СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ НАВЕДЁННОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА МЕСТЕ ПРОИЗВОДСТВА РАБОТ НА ОТКЛЮЧЕННОЙ ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ Российский патент 2016 года по МПК H02H5/10 H02H3/00 

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для обеспечения мер безопасности во время выполнения работ на отключенных воздушных линиях электропередачи, на которых наводится дополнительное напряжение от соседних работающих линий.

Заявляемое изобретение относится к приоритетному направлению развития науки и технологий «Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения тепла и электроэнергии» [Алфавитно-предметный указатель к Международной патентной классификации по приоритетным направлениям развития науки и технологий / Ю.Г. Смирнов, Е.В. Скиданова, С.А. Краснов. - М.: ПАТЕНТ, 2008. - С. 97], так как позволяет обеспечить безопасность выполнения ремонтных работ систем транспортировки и распределения электроэнергии.

Наведенным напряжением называется разность потенциалов между каждым фазным проводом отключенной линии и землей, возникающая в результате воздействия переменных электрических, магнитных и электромагнитных полей, создаваемых проводами работающих и расположенных рядом линий или другими электроустановками, находящимися под напряжением.

Правилами устройства электроустановок [Правила устройства электроустановок (ПУЭ), Утверждено Министерством энергетики Российской Федерации, приказ от 8 июля 2002 г. №204, далее просто ПУЭ] при эксплуатации электроустановок определены меры безопасности во время работ на воздушных линиях электропередачи, на которых наводится дополнительное напряжение от соседних работающих линий. Отдельно выделены меры безопасности при работах на таких линиях, когда заземление их в соответствии с общими требованиями правил в месте производства работ не позволяет снизить уровень наводящегося на отключенных проводах потенциала ниже 25 В [ПУЭ, п. 1.7.53].

Наведенное напряжение в каждой фазном проводе отключенной линии можно условно представить в виде суммы двух составляющих: электростатической и электромагнитной.

Электростатическая составляющая обусловлена воздействием электрического поля соседней работающей линии, наличием совместных емкостных связей линий и зависит от конфигурации опор, трассы и уровня напряжения проходящей рядом работающей линии. Электростатическая составляющая наведенного напряжения снижается до безопасного уровня при заземлении ее в точке производства работ.

Электромагнитная составляющая наведенного напряжения обусловлена суммарным влиянием изменяющихся магнитных и электромагнитных полей, создаваемых токами фазных проводов соседних работающих линий и/или других электроустановок. Электромагнитная составляющая является функцией токов нагрузки, протекающих по фазным проводам соседних работающих линий и/или других электроустановок. Это основная причина высокого уровня наведенного напряжения, а также слабой зависимости значения наведенного напряжения, обусловленного электромагнитной составляющей, от того, изолирован фазный провод отключенной линии от земли или заземлен в одном или даже в нескольких местах.

Известен способ уменьшения наведенного напряжения путем заземления проводов фаз отключенной линии на месте производства работ, предписанный ПУЭ, который принят за аналог. Признаком аналога, совпадающим с существенными признаками заявляемого способа, является заземление на месте производства работ всех трех фазных проводов отключенной линии.

Недостатком аналога является то, что заземление проводов фаз отключенной линии на месте производства работ не компенсирует влияние электромагнитной составляющей наведенного напряжения и не всегда позволяет снизить наведенное напряжение до требуемых 25 В, что не обеспечивает безопасности выполнения работ.

Известен «Способ компенсации наведенного напряжения на месте производства работ на отключенной воздушной линии электропередачи» (патент RU 2541508 С1, МПК H02J 3/00 (2006.01) Висящев А.Н., Снопкова Н.Ю., Тигунцев С.Г., опубл. 10.05.2007), принятый за прототип, в котором предварительно определяют суммарную мощность источника наведенного напряжения, формируют автономный источник мощности с возможностью регулирования величины и фазы компенсирующего напряжения, измеряют с помощью вольтметра величину суммарного наведенного напряжения на месте производства работ, подключают между контуром заземления опоры линии и заземляющими проводами регулируемый источник мощности, на котором устанавливают напряжение, равное по величине и находящееся в противофазе к измеренному наведенному напряжению, и контролируют по показаниям вольтметра величину остаточного наведенного напряжения, не превышающую 25 В.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, является формирование автономного источника мощности с возможностью регулирования величины и фазы компенсирующего напряжения и подключение регулируемого источника компенсирующего напряжения к контуру заземления.

