Предотвращение и ликвидация гололедных аварий - Системы телеизмерения гололедных нагрузок для сетей с изолированной нейтралью

Принцип действия

Электрические сети 6-35 кВ работают в режиме с изолированной нейтралью, поэтому для передачи информации в системе телеизмерения гололедных нагрузок может быть использован фазный провод ВЛ. Наибольшее распространение в сетях с изолированной нейтралью получили СТГН с передачей информации о гололедной нагрузке по схеме «фаза- земля» (рис.7.5) [59, 75-77]. Канал связи «фаза-земля» образован в СТГН измерительными трансформаторами напряжения (ТН) TV1, TV2 и разделительными конденсаторами С1, С2. Трансформаторы TV1, TV2 должны надежно работать при однофазных замыканиях на землю, что обеспечивается применением ТН с номинальным первичным напряжением, равным междуфазному.
Линейный преобразователь в пункте контроля (ПК) осуществляет кодирование, а приемный преобразователь (ППр) - декодирование сигнала датчика гололедной нагрузки. Сигнал с выхода ППр поступает в цепи сигнализации, телемеханики и управления установкой плавки гололеда.
Передача информации в СТГН по каналу «фаза-земля» может выполняться:

1. напряжением постоянного тока;
2. напряжением низкой частоты.

Известные СТГН с передачей информации сигналом постоянного тока различаются способом кодирования и, следовательно, выполнением линейного и приемного преобразователей.

Рис.7.5. Схема системы телеизмерения гололедных нагрузок для ВЛ 6-35 кВ
(7.4)
Напряжение на входе ППр, где U вых — выходное напряжение ЛПр; R 1, R2, Rвх, Rиз — соответственно активное сопротивление первичной обмотки трансформаторов TV1, TV2, входное сопротивление ППр и сопротивление изоляции сети относительно земли. Активное сопротивление проводов сети значительно меньше указанных сопротивлений, поэтому может не учитываться.
В СТГН с контактным ДГН прямого действия, разработанной в Киевском политехническом институте и Ставропольэнерго [59], срабатывание датчика передается сигналом постоянного тока с время-импульсным кодированием. При этом аппаратура ПК питается от вторичной обмотки трансформатора TV2. Недостатками этой системы являются:

1. невозможность непрерывного контроля гололедной нагрузки и, следовательно, интенсивности ее нарастания, что важно при создании региональных информационных систем для контроля за процессом гололедообразования, позволяющих дежурному персоналу определять очередность плавки на различных ВЛ;
2. низкая надежность контактного ДГН, обусловленная отказами контактной системы при эксплуатации в экстремальных зимних условиях, а также неудобство его настройки.

Замена контактного датчика бесконтактным в СТГН, разработанной в «Южэнергосетьпроекте» [75] , обеспечила возможность непрерывного контроля гололедной нагрузки на проводах ВЛ с передачей информации значением напряжения постоянного тока. Питание аппаратуры СТГН в ПК осуществляется от дополнительно устанавливаемого ТН, включенного на междуфазное напряжение. Недостатками такой системы являются:

1. наличие ошибки контроля гололедной нагрузки при включении ТН с заземленной нейтралью в сеть с контролируемой ВЛ, а также при снижении сопротивления изоляции сети из-за неблагоприятных атмосферных условий, когда происходит частичное шунтирование канала передачи «фаза-земля» и, как следствие, уменьшение показаний ППр. Например, как следует из (7.4), при R1= R2 = R, Rвх=10R и снижении сопротивления изоляции до значений Rиз = (l-:-10)R входное напряжение ППр уменьшается на 48-:-8 % соответственно, что вносит существенную погрешность в измеряемую гололедную нагрузку;
2. недостаточная точность СТГН, не позволяющая измерять гололедную нагрузку с точностью до 0,05-0,1 кН, что необходимо для ВЛ 6- 35 кВ;
3. невозможность построения групповой СТГН с несколькими ПК на различных ВЛ, отходящих от шин одной подстанции;
4. необходимость тарирования канала передачи «фаза-земля» на каждой ВЛ при монтаже и последующих проверках системы;
5. применение двухтрансформаторной схемы подключения ЛПр в пункте контроля на ВЛ.

Указанные недостатки отсутствуют в СТГН с передачей информации напряжением низкой частоты, которые могут применяться в составе региональных информационных систем с произвольным количеством ПК на различных ВЛ в разветвленной сети с изменяющейся схемой. Кроме того, этот способ передачи информации не накладывает никаких ограничений на удаленность ПК от пункта приема информации.
В связи с вышеизложенным, при разработке более совершенных и эффективных СТГН для В Л 6-35 кВ было признано целесообразным использование канала «фаза-земля» с передачей информации напряжением низкой частоты.
Принятый принцип действия СТГН для линий 6-35 кВ без их высокочастотной обработки соответствует требованиям массового применения систем и позволяет обеспечить требуемую надежность их работы и точность измерений. Кроме того, такое техническое решение является перспективным по технико-экономическим показателям, так как позволяет в пункте приема использовать уже имеющееся высоковольтное оборудование, например, шинные измерительные ТН, а в пункте контроля гололедной нагрузки применить один ТН как для ввода сигнала в сеть, так и для питания аппаратуры ЛПр и ДГН.

