Дьяков Л.Ф., Засыпкин А.С., Левченко И.И.
Предотвращение и ликвидация гололедных аварий в электрических сетях энергосистем
На основе системного подхода рассмотрены условия гололедообразования на воздушных линиях электропередачи и современные технические решения по его предотвращению и ликвидации. Приведены схемы плавки гололеда, методики и примеры расчета рабочих и аварийных режимов установок плавки гололеда, предложения авторов по диагностике гололедообразования, телеизмерению гололедных нагрузок, управлению плавкой гололеда, релейной защите и определению места повреждения воздушных линий и установок плавки гололеда постоянным током.
Монография предназначена для работников энергообъединений, участвующих в предотвращении и ликвидации гололедных аварий, может быть использована в вузах с электроэнергетическими специальностями, а также в учебных комбинатах и центрах подготовки кадров энергосистем.
Принятые сокращения
АВР - автоматический ввод резерва
АПВ - автоматическое повторное включение
АСУ - автоматизированная система управления
АТ - автотрансформатор
БДХ - блок декодирования и хранения информации
БИИГ - блок измерения интенсивности гололедообразования
БИТ - блок измерения температуры
БУ — блок управления
ВДТ — вольтодобавочный трансформатор
В Л - воздушная линия
ВМ - выпрямительный мост
ВУ - выпрямительная установка
ВФ - внешние факторы
ГВС - гололедно-ветровая ситуация
ГНЧ - генератор низкой частоты
ГСЧ - генератор стабильной частоты
ДГН — датчик гололедной нагрузки
ДИГ - датчик интенсивности гололедообразования
ДО — датчик осадков
ДТ - датчик температуры
ЗМТ - защита минимального тока
ИО - измерительный орган
ИПФ - избиратель поврежденной фазы
К - компаратор
КЗ - короткое замыкание
КЗЗ - замыкание на землю при одновременном междуполюсном КЗ
КНС - критерий надежности системы
КСМ - комплексная система мероприятий
КУ - компенсационное устройство
КЭС - критерий эффективности системы
ЛБ — логический блок
ЛПр — линейный преобразователь
МТЗ - максимальная токовая защита
МТЗП - МТЗ по переменной составляющей фазного тока
МТП - магнитотранзисторный преобразователь
ПК - неисправность канал
НЧ — низкая частота
ОТ - обратный ток
ПБВ - переключение без возбуждения
ПДНП — поперечный дифференциальный нулевой последовательности
ПДПТ -поперечный дифференциальной по постоянному току
ПК - пункт контроля
ПΠ - пробой плеча
ППр — приемный преобразователь
ПР - пьезоэлектрический резонатор
ПРД - пьезорезонансный датