амплитудные значения напряжения нагрузки $$({\dot{U}}_{Н.А})$$ ;

20 - амплитудные значения тока нагрузки $$(\dot{I}{2}_{.А})$$ ;

21 - специализированная программа для прогнозирования величины основных характеристик электрической энергии в линии электропередачи трехпроводного исполнения (LEP3 v.1.00);

22 - величины токов, какими должна характеризоваться электрическая энергия, передаваемая по ЛЭП, согласованной с электрической нагрузкой $$(\dot{I}{2}_{Н.А})$$ ;

23 - величины напряжений, какими должна характеризоваться электрическая энергия, передаваемая по ЛЭП, согласованной с электрической нагрузкой $$({\dot{U}}_{ВОЛН.А})$$ .

24 - логический блок (А).

Суть предлагаемой разработки заключается в реализации при помощи технических средств условий согласования трехпроводной высоковольтной линии электропередачи с электрической нагрузкой [5-7], в формировании алгоритма обеспечения и поддержания согласованного режима работы протяженной трехпроводной ЛЭП. В случае нарушения симметрии электроэнергетической системы, в состав которой входит рассматриваемая линия электропередачи, условия ее согласования с электрической нагрузкой следует определять для каждого провода ЛЭП.

Пусть будет необходимо выполнить согласование фазы А с электрической нагрузкой. Для фаз В и С алгоритм согласования с электрической нагрузкой будет аналогичным.

На (рис.1) показан алгоритм обеспечения и поддержания согласования трехпроводной неизолированной ЛЭП с электрической нагрузкой. Здесь в качестве объекта согласования использована ЛЭП напряжением 110 кВ или более 8 (ЛЭП 110 кВ ИЛИ ВЫШЕ). Кроме того, реализовано использование следующего электротехнического оборудования: трансформатора 2 (Т1) - трансформатора, питающего ЛЭП напряжением 110 кВ или выше 8 (ЛЭП 110 кВ ИЛИ ВЫШЕ); трансформаторов 9 (Т2) и 11 (Т3) - двух различных групп понижающих трансформаторов, имеющих отличные друг от друга номинальные характеристики; преобразователя 13 (VD1) - преобразователь, выполненный в виде выпрямительной установки для электролизных ванн алюминиевого завода, фаза А, представляющих в данном случае обобщенную электрическую нагрузку 15 $$({\underset{\_}{Z}}_{НАГР.})$$ . Блоки 9 (Т2), 11 (Т3), 13 (VD1) и 15 $$({\underset{\_}{Z}}_{НАГР.})$$ образуют общий блок, полное сопротивление которого при достижении согласованного режима работы ЛЭП 8 (ЛЭП 110 кВ ИЛИ ВЫШЕ) определяется величиной 18 $$\left({\underset{\_}{Z}}_{ВОЛН.А}=\frac{{\dot{U}}_{ВОЛН.А}}{\dot{I}{2}_{Н.A}}\right)$$ , а в иных случаях - 17 $$\left({\underset{\_}{Z}}_{Н.А}=\frac{{\dot{U}}_{Н.А}}{\dot{I}{2}_{.A}}\right)$$ . В данном случае полное сопротивление 18 $$\left({\underset{\_}{Z}}_{ВОЛН.А}=\frac{{\dot{U}}_{ВОЛН.А}}{\dot{I}{2}_{Н.A}}\right)$$ является эталонной величиной, к которой должно стремиться значение 17 $$\left({\underset{\_}{Z}}_{Н.А}=\frac{{\dot{U}}_{Н.А}}{\dot{I}{2}_{.A}}\right)$$ в процессе исполнения предлагаемого алгоритма.