Недостатком способа прототипа, во-первых, является то, что он не решает задачу снижения величины наведенного напряжения и защиты работающего на линии персонала. Действительно, на фиг. 1 и в описании к ней видим: «Средняя точка заземляющих проводов 9 через источник мощности 11 соединена с выносным заземлителем 12 и через вольтметр 13 с другим выносным заземлителем 14». Это значит, что в средней точке 9 суммируются наведенные напряжения всех трех фазных проводов. И в эту точку источником мощности 11 будет подаваться в противофазе измеренное вольтметром 13 суммарное наведенное напряжение от всех трех фазных проводов. Тогда ниже средней точки 9 и до заземляющего контура 10 опоры линии будет нулевой потенциал. А выше, где и работают люди, в каждом фазном проводе будет разность между наведенным напряжением в этой фазе и суммарным наведенным напряжением, поданным в противофазе. То есть в каждом фазном проводе будет сумма наведенных напряжений двух других фазных проводов, взятых в противофазе, что совсем не похоже на ноль.

Во-вторых, способ прототипа предназначен для снижения влияния электромагнитной составляющей наведенного напряжения, которая является функцией токов нагрузки, протекающих по фазным проводам соседних работающих линий. Чем больше ток нагрузки, тем больше значение наведенного напряжения. По данным протоколов реальных замеров на воздушных линиях электропередачи 110 кВ наведенное напряжение изменяется от единиц вольт до нескольких десятков вольт [Муссонов Г.П., Снопкова Н.Ю. Результаты исследования наведенных напряжений на воздушных линиях электропередачи Иркутской области. Вестник Ир ГТУ №11(82), 2013. - Иркутск, Ир ГТУ, 2013, с. 293-300, далее Вестник]. Однако в данных табл. 1 для расчета мощности источника прототипа это не так, что обусловлено ошибкой модели прототипа для определения расчетной мощности источника наведенного напряжения. И утверждение «что во всех режимах для рассматриваемого случая (двухцепная линия 220 кВ длиной 200 км) наведенное напряжение превышает нормируемое (25 В) и мало изменяется по величине и углу» неверно.

Модель вообще не нужна, так как для расчета мощности источника наведенного напряжения в прототипе нужно просто сложить наведенные мощности в каждом фазном проводе, вычисленные либо перемножением значения наведенного напряжения на протекающий ток в заземляющем проводе этой фазы, либо делением значения квадрата наведенного напряжения в каждом фазном проводе на сопротивление контура заземления, замер которого предписан нормами ПУЭ.

В-третьих, в данных табл. 1 подозрительно постоянный угол сдвига фаз. Это ошибка модели и отсутствие реальных замеров. На деле угол сдвига фаз наведенного напряжения в каждом фазном проводе определяется углом сдвига фазы токов нагрузки, протекающих по фазным проводам соседних работающих линий. Угол сдвига фазы тока нагрузки может меняться на 180°: от чисто индуктивной до чисто емкостной. Таким образом, необходимо постоянно измерять значение угла сдвига фаз наведенного напряжения в каждом фазном проводе и корректировать значение противофазы источника мощности при компенсации.

Наконец, ошибочно утверждается, что «отсутствует необходимость слежения за величиной остаточного наведенного напряжения». Такая необходимость есть - или ручного (при этом один член ремонтной бригады постоянно должен следить и регулировать), или автоматического, потому что текущее значение наведенного напряжения существенно зависит от величины тока нагрузки, протекающего по фазным проводам соседних работающих линий, более того, это основная причина появления электромагнитной составляющей наведенного напряжения.

Задачей изобретения является создание надежной и простой технологии определения, контроля и управления текущим значением величины наведенного напряжения в каждом фазном проводе отключенной воздушной линии электропередачи. Что позволяет в эксплуатации получить следующие результаты:

- сократить временные затраты на ремонтные работы, так как не потребуется устанавливать и применять дополнительные меры безопасности предписываемые ПУЭ при работах на линиях, когда заземление их не позволяет снизить уровень наводящегося на отключенных проводах потенциала ниже 25 В;

- получить возможность постоянного мониторинга и компенсации до нулевого значения наведенного напряжения на месте производства работ на отключенной воздушной линии электропередачи;

- повысить безопасность работ в электроустановках для обслуживающего и ремонтного персонала.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении надежного снижения текущего значения наведенного напряжения в течение всего периода выполнения ремонтных работ за счет мониторинга и качественного регулирования значения остаточного наведенного напряжения в ремонтируемом фазном проводе, сводя его значение к нулевому уровню.

