ВЫСОКОВОЛЬТНАЯ СЕТЬ И СПОСОБ ЕЕ ЗАЩИТЫ ОТ ГОЛОЛЕДА Российский патент 2015 года по МПК H02G7/00 

Данное изобретение относится к области электроэнергетики, а точнее к устройству высоковольтной сети и к способу защиты от гололеда расщепленного провода ее высоковольтной линии (ВЛ) электропередачи.

Известна высоковольтная сеть, каждый из фазных проводов ВЛ электропередачи которой расщеплен на n составляющих [Александров Г.Н. и др. Проектирование линий электропередачи сверхвысокого напряжения. Л., Энергоатомиздат, 1983]. Благодаря расщеплению достигнуты сверхвысокие значения рабочего напряжения, дальности, натуральной мощности и пропускной способности ВЛ электропередачи как коридора проводов непрерывно работающего транспорта электрической энергии.

Но соединение n составляющих провода друг с другом металлическими дистанционными распорками привело к увеличению местной потери kWh/км ВЛ на корону, ухудшению экологии и к отсутствию защиты от налипающего (образующегося) гололеда.

Также известна высоковольтная сеть, в которой эти недостатки уменьшены [патент RU №2393605]. Эта сеть выбрана в качестве прототипа. Сущность прототипа состоит в следующем:

- высоковольтная сеть, каждый из трех фазных проводов ВЛ электропередачи которой расщеплен на n составляющих, которые в пределах гололедной длины L_Г=L₀N отделены друг от друга изолирующими дистанционными распорками, но по границам участков L₀ соединены параллельно, и N раз секционированы подвесным продольным реактором (ПР) со стальным сердечником и токовыми катушками, первая из которых последовательно соединена с проводом и закорочена нормально включенным выключателем, другие катушки - между первой и группой n/2 составляющих, а цепь электропривода выключателя нормально разомкнута датчиком гололеда;

- способ защиты от гололеда каждого из N участков L₀ расщепленного провода ВЛ электропередачи, заключающийся в том, что после срабатывания датчика гололеда отключают закорачивающий первую катушку ПР выключатель.

Прогрессивность прототипа основывается на следующем. Ввод в расщепленный провод вместо металлической изолирующей дистанционной распорки и токовых катушек ПР сразу же уменьшит, даже в спокойную погоду (без гололеда), частоту и амплитуду местной потери kWh/km ВЛ на корону. При этом реактанс ПР лишь помогает индуктивному сопротивлению группы n/2 составляющих сдвигать по фазе силу тока штатной нагрузки в сторону увеличения его амплитуды, при которой возможна плавка налипшего на них льда на достаточно высоком техническом уровне - без вывода ВЛ из работы.

Но при расщеплении провода на n=3, 4, 5 и 8 составляющих, как это имеет место в сети 500-1150 kV, из-за неравенства пространственного положения каждой n составляющей в группе n/2, эффективность применения прототипа падает. Кроме того, одновременная защита от льда всей длины L_Г фазного провода ВЛ ведет к большому набросу мощности плавки на электропередачу.

Эти недостатки устранены следующим образом.

Каждый ПР имеет n стержней в сердечнике и n+1 катушек, а в цепь электропривода выключателя его первой катушки введено реле времени. В секунды отключенного положения выключателя ПР с промышленной частотой магнитно ударяют направленной от оси провода силой ампера F по каждому метру каждой n составляющей каждого участка L₀. Сердечник ПР имеет n/2+1 стержней, на каждом из n/2 которых расположено по две встречно-параллельные между собой и последовательные между первой и каждой n составляющей катушки. Каскадно в каждый момент времени после срабатывания датчика гололеда в каком-то одном, например, в первом, потом во втором, … и в N-м участке L₀ сначала отключают на время t секунд, а потом включают закорачивающий первую катушку ПР выключатель.

На чертеже: фиг.1 - схема подвеса одного фазного расщепленного провода с ПР в его рассечке к опоре ВЛ; фиг.2 и 3 - диаграмма сдвига по фазе на угол ψ и φ, соответственно, тока штатной нагрузки I_Н и силы ампера F в каждой из n составляющих; фиг.4 - электросхема одного участка L₀ расщепленного провода ВЛ; фиг.5 - распределение N комплектов ПР по гололедной длине L_Г провода ВЛ, где: 1 - подвесной ПР, 2 - n составляющая провода, 3 - изолирующая дистанционная распорка, 4 - датчик гололеда, 5 и 6 - стальной сердечник с n и n/2+1 стержнями, 7 и 8 - первая и n-я токовая катушка, 9 - закорачивающий выключатель, 10 - электропривод выключателя, 11 - бортовой аккумулятор и 12 - реле времени.

Работа изобретения основана на взаимном притяжении и отталкивании n составляющих 2 друг от друга (см. фиг.3) из соотношений:

ψ=arctg(X+L₀·X_0B)/L₀·r_0B,

φ=2π/n,

F=-µ₀·(I_Н)²·(tg²ψ-1)·t²/2π·a-n-L_P,

Q=(I_Н)²·X·10^-3,

x_0B=0,1445·lg(a/ρ)+0,0157,

Т=Nt,

где: X - реактанс ПР 1; L₀ и r_0B+jx_0B - длина и удельное активно-индуктивное сопротивление одной составляющей 2; µ₀ - магнитная проницаемость воздуха; n, a и ρ - количество составляющих, шаг расщепления и радиус сечения одной составляющей 2; L_P - длина n составляющей 2 между распорками 3; t - время отключенного состояния выключателя 9 (см. фиг.4); Q - реактивная мощность ПР 1; Т и t - время защиты всей гололедной длины L_Г провода и каждого из его участков L₀.