Параметры канала передачи «фаза-земля»

Для изучения особенностей прохождения низкочастотного (НЧ) сигнала по каналу «фаза-земля», рационального выбора емкости разделительных конденсаторов, образующих канал, и рабочего диапазона частот передаваемого НЧ сигнала были проведены лабораторные и экспериментальные исследования в распределительных сетях 10-35 кВ «Ставропольэнерго». Исследования выполнялись при различных схемах коммутации, с различными типами измерительных ТН (НОМ-10,35; НОЛ-10; НТМИ-10; НАМИ-10,35; 3HOM-35) и маломощных однофазных трансформаторов (ОМ-10). Особое внимание уделялось изучению условий возникновения и величинам напряжения помехи в канале передачи, например, при коммутациях в электрической сети или при шунтировании канала передачи измерительными трансформаторами напряжения.
При выборе параметров канала передачи необходимо учитывать, что, с одной стороны, для увеличения скорости передачи информации желательно увеличивать частоту передачи и, следовательно, уменьшать емкость разделительных конденсаторов. С другой стороны, для уменьшения уровня напряжения промышленной частоты на конденсаторах, которое является помехой для аппаратуры ЛПр и ППр, следует увеличивать емкость конденсаторов.
На основании полученных результатов был выбран диапазон рабочих частот: 0,3-0,6 Гц при емкости разделительных конденсаторов 8-10 мкФ. Величина напряжения помехи промышленной частоты на конденсаторах в нормальном режиме составляет при этом около 2В. В таких условиях уверенный прием НЧ сигнала обеспечивается ППр при амплитуде импульсов на выходе ЛПр до 100В, что не влияет на работу измерительных ТН.
В качестве примера приведем результаты испытаний СТГН для ВЛ 10 кВ, выполненных по схеме рис.7.6, а. Сопротивление сети на рассматриваемых низких частотах значительно меньше сопротивления ТН и разделительных конденсаторов, поэтому его можно не учитывать.
Ввод НЧ сигнала в схему осуществляется линейным преобразователем ЛПр с амплитудой выходного напряжения в виде двуполярных прямоугольных импульсов 80 В. На конденсаторе С2, параллельно которому включен ППр с входным сопротивлением RBX = 100 кОм, измерялось максимальное значение напряжения UBX.Maх в установившемся режиме при различных положениях ключей К1-К5, имитирующих возможные варианты шунтирования канала передачи. Следует отметить, что переходные процессы в рассматриваемых цепях протекают быстро и практически заканчиваются к концу первого периода частоты.

Рис.7.6. Схема испытаний СТГН (а) и кривые зависимости от частоты передачи (б):
1 - разомкнуты все ключи; 2 - замкнут К1; 3 - замкнуты К1 и К3;
4- замкнут К2; 5 - замкнуты К2 и К4; 6 - замкнуты К2 и К3; 7 - замкнут К5; ТН1,ТН2.ТН4-НОМ-10; ТН3-НТМИ-10; С1-С4 - 10мкФ; R=10kOm

На рис.7.6,б приведены зависимости Uвх.мах/ Uвых.мах от частоты, характеризующие затухание НЧ сигнала в различных режимах. Как следует из полученных результатов, даже при шунтировании канала передачи двумя ТН или активным сопротивлением R=10 кОм уровень напряжения в пункте приема составляет около 40 — 50% от напряжения на выходе ЛПр (кривые 4-7).
Заземление первичных обмоток ТНЗ и ТН4 через конденсаторы С3 и С4 такой же емкостью, что у конденсаторов Cl, С2, позволяет существенно улучшить прохождение НЧ сигнала (кривые 2 и 3). При fнч <0,5 Гц напряжение Uвх.мах >0,6 Uвых.мах с увеличением частоты (fнч> 0,5 Гц) наблюдается значительное уменьшение напряжения на входе ППр во всех режимах.
Из приведенных результатов следует, что в качестве оптимальной следует выбрать частоту fнч = 0,5 Гц. Величину fнч можно увеличить за счет уменьшения емкости разделительных конденсаторов, однако при этом возрастет уровень напряжения промышленной частоты, что нежелательно.
Испытания системы при внедрении на одной из В Л 10 кВ «Ставропольэнерго» подтвердили правильность выбора параметров канала передачи. Затухание НЧ сигнала было в пределах 50% в режиме шунтирования канала передачи двумя шинными ТН типа 3хНОЛ-10 (при включенном шиносоединительном выключателе). Кроме того, производилось шунтирование канала передачи путем подключения ТН смежных подстанций при включении резервных связей и создании многоконтурной сети. Несмотря на затухание НЧ сигнала, количество импульсов не изменяется и соответствующим выбором параметров канала передачи можно обеспечить их надежный счет и декодирование информации в ППр.
Электрическая сеть (ВЛ, силовые трансформаторы) практически не оказывает влияния на процесс передачи НЧ сигнала, поэтому предварительную настройку и испытание СТГН допустимо выполнять в лабораторных условиях на моделях сети (рис.7.6,а) с использованием только ТН и разделительных конденсаторов. Окончательная настройка системы на оптимальную частоту передачи и выбор уставки срабатывания реагирующего органа ППр должны осуществляться в реальных условиях эксплуатации при монтаже и наладке СТГН, для чего в ЛПр предусматривается возможность регулирования частоты fнч в диапазоне от 0,3 до 1Гц.

