СПОСОБ ПЛАВКИ ГОЛОЛЕДА НА ПРОВОДАХ ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ Российский патент 2015 года по МПК H02G7/16 

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к плавке гололеда на проводах воздушных линий электропередачи (ВЛ) в повторно-кратковременном режиме импульсами постоянного тока, а также импульсами переменного тока в тех случаях, когда активное сопротивление провода ВЛ при 0°C составляет не менее 20% от суммарного индуктивного сопротивления цепи тока, т.е. когда проявляется тепловой спад тока.

Для плавки гололеда на ВЛ, когда ток плавки превышает длительно допустимое значение по условию нагрева проводов, на участках ВЛ, свободных от гололеда, используется плавка большими токами в повторно-кратковременном режиме, характеризуемом чередованием интервалов времени протекания тока (токовые интервалы) с бестоковыми паузами.

Проплавляемую ВЛ подключают к источнику питания на время токового интервала, в течение которого происходит плавление гололедной муфты при температуре поверхности провода, близкой к нулю, и увеличение температуры провода на участке, свободном от гололеда. Допустимое значение максимальной температуры провода в конце токового интервала для проводов марки АС принимается равным 130°C. После токового интервала воздушную линию электропередачи отключают и в бестоковую паузу происходит охлаждение провода до минимальной температуры. Допустимое значение средней температуры провода за период повторяемости (токовый интервал и бестоковая пауза) нормировано. Например, для проводов марки АС нормированное значение средней температуры равно 90°C. Если за рассматриваемый период гололедная муфта не проплавляется, указанный процесс повторяют до полного удаления гололедной муфты, после чего проплавляемую ВЛ отключают от источника питания.

Способы плавки гололеда в повторно-кратковременном режиме различаются методом выбора моментов времени в каждом периоде повторяемости: отключения ВЛ от источника питания и повторного подключения, а также окончательного отключения после полного удаления гололедной муфты.

Известен и широко используется способ плавки гололеда в повторно-кратковременном режиме, по которому моменты времени отключения, подключения и окончательного отключения определяют расчетом длительностей токового интервала, бестоковой паузы и полного времени плавки гололеда. Широкое применение на практике нашел расчет длительностей, рекомендованный в [Методических указаниях по плавке гололеда переменным током / Бургсдорф В.В., Никитина Л.Г., Никонец Л.А., Хрущ П.Р. - Союзтехэнерго, 1983. - 114 с., с. 88-105] и выполняемый для усредненных условий плавки, характерных для конкретных ВЛ.

Недостатком данного способа являются большие неточности в расчете, приводящие к увеличению времени нахождения проплавляемой ВЛ под током и расходу электроэнергии.

Известна уточненная методика расчета указанных длительностей, описанная в книге [Рудакова Р.М., Вавилова И.В., Голубков И.Е. Методы борьбы с гололедом в электрических сетях энергосистем. - Уфа, УГАТУ, 2005, - 187 с., с. 68-86].

Недостаток этого способа - приближенный результат из-за необходимости учета большого числе факторов, в том числе изменения тока в течение токового интервала из-за изменения температуры провода на участках без гололеда, а также вследствие использования фиксированного значения минимальной температуры провода без гололеда, которая рекомендована +10°C.

Известен «Способ плавки гололеда на воздушных линиях электропередачи 6(10) кВ» (RU 2478244, опубл. 27.03.2013), взятый за прототип.

В прототипе создают искусственное короткое замыкание в конце воздушной линии электропередачи, непосредственно контролируют ток провода, температуру воздуха, скорость ветра и косвенно по этим данным рассчитывают температуру провода на участке воздушной линии электропередачи, свободном от гололеда, с использованием тепловой модели провода, а также рассчитывают глубину проплавления гололедной муфты с использованием математической модели проплавления гололеда. После достижения косвенно контролируемой температурой провода максимально допустимого значения воздушную линию электропередачи отключают. Повторное подключение воздушной линии электропередачи выполняют при снижении косвенно контролируемой температуры провода до установленного нижнего мгновенного значения. Процесс продолжают до тех пор, пока косвенно контролируемая глубина проплавления гололедной муфты не станет равной заданной пользователем в начале плавки.