В прототипе сила F подобна удару «растопыренными пальцами», тогда как по данному изобретению из-за сдвига по фазе на одинаковые углы φ (фиг.3) подобна удару «кулаком».

Кроме того, F соизмерима с массой n составляющей 2, т.е. не опасна для дистанционной распорки 3 и крепления провода к опоре. За время t сила F с промышленной частотой (50 циклов в секунду) гарантированно разрушит сцепление наледи с поверхностью n составляющей и наледь сбросится (под собственным весом непременно спадет на землю).

Работает изобретение так. Из-за налипшего на n составляющую 2 (см. фиг.1) льда автоматически сработает датчик 3 первого из N участков L₀ (см. фиг.4), который замкнет цепь 10 аккумулятора 11 на реле 12. Последнее сначала включит на время t, а затем отключит выключатель 9 первого участка L₀. Во втором… и N-м участках L₀ - их ПР каскадно (через t и… (N-1)t) сделают то же самое. Через время Т=Nt указанная автоматическая (без участия человека) защита от гололеда всех трех фазных проводов ВЛ электрически отключится. При затягивании циклона непогоды операция будет автоматически повторена. Иначе говоря, изобретение электрически защитит провода ВЛ от беды гололеда данным способом (ранее неизвестным) и с ничтожно малой потерей kWh.

Например, имеем для ВЛ-500 kV, подстанция Южная (Волгоград) - подстанция Волгодонская (Ростовская область) с проводами 3·AC-300/66, L=300 км, L_Г=140 км, L₀=5 км, L_P=25 м, n=3, a=0,4 м, ρ=0,012 м, µ₀=4π·10^-7 kG·m/A²s², r_0B+jx_0B=0,101+j0,235 Ω/км, I_Н=500 А, X=1 Ω, N=28 компл., ψ=72°30', φ=120°, F=-1,508 kG, Q=250 kVAr, t=10 с, T=140 с=2,33 min.

Аналогично, для ВЛ-750 kV вокруг Москвы с проводами 5·AC-240/39, n=5, a=0,4 м, ρ=0,0108 м, r_0B+jx_0B=0,124+j0,242 Ω/км, Х=1 Ω, I_H=800 А, ψ≈70°, φ=72°, F=-1,49 kG, Q=640 kVAr, t=10 с, Т=140 с=2,33 min.

Мощность ПР Q=250÷640 kVAr не должна вызывать опасения эксплуатационника магистральной сети 500-750 kV, потому что она импульсная, - генерируется автоматически самим током штатной нагрузки I_Н ВЛ в каждом малом участке L₀ расщепленного провода и возникает всего лишь на несколько секунд.

Дополнительные преимущества:

- при затягивании циклона непогоды сбрасывание гололеда силой F может быть автоматически повторено;

- имеем в разы снижение потерь kWh/км на корону ВЛ и улучшение экологической составляющей вдоль трасс ВЛ электропередачи 500-750 kV;

- одноцепная распределительная ВЛ 6-220 kV в гололедном районе также может быть выполнена с расщепленными фазными проводами и указанной автоматической защитой от беды гололеда.

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат - повышение эффективности защиты. Каждый продольный реактор (ПР) имеет n стержней в сердечнике и n+1 катушек, а в цепь электропривода выключателя его первой катушки введено реле времени. Согласно способу после срабатывания датчика гололеда отключают закорачивающий первую катушку ПР выключатель, далее с промышленной частотой магнитно ударяют направленной от оси провода силой ампера по каждому метру каждой n составляющей каждого участка L_0, для чего каскадно в каждый момент времени после срабатывания датчика гололеда в каком-то одном, например, затем во втором, … и в N-м участке L₀ сначала отключают на время t секунд, а потом включают закорачивающий первую катушку ПР выключатель. Сердечник ПР имеет n/2+1 стержней, на каждом из n/2 которых расположено по две встречно-параллельные между собой и последовательные между первой и каждой n составляющей катушки. В результате сдвига по фазе на одинаковые углы сила ампера подобна удару, в итоге гарантированно рушится сцепление наледи с поверхностью провода (n составляющей) и наледь под собственным весом непременно удаляется (спадает) на землю. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Высоковольтная сеть, каждый из трех фазных проводов линии электропередачи которой расщеплен на n составляющих, которые в пределах его гололедной длины L_Г=L₀N отделены друг от друга изолирующими дистанционными распорками, но по границам участков L₀ соединены параллельно, и N раз секционированы подвесным ПР (продольный реактор) со стальным сердечником и токовыми катушками, первая из которых последовательно соединена с проводом и закорочена нормально включенным выключателем, другие катушки - между первой и группой n/2 составляющих, а цепь электропривода выключателя нормально разомкнута датчиком гололеда, отличающаяся тем, что каждый ПР имеет n стержней в сердечнике и n+1 катушек, а в цепь электропривода выключателя введено реле времени.

2. Способ защиты от гололеда каждого из N участков расщепленного провода L₀ высоковольтной линии электропередачи, заключающийся в том, что после срабатывания датчика гололеда отключают закорачивающий первую катушку ПР выключатель, отличающийся тем, что с промышленной частотой магнитно ударяют силой Ампера F по каждому метру каждой n составляющей каждого участка L₀, для чего каскадно в каждый момент времени в каком-то одном, потом во втором, … и в N-м участке L₀ сначала отключают на t секунд, а потом включают закорачивающий первую катушку ПР выключатель.

3. Сеть по п.1, отличающаяся тем, что сердечник ПР имеет n/2+1 стержней, на каждом из n/2 которых расположено по две встречно-параллельные между собой и последовательно между первой и каждой n составляющей катушки.