Основным блоком работы алгоритма способа согласования трехпроводной ЛЭП 8 (ЛЭП 110 кВ ИЛИ ВЫШЕ) с электрической нагрузкой является процессор 5 (П) (рис.1), где выполняется анализ сведений о состоянии обобщенного сопротивления нагрузки 17 $$\left({\underset{\_}{Z}}_{Н.А}=\frac{{\dot{U}}_{Н.А}}{\dot{I}{2}_{.A}}\right)$$ или 18 $$\left({\underset{\_}{Z}}_{ВОЛН.А}=\frac{{\dot{U}}_{ВОЛН.А}}{\dot{I}{2}_{Н.A}}\right)$$ . Эти сведения в процессор поступают от устройств сопряжения, каковыми являются датчики тока и напряжения 3 $$\left({\displaystyle \sum _{i=1}^nД1}\right)$$ и 10 $$\left({\displaystyle \sum _{i=1}^nД2}\right)$$ , где анализируемые характеристики электрической энергии доводятся до величин, воспринимаемых компьютерной техникой. Датчики 3 $$\left({\displaystyle \sum _{i=1}^nД1}\right)$$ устанавливаются и используются для сбора сведений о напряжениях и токах в начале исследуемой протяженной трехпроводной ЛЭП 8 (ЛЭП 110 кВ ИЛИ ВЫШЕ), а датчики 10 $$\left({\displaystyle \sum _{i=1}^nД2}\right)$$ - в конце этой линии электропередачи 8 (ЛЭП 110 кВ ИЛИ ВЫШЕ). В качестве датчиков 3 $$\left({\displaystyle \sum _{i=1}^nД1}\right)$$ и 10 $$\left({\displaystyle \sum _{i=1}^nД2}\right)$$ могут быть использованы трансформаторы напряжения и тока, спектроанализаторы, а также делители напряжения и шунты переменного тока.

Аналого-цифровой преобразователь 4 (АЦП) (рис.1) позволяет сформированные в датчиках 3 $$\left({\displaystyle \sum _{i=1}^nД1}\right)$$ и 10 $$\left({\displaystyle \sum _{i=1}^nД2}\right)$$ аналоговые сигналы преобразовать в дискретные. Цифроаналоговый преобразователь 6 (ЦАП) позволяет сформированные в виде дискретных сигналов в процессоре 5 (П) команды корректирующим органам 1 (КО1), 12 (КО2), 14 (КО3) и 16 (КО4) преобразовать в аналоговые. В данном случае в качестве корректирующих органов 1 (КО1), 12 (КО2) и 14 (КО3) использованы устройства РПН силовых трансформаторов, а в качестве корректирующего органа 16 (КО4) - система электролиза алюминия ТРОЛЛЬ [8, 9], позволяющая изменять величину полного сопротивления обобщенной нагрузки 17 $$\left({\underset{\_}{Z}}_{Н.А}=\frac{{\dot{U}}_{Н.А}}{\dot{I}{2}_{.A}}\right)$$ путем воздействия на технологический процесс. На (рис.1) это сопротивление обозначено символом 15 $$\left({\underset{\_}{Z}}_{нагр.}\right)$$ . Результаты действия описываемого алгоритма выводятся на показывающий или самопишущий прибор 7 (РО).

Схема алгоритма работы процессора 5 (П) представлена на (рис.2). Она достаточно проста: из 4 (АЦП) в процессор 5 (П) поступают амплитудные значения тока 20 $$(\dot{I}{2}_{А})$$ и напряжения 19 $$({\dot{U}}_{Н.А})$$ нагрузки, затем определяется величина 17 $$\left({\underset{\_}{Z}}_{Н.А}=\frac{{\dot{U}}_{Н.А}}{\dot{I}{2}_{.A}}\right)$$ . Определенные таким образом величины 20 $$(\dot{I}{2}_{А}),$$ 19 $$({\dot{U}}_{Н.А})$$ , 17 $$\left({\underset{\_}{Z}}_{Н.А}=\frac{{\dot{U}}_{Н.А}}{\dot{I}{2}_{.A}}\right)$$ подаются в следующий блок 24 (А).

Блок 21 (LEP3 v.1.00) на (рис.2) иллюстрирует использование в предлагаемом способе согласования трехпроводной ЛЭП с электрической нагрузкой специализированной программы для прогнозирования величины основных характеристик электрической энергии в линии электропередачи трехпроводного исполнения [10]. При помощи программы определяются действующие значения комплексных величин токов и напряжений, постоянные распространения волн электромагнитного поля по проводам ЛЭП, величины собственных и взаимных волновых сопротивлений. В блоках 22 $$(\dot{I}{2}_{Н.А})$$ и 23 $$({\dot{U}}_{ВОЛН.А})$$ формируются величины токов и напряжений в конце линии, какими должна характеризоваться электрическая энергия, передаваемая по ЛЭП 8 (ЛЭП 110 кВ ИЛИ ВЫШЕ), согласованной с электрической нагрузкой. Эти токи и напряжения определяются следующим образом [5-7]:

$$\dot{I}{2}_{H.A}={\dot{I}}_{1An}\cdot e^{-{\gamma }_{1n}l};$$ $$\dot{I}{2}_{H.B}={\dot{I}}_{1Bn}\cdot e^{-{\gamma }_{1n}l};$$ $$\dot{I}{2}_{H.C}={\dot{I}}_{1Cn}\cdot e^{-{\gamma }_{1n}l};$$

$${\dot{U}}_{ВОЛН.А}={\dot{U}}_{1An}\cdot e^{-{\gamma }_{1n}l};$$ $${\dot{U}}_{ВОЛН.B}={\dot{U}}_{1Bn}\cdot e^{-{\gamma }_{1n}l};$$ $${\dot{U}}_{ВОЛН.C}={\dot{U}}_{1Cn}\cdot e^{-{\gamma }_{1n}l},$$

где $${\dot{U}}_{1An}$$ , $${\dot{U}}_{1B\text{}n}$$ , $${\dot{U}}_{1Cn}$$ - комплексные значения действующих величин фазных напряжений в начале ЛЭП, В; γ_1n - постоянная распространения одной из пар волн электромагнитного поля по проводам ЛЭП; l - протяженность рассматриваемой трехпроводной ЛЭП, км; $${\dot{I}}_{1An}$$ , $${\dot{I}}_{1Bn}$$ , $${\dot{I}}_{1Cn}$$ - комплексные значения действующих величин линейных токов в начале ЛЭП, А.

Далее определяется полное сопротивление нагрузки 18 $$\left({\underset{\_}{Z}}_{ВОЛН.А}=\frac{{\dot{U}}_{ВОЛН.А}}{\dot{I}{2}_{Н.A}}\right)$$ , какое оно должно быть при согласовании трехпроводной ЛЭП с этой нагрузкой. Полученные результаты отправляются в блок 24 (А).

В блоке 24 (А) (рис.3) выполняются логические операции. Здесь выполняется сравнение эталонных значений 18 $$\left({\underset{\_}{Z}}_{ВОЛН.А}=\frac{{\dot{U}}_{ВОЛН.А}}{\dot{I}{2}_{Н.A}}\right)$$ , 23 $$({\dot{U}}_{ВОЛН.А})$$ с сопротивлением нагрузки 17 $$\left({\underset{\_}{Z}}_{Н.А}=\frac{{\dot{U}}_{Н.А}}{\dot{I}{2}_{.A}}\right)$$ и напряжением в конце линии 19 $$({\dot{U}}_{Н.А})$$ . Здесь же из сопоставления этих величин определяются ошибки по сопротивлению ΔZ1, ΔZ2, ΔZ3 и по напряжению ΔU1, ΔU2, ΔU3. Затем определяются ошибки по току ΔI01-05, ΔI07, ΔI08. При нулевых значениях ошибок по напряжению, ошибки по току ΔI06 и ΔI09 отсутствуют, поэтому в их определении нет необходимости. Информация о величинах ΔZ1, ΔZ2, ΔZ3 и ΔU1, ΔU2, ΔU3 поступает в один из девяти блоков с приоритетом 2. Последующее действие описываемого алгоритма заключается в определении ошибок либо по сопротивлению ΔZ04p, ΔZ06p, ΔZ07p, ΔZ08p, ΔZ09p, либо по напряжению ΔU01p, ΔU02p, ΔU03Kp, ΔU05p. Полученные таким образом значения ошибок по напряжению поступают в блок суммы ошибок по напряжению $${\displaystyle \sum _{i=1}^5{U}_A}$$ , а величины ошибок по сопротивлению попадают в блок суммы ошибок по сопротивлению $${\displaystyle \sum _{i=1}^5{Z}_A}$$ . Сведения о результатах расчета ошибок поступают в один или несколько блоков корректирующих органов 1, 12, 14, 16 (КО1-4) (рис.1).

Здесь в качестве критерия функционирования корректирующих органов избрано несоответствие напряжения в конце линии или сопротивления нагрузки. В принципе, в качестве такого критерия можно избрать и несоответствие тока в конце линии. Для этого в блоке $${\displaystyle \sum _{i=1}^5{Z}_A}$$ следует собирать ошибки по току, а затем в результате сопоставления эталонного и действительного значений токов в конце линии сформировать сигнал для корректирующих органов 1, 12, 14, 16 (КО1-4) (рис.1).