Низкочастотный обход и низкочастотный переход.

Способ передачи информации по каналу «фаза-земля» напряжением низкой частоты позволяет организовать пассивный или активный низкочастотный обход нормального разрыва сети (рис.7.7, а и б), например, нормально отключенного выключателя, оборудованного устройством автоматического ввода резерва, и пассивного или активного низкочастотного перехода из сети с изолированной нейтралью одного класса напряжения, например 10 кВ, в другой, например 35 кВ (рис.7.7, в и г).

Рис.7.7. Схемы низкочастотных обхода (а, б) и перехода (в, г)
При выполнении низкочастотного обхода нормально отключенного выключателя Q (рис.7.7,а и б) нулевые выводы первичных обмоток трансформаторов напряжения TV1 и TV2 по обе стороны обхода, заземленные через разделительные конденсаторы С1 и С2, объединяются (пассивный обход, рис.7.7,а) или между ними включается усилитель-преобразователь низкой частоты УПНЧ (активный обход, рис.7.7,б). Разъединители QS1 и QS2 служат для обеспечения безопасной работы персонала.
При выполнении низкочастотного перехода (рис.7.7,в и г) трансформаторы напряжения TV1 и TV2 подключаются к различным системам шин, например, 10 и 35 кВ. Для организации обхода или перехода могут использоваться шинные трансформаторы напряжения. Варианты возможных включений разделительных конденсаторов в схемы шинных ТН рассмотрены ниже в П.7.З.
Применение активного обхода или перехода позволяет:

1. увеличить при необходимости уровень НЧ сигнала;
2. разделить канал «фаза-земля» и осуществить передачу НЧ сигнала до и после обхода (перехода) на отличающихся частотах;
3. производить уплотнение канала с целью сокращения времени передачи информации.

Использование низкочастотных обходов или переходов позволяет передавать информацию по распределительным сетям вплоть до подстанции 110/35 кВ, на которой устанавливается ППр и имеется оперативный дежурный персонал или устройства телемеханики для последующей ее ретрансляции на диспетчерский пункт энергосистемы.
Для иллюстрации влияния низкочастотного обхода на затухание НЧ сигнала приведем результаты испытаний СТГН для ВЛ 10 кВ, выполненных по схеме рис.7.8, а. Параметры ЛПр и ППр такие же, как и на рис.7.6, а. Емкости конденсаторов С2, С3 низкочастотного обхода и конденсаторов Cl, С4 одинаковые. Зависимости Uвх.мах/ Uвыx.мах от частоты приведены на рис.7.8,б.
Потери напряжения при наличии пассивного НЧ обхода, нормальной изоляции сети и отсутствии шунтирующих ТН не превышают 40 % от напряжения на выходе ЛПр (кривая 2), если частота передачи < 0,5 Гц.
Шунтирующее действие ТН приводит к дополнительному снижению напряжения на входе ППр, особенно при частотах f,„ — 0,3 - 0,4 (кривые 3, 4). Однако и в этом случае напряжение на входе ППр Uвх.мах =0,4-:-0,5, 0,5 Гц , т.е. вполне достаточное для его надежной работы. Например, при выборе уставки срабатывания реагирующего органа ППр Ucp=15 В величина коэффициента надежности к= 2.
Как и в предыдущем случае (см. рис.7.6), в качестве оптимальной может быть выбрана частота передачи 0,5 Гц, обеспечивающая приемлемые уровни напряжения на входе ППр и скорость передачи информации.
Проведенные натурные эксперименты в сетях 35 кВ АО «Ставропольэнерго» по изучению условий прохождения НЧ-сигнала при наличии пассивного низкочастотного обхода показали, что потери напряжения на обходе при » 0,5 Гц составляют 30-35% от напряжения ЛПр Uвых.мах. При дополнительном включении на смежных подстанциях шунтирующих шинных ТН типов НАМИ-35 и 3хЗНОМ-35 потери напряжения увеличивались до 50-70% U в зависимости от частоты fнч =0,3-0,5 Гц. Выбором оптимальных параметров канала передачи и в этом случае можно обеспечить надежный прием низкочастотных импульсов приемным преобразователем СТГН.

Рис.7.8. Схема испытаний СТГН (а) и кривые зависимости от частоты передачи (б):
1-замкнут К1; 2 — разомкнуты все ключи; 3 - замкнут К2; 4-замкнут КЗ; ΤΗ1-ΤΉ4 - НОМ-10; ТН5, ТН6 - НТМИ-10; С1-С4-10мкФ
Таким образом, предложенный способ принципиально позволяет осуществить передачу информации по каналу «фаза-земля» при условии оптимального выбора параметров канала передачи.