Недостатками прототипа являются: низкая точность расчетных методик, особенно глубины проплавления гололедной муфты, которая имеет разный диаметр и плотность на разных участках воздушной линии электропередачи, что требует введения существенных запасов и увеличения длительности плавки; повторное подключение воздушной линии электропередачи по заданному мгновенному значению температуры провода приводит к снижению тока провода по сравнению с максимально допустимым, создающим среднюю температуру провода за период повторяемости повторно-кратковременного режима, близкую к нормированному значению.

Задачей изобретения является повышение надежности и экономичности работы электроэнергетических систем в условиях гололедно-ветровых ситуаций.

Техническим результатом изобретения является сокращение времени плавки гололеда на проводах воздушной линии электропередачи и снижение расхода электроэнергии.

Задача решается за счет того, что создают искусственное короткое замыкание в конце воздушной линии электропередачи, непосредственно контролируют ток провода и температуру воздуха, а также контролируют температуру провода на участке воздушной линии электропередачи, свободном от гололеда, воздушную линию электропередачи отключают после достижения контролируемой температурой провода максимально допустимого значения, а затем повторно подключают к источнику питания при снижении в бестоковую паузу непосредственно контролируемой температуры провода в момент времени, когда не мгновенное, а среднее значение температуры провода за токовый интервал и бестоковую паузу станет равным нормированному значению, рассчитывают экстраполяцией установившееся значение температуры провода для определения момента времени повторного подключения воздушной линии электропередачи, контролируют ток провода и напряжение источника питания в начале и конце токового интервала, рассчитывают относительную длину гололедной муфты, и, если относительная длина гололедной муфты больше нуля, указанный процесс отключения и подключения воздушной линии электропередачи продолжают до полного удаления гололедной муфты.

Первое развитие изобретения предусматривает контроль тока провода, напряжения источника питания и температуры провода в начале и конце токового интервала во время пробной плавки при отсутствии гололедообразования.

Второе развитие изобретения предусматривает использование в качестве участка воздушной линии электропередачи, свободного от гололеда, установленного на подстанции в цепи источника питания блока проводов, соответствующих проводам всех воздушных линий электропередачи, проплавляемых от этого источника питания.

На фиг. 1 представлены диаграммы тока провода и температуры провода на участке без гололеда.

На фиг. 2 представлен вариант функциональной схемы плавки гололеда переменным током, реализующей предложенный способ. При плавке гололеда постоянным током от управляемого выпрямителя видоизменяется схема коммутации и измерений, но способ остается тем же, что и при плавке гололеда переменным током в повторно-кратковременном режиме.

На фиг. 2 показаны: источник питания схемы плавки гололеда 1, датчики тока 2 в фазах источника питания 1 и одновременно в проводах одной из подключенных к источнику питания проплавляемых ВЛ 3. Подключение ВЛ осуществляется при включенных закорачивающем разъединителе 4, создающем искусственное короткое замыкание в конце воздушной линии электропередачи, и линейном разъединителе 5 трехфазным выключателем 6. В состав коммутируемого блока проводов 1, включенного в цепь источника питания Г входят датчики температуры провода 8 и однополюсные разъединители 9. Для фиксации и обработки информации о параметрах режима плавки гололеда используются: трансформатор напряжения 10, блок напряжения 11, блок тока 12, блок температуры проводов и воздуха 13 (температура воздуха фиксируется как температура отключенного провода блока 7). Блоки 11, 12, 13 подключены к блоку вычислений 14, подающему команды «включить-отключить» на блок управления 15 трехфазным выключателем 6.