В процессе реализации предлагаемого способа согласования трехпроводной ЛЭП с электрической нагрузкой выяснено, что при $$19({\dot{U}}_{Н.А})>23({\dot{U}}_{ВОЛH.A})$$ и $$17\left({\underset{\_}{Z}}_{Н.А}=\frac{{\dot{U}}_{Н.А}}{\dot{I}{2}_{.А}}\right)>18\left({\underset{\_}{Z}}_{ВОЛН.А}=\frac{{\dot{U}}_{ВОЛН.А}}{\dot{I}{2}_{Н.А}}\right)$$ ошибка по току не определяется. В этом случае предусмотрено определение дополнительной ошибки по напряжению ΔU_O в виде произведения разницы между 23 $$({\dot{U}}_{ВОЛН.А})$$ и 19 $$({\dot{U}}_{Н.А})$$ и коэффициента состояния ΔIos1. Затем сведения об этой дополнительной ошибке отправляются в блок $${\displaystyle \sum _{i=1}^5{U}_A}$$ .

Блок 24 (А) (рис.3) реализован в среде National Instruments LabVIEW 2009.

Источники информации

1. Большанин Г.А. Распределение электрической энергии пониженного качества по участкам электроэнергетических систем. В 2кн. Кн.1 / Г.А. Большанин. - Братск: БрГУ, 2006 - 807 с.

2. Большанин Г.А. Коррекция качества электрической энергии / Г.А. Большанин - Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2007 - 120 с.

3. Большанин Г.А. Особенности распространения электрической энергии по трехпроводной линии электропередачи / Г.А. Большанин, Л.Ю. Большанина, Е.Г. Марьясова // Системы. Методы. Технологии. - 2011. №3 (11).- С.82-89.

4. Кэрки Д. Согласование выходного импеданса при помощи полностью дифференциальных операционных усилителей / Д. Кэрки // Компоненты и технологии. - 2010. - №5. - С.150-154.

5. Козлов В.А. Условия согласования однородной трехпроводной высоковольтной линии электропередачи 10 кВ и выше с нагрузкой / В.А. Козлов, Г.А. Большанин // Материалы VII международной научно-практической конференции. - Прага: Печатный дом «Образование и Наука», 2011. - С.86-90.

6. Козлов В.А. Согласованный режим работы однородной трехпроводной линии электропередачи / В.А. Козлов, Г.А. Большанин // Системы. Методы. Технологии. - 2011. - №4. - С.70-76.

7. Козлов В.А. Согласованный режим работы однородной трехпроводной ЛЭП 220 кВ и выше как средство улучшения электромагнитной обстановки / Большанин Г.А. // Наука сегодня: теоретические аспекты и практика применения. Ч.2: Сб. науч. трудов. - Тамбов: Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2011. - С.63-66.

8. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ТРОЛЛЬ / АО ТоксСофт // http://new.toxsoft.ru. 11.05.2011.

9. Разрешение от 03.04.2007 №РРС 00-23783 Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору.

10. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010611988 "Расчет параметров трехфазной трехпроводной неизолированной линии электропередачи (LEP3 v.1.00)"

Использование: в области электротехники. Технический результат - уменьшение потерь электрической энергии, уменьшение искажения кривых напряжения и тока. Согласование трехпроводной линии электропередачи с электрической нагрузкой достигается в результате выполнения определенных условий, заключающихся в сопоставлении действительного и эталонного сопротивлений нагрузки, напряжений в конце линии или токов, поступающих в нагрузку. Исходные данные о напряжениях и токах в линии могут быть получены через устройства сопряжения, или датчики, выполненные в виде трансформаторов напряжения и тока или в виде делителей напряжения и шунтов переменного тока. В результате обработки исходных данных в процессоре формируются управляющие сигналы для корректирующих органов, в качестве которых могут быть использованы устройства РПН силовых трансформаторов или автоматизированные технологические комплексы. 3 ил.

Способ согласования трехпроводной линии электропередачи с электрической нагрузкой, заключающийся в том, что исходная информация о напряжениях и токах в линии через устройства сопряжения поступают в процессор, отличающийся тем, что в процессоре проверяются условия согласования трехпроводной линии электропередачи с электрической нагрузкой для каждого провода линии в результате сравнения действительного и эталонного значений сопротивлений нагрузки, напряжений в конце линии или токов, поступающих в нагрузку, и формируются управляющие сигналы для корректирующих органов, в качестве которых могут быть использованы устройства РПН силовых трансформаторов или автоматизированные технологические комплексы.