Техническая сущность способа компенсации наведенного напряжения на месте производства работ на отключенной воздушной линии электропередачи заключается в том, что: соединяют заземляющими проводами фазные провода отключенной линии с контуром заземления опоры линии на месте производства работ, определяют мощность источника наведенного напряжения, формируют автономный источник мощности с возможностью регулирования величины и фазы компенсирующего напряжения, а формирование автономного источника мощности с возможностью регулирования величины и фазы компенсирующего напряжения осуществляют для каждого фазного провода отключенной линии, для чего для каждого фазного провода между контуром заземления опоры линии и соответствующими заземляющими фазными проводами подключают вольтметр, фазометр и автономный источник мощности с возможностью регулирования угла сдвига фазы и величины компенсирующего напряжения, измеряют величины и углы сдвига фазы наведенного напряжения в каждом из фазных проводов отключенной линии, на источниках мощности устанавливают напряжение, равное по величине и находящееся в противофазе к наведенному напряжению, измеренному в каждом соответствующем фазном проводе отключенной линии, а величину остаточного наведенного напряжения в каждом из фазных проводов отключенной линии и значение угла сдвига фазы контролируют и регулируют на основании показаний вольтметров и фазометров, подключенных к каждому из фазных проводов отключенной линии.

Во втором зависимом пункте формулы изобретения раскрыта техническая сущность способа по п. 1 в случае ручного контроля и регулирования. А именно, величину остаточного наведенного напряжения в каждом фазном проводе отключенной линии и значение угла сдвига фазы контролируют и регулируют вручную посредством изменения величины выдаваемого напряжения автономными источниками мощности каждого фазного провода и устройствами инвертирования фазы, подключенными между контуром заземления опоры линии и соответствующими заземляющими фазными проводами.

В третьем зависимом пункте формулы изобретения раскрыта техническая сущность способа по п. 1 в случае автоматического контроля и регулирования. А именно, величину остаточного наведенного напряжения в каждом фазном проводе отключенной линии и значение угла сдвига фазы контролируют и регулируют автоматически посредством измерения текущей величины отклонения остаточного наведенного напряжения от нулевого уровня и выработки соответствующего управляющего воздействия на автономный источник мощности каждого фазного провода для уменьшения и сведения к нулю текущей величины отклонения остаточного наведенного напряжения с одновременным измерением и инвертированием текущего значения фазы.

Отличия от прототипа доказывают новизну технического решения, охарактеризованного в формуле изобретения.

Новый подход позволяет повысить безопасность работ в электроустановках за счет снижения наведенного напряжения на месте производства работ до величин, меньших требуемых по правилам техники безопасности (25 В), что подтверждает соответствие заявляемых технических решений условию патентоспособности «промышленная применимость».

Из уровня техники неизвестны отличительные существенные признаки заявляемого способа, охарактеризованного в формуле изобретения, что подтверждает их соответствие условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется чертежом, где представлена схема двухцепной воздушной линии с заземлением трех фазных проводов отключенной линии в распределительном устройстве и на месте производства работ, с подключением к выносным заземлителям вольтметра, фазометра и регулируемого источника мощности и угла сдвига фазы для каждого фазного провода.

Способ осуществляется следующим образом.

При реализации способа соединяют заземляющими проводами фазные провода отключенной линии с контуром заземления опоры линии в месте производства работ. Устанавливают для каждого фазного провода отключенной линии выносные заземлители с подключенными вольтметрами и фазометрами. Измеряют для каждого фазного провода на месте производства работ с помощью вольтметра величину наведенного напряжения и с помощью фазометра значение фазы наведенного напряжения. Вычисляют мощность источника наведенного напряжения в каждом фазном проводе отключенной линии и формируют автономные источники мощности с возможностью регулирования величины и фазы компенсирующего напряжения каждого фазного провода. Подключают к заземляющим проводам автономные регулируемые источники мощности с напряжением, равным по величине и находящимся в противофазе к наведенному напряжению в данном фазном проводе. Далее в процессе выполнения ремонтных работ постоянно контролируют и регулируют по показаниям вольтметра и фазометра величину и фазу остаточного наведенного напряжения с целью сведения его к нулю.

На чертеже показана воздушная линия 1, включенная между подстанциями 2 и 3, питающимися от систем 4 и 5, и воздушная линия 6, отключенная от подстанций 2 и 3 выключателями 7 и 8, соответственно. Провода фаз отключенной линии 6 заземляющими проводами 9 соединены с заземляющим контуром 10 опоры линии. Кроме того каждый фазный провод отключенной линии 6 с помощью заземляющих проводов 11 через вольтметр 12, фазометр 13 и регулируемый автономный источник мощности и фазы 14 соединен с выносным заземлителем 15. Не имеет значения, к каким заземляющим проводам подключают автономные регулируемые источники мощности: либо к контурам заземления опоры линии, либо к заземляющим проводам выносных заземлителей.