Рассмотрим реализацию способа. В конце воздушной линии электропередачи 3 создают искусственное короткое замыкание закорачивающим разъединителем 4, включают линейный разъединитель 5 и подключают воздушную линию электропередачи 3 трехфазным выключателем 6 к источнику питания 1 в момент времени t_вкл1, в источнике питания 1 контролируют напряжение с помощью трансформатора напряжения 10 и блока напряжения 11, ток провода I_пр с помощью датчиков тока 2 и блока тока 12, а на участке, свободном от гололеда, - температуру провода ϑ_пр и температуру воздуха ϑ_в с помощью датчиков температуры провода 8 и блока температуры проводов и воздуха 13. После достижения контролируемой температурой провода максимально допустимого значения ϑ_м.д блок вычислений 14 подает команду «отключить» на блок управления 15 и воздушную линию электропередачи 3 отключают от источника питания 1 трехфазным выключателем 6 в момент времени t_откл1. Рассчитывают экстраполяцией установившееся значение температуры провода ϑ_y1 в блоке вычислений 14. При снижении контролируемой температуры провода в бестоковую паузу до ϑ_min блок вычислений 14 подает команду «включить» на блок управления 15 и трехфазным выключателем 6 воздушную линию электропередачи 3 повторно подключают к источнику питания 1 в момент времени t_вкл2, определяющий окончание первой бестоковой паузы. Температуру ϑ_min рассчитывают в реальном времени в блоке вычислений 14 так, чтобы средняя температура провода ϑ_срд за токовый интервал и последующую бестоковую паузу была равна нормированному значению ϑ_норм. Это является существенным признаком изобретения. Если подключить воздушную линию электропередачи 3 раньше - при $${\vartheta }_{\min }^{\prime }>{\vartheta }_{\min }$$ , то средняя температура провода превысит ϑ_норм, что опасно для провода, если позже - при $${\vartheta }_{\min }^{\prime \prime }<{\vartheta }_{\min }$$ , то бестоковая пауза увеличится, и время плавки возрастет.

Для использования в способе определяется в качестве первого приближения ϑ_min из выражения

$${\vartheta }_{\min }^{\left(1\right)}=2{\vartheta }_{норм}-{\vartheta }_{м.д}$$ ,

с последующим уточнением по формуле (1):

(см. формулу (14) в статье Засыпкин А.С, Засыпкин А.С. Нагрев проводов ВЛ электрическим током при плавке гололеда в повторно-кратковременном режиме / Изв. вузов. Электромеханика. 2014. №4).

Например: для провода АС заданы ϑ_м.д=130°C; ϑ_норм=90°C; измерены ϑ_в=-5°C и значения ϑ_пр в течение токового интервала, по которым рассчитана экстраполяцией установившаяся температура ϑ_y=220°C. В первом приближении $${\vartheta }_{\min }^{\left(1\right)}=2\cdot 90-190={50}^{\circ }C$$ , по формуле (1): ϑ_min=53°C.

При втором импульсе тока от t_вкл2 до t_откл2 температура провода увеличивается от ϑ_min до ϑ_м.д, рассчитывают экстраполяцией в блоке вычислений 14 установившееся значение температуры ϑ_y2 и новое уточнение ϑ_min.

По зафиксированным в начале и конце каждого токового интервала значениям напряжения источника питания 1, тока провода и температуры провода на участке без гололеда рассчитывают изменение активного сопротивления воздушной линии электропередачи 3 в результате нагрева всех участков воздушной линии электропередачи 3 без гололеда, а по нему - относительную длину гололедной муфты. Чем меньше относительная длина гололедной муфты, тем больше снижение тока в известном диапазоне изменения температуры провода из-за нагрева участков без гололеда - теплового спада тока.

Поясним этот существенный признак.

Активное сопротивление участков воздушной линии электропередачи 3 без гололеда при 0°C равно

R_ВЛ.0(1-l_г.м∗), где l_г.м∗ - относительная длина гололедной муфты. Вследствие нагрева этих участков током провода за время токового интервала активное сопротивление увеличивается на ΔR_ВЛ:

где α - температурный коэффициент сопротивления проводов ВЛ.

Фактическая величина ΔR_ВЛ рассчитывается по зафиксированным в начале и конце каждого токового интервала значениям напряжения источника питания и тока провода (при плавке переменным током учитывается сдвиг фаз между ними). Поэтому из (2):

В первом токовом интервале на фиг. 1 ϑ_min=ϑ_в. В последующих токовых интервалах при уменьшении длины гололедной муфты значение l_г.м∗ уменьшается, и при l_г.м∗=0 плавка прекращается.

Первое развитие изобретения заключается в экспериментальном уточнении для каждой воздушной линии электропередачи 3 значения активного сопротивления R_ВЛ.0 в формуле (3) при отсутствии гололедообразования (l_г.м∗=0), например, при проведении «пробной» плавки, которая предусмотрена в Требованиях к организации и осуществлению плавки гололеда на проводах и грозозащитных тросах ЛЭП, ОАО «Системный оператор единой энергетической системы», 2011.

По (3) при l_г.м∗=0:

,

где индекс (пп) означает пробную плавку.

Второе развитие изобретения заключается в использовании в качестве участка воздушной линии электропередачи 3, свободного от гололеда, установленного на подстанции в цепи источника питания коммутируемого блока проводов 7, соответствующих проводам всех воздушных линий электропередачи, проплавляемых от одного источника питания. В состав коммутируемого блока проводов 7, включенного в цепь источника питания 1, входят датчики температуры провода 8 и однополюсные разъединители 9. Освобождение от гололеда коммутируемого блока проводов на территории подстанции осуществляют известными методами (механическими, искусственным подогревом в отключенном состоянии или другими). Создание условий наихудшего охлаждения проводов, возможного на проплавляемых воздушных линиях электропередачи 3, обеспечивается ограждением блока проводов.

Заявленный технический результат изобретения реализуется при плавке гололеда на проводах ВЛ в повторно-кратковременно режиме импульсами постоянного тока, а также импульсами переменного тока в тех случаях, когда активное сопротивление провода ВЛ при 0°C составляет не менее 20% от суммарного индуктивного сопротивления цепи тока, т.е. когда проявляется тепловой спад тока (Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования / Под ред. Б.Н. Неклепаева. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2002. - 152 с., с. 68).

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат - сокращение времени плавки гололеда на проводах воздушной линии электропередачи и снижение расхода электроэнергии. Согласно способу создают искусственное короткое замыкание в конце воздушной линии электропередачи, непосредственно контролируют ток провода и температуру воздуха, а также контролируют температуру провода на участке воздушной линии электропередачи, свободном от гололеда, воздушную линию электропередачи отключают после достижения контролируемой температурой провода максимально допустимого значения. Повторное подключение воздушной линии электропередачи выполняют при снижении в бестоковую паузу непосредственно контролируемой температуры провода в момент времени, когда не мгновенное, а среднее значение температуры провода за токовый интервал и бестоковую паузу станет равным нормированному значению. При этом для определения момента времени повторного подключения воздушной линии электропередачи рассчитывают экстраполяцией установившееся значение температуры провода, а по току провода и напряжению источника питания в начале и конце токового интервала рассчитывают относительную длину гололедной муфты и, если она больше нуля, указанный процесс отключения и подключения воздушной линии электропередачи продолжают до полного удаления гололедной муфты. В качестве участка воздушной линии электропередачи, свободного от гололеда, используют установленный на подстанции в цепи источника питания блок проводов, соответствующих проводам всех воздушных линий электропередачи, проплавляемых от этого источника питания. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ плавки гололеда на проводах воздушной линии электропередачи, заключающийся в том, что создают искусственное короткое замыкание в конце воздушной линии электропередачи, непосредственно контролируют ток провода и температуру воздуха, а также контролируют температуру провода на участке воздушной линии электропередачи, свободном от гололеда, воздушную линию электропередачи отключают после достижения контролируемой температурой провода максимально допустимого значения, а затем повторно подключают к источнику питания, отличающийся тем, что повторное подключение воздушной линии электропередачи выполняют при снижении в бестоковую паузу непосредственно контролируемой температуры провода в момент времени, когда не мгновенное, а среднее значение температуры провода за токовый интервал и бестоковую паузу станет равным нормированному значению, рассчитывают экстраполяцией установившееся значение температуры провода для определения момента времени повторного подключения воздушной линии электропередачи, контролируют ток провода и напряжение источника питания в начале и конце токового интервала, рассчитывают относительную длину гололедной муфты и, если относительная длина гололедной муфты больше нуля, указанный процесс отключения и подключения воздушной линии электропередачи продолжают до полного удаления гололедной муфты.

2. Способ по п. 1, в котором непосредственно контролируют ток провода, напряжение источника питания и температуру провода в начале и конце токового интервала во время пробной плавки при отсутствии гололедообразования.

3. Способ по п. 1, в котором в качестве участка воздушной линии электропередачи, свободном от гололеда, используют установленный на подстанции в цепи источника питания блок проводов, соответствующих проводам всех воздушных линий электропередачи, проплавляемых от этого источника питания.