Оценку мощности P регулируемого источника можно вычислить по формуле P=U²/R, где U - величина текущего наведенного напряжения; R - сопротивление контура заземления опоры линии в месте производства работ. Сопротивление контура заземления опоры - нормируемая ПУЭ величина, которая изменяется для разных номинальных напряжений линии. Возьмем минимальную - 10 Ом. Тогда, учитывая, что компенсировать нужно от 25 В и выше, минимальная мощность регулируемого источника равна 25²/10=62,5 Вт. По многолетним данным протоколов реальных замеров на воздушных линиях электропередачи 110 кВ [Вестник] наведенное напряжение не превышало 84 В. Тогда максимальная мощность регулируемого источника равна 84²/10=705,6 Вт. Таким образом, мощности регулируемого источника в один киловатт хватит с избытком, так как сопротивление контура заземления опоры согласно ПУЭ увеличивается с ростом номинального напряжения линии, а для низких номинальных напряжений всегда не менее 10 Ом.

В качестве регулируемого источника мощности и фазы может использоваться автономный бензиновый или дизельный генератор, внутренняя сеть автомобиля, аккумуляторы и т.д., например, с тиристорным управлением выдаваемого напряжения и инвертирования угла сдвига фазы.

При современном уровне развития полупроводниковой и цифровой техники контроль и компенсация величины остаточного наведенного напряжения, а также инвертирование текущего значения угла сдвига фазы может осуществляться в автоматическом режиме. Алгоритм работы автоматического регулирования величины остаточного наведенного напряжения и инвертирования текущего значения угла сдвига фазы приведен на блок-схеме табл. 1. Алгоритм работы, приведенный в табл. 1, является типовой системой управления следящего типа.

Использование: в области электротехники. Технический результат - надежное снижение наведенного напряжения на месте производства работ. Согласно способу соединяют заземляющими проводами фазные провода отключенной линии с контуром заземления опоры линии в месте производства работ, измеряют на месте производства работ с помощью вольтметра величину наведенного напряжения и с помощью фазометра значение фазы наведенного напряжения, определяют мощность источника наведенного напряжения, формируют для каждого фазного провода автономный источник мощности с возможностью регулирования величины и фазы компенсирующего напряжения, подключают между контуром заземления опоры и заземляющими проводами регулируемые источники мощности с напряжением, равным по величине и находящимся в противофазе к наведенному напряжению в данном фазном проводе, контролируют и регулируют по показаниям вольтметра и фазометра величину и фазу остаточного наведенного напряжения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ компенсации наведенного напряжения на месте производства работ на отключенной воздушной линии электропередачи, в котором соединяют заземляющими проводами фазные провода отключенной линии с контуром заземления опоры линии на месте производства работ, определяют мощность источника наведенного напряжения, формируют автономный источник мощности с возможностью регулирования величины и фазы компенсирующего напряжения, отличающийся тем, что формирование автономного источника мощности с возможностью регулирования величины и фазы компенсирующего напряжения осуществляют для каждого фазного провода отключенной линии, для чего для каждого фазного провода между контуром заземления опоры линии и соответствующими заземляющими фазными проводами подключают вольтметр, фазометр и автономный источник мощности с возможностью регулирования угла сдвига фазы и величины компенсирующего напряжения, измеряют величины и углы сдвига фазы наведенного напряжения в каждом фазном проводе отключенной линии, на автономных источниках мощности каждого фазного провода устанавливают напряжение, равное по величине и находящееся в противофазе к наведенному напряжению, измеренному в каждом соответствующем фазном проводе отключенной линии, а величину остаточного наведенного напряжения в каждом фазном проводе отключенной линии и значение угла сдвига фазы контролируют и регулируют на основании показаний вольтметров и фазометров, подключенных к каждому фазному проводу отключенной линии.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величину остаточного наведенного напряжения в каждом фазном проводе отключенной линии и значение угла сдвига фазы контролируют и регулируют вручную посредством изменения величины выдаваемого напряжения автономными источниками мощности каждого фазного провода и устройствами инвертирования фазы, подключенными между контуром заземления опоры линии и соответствующими заземляющими фазными проводами.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величину остаточного наведенного напряжения в каждом фазном проводе отключенной линии и значение угла сдвига фазы контролируют и регулируют автоматически посредством измерения текущей величины отклонения остаточного наведенного напряжения от нулевого уровня и выработки соответствующего управляющего воздействия на автономный источник мощности каждого фазного провода для уменьшения и сведения к нулю текущей величины отклонения остаточного наведенного напряжения с одновременным измерением и инвертированием текущего значения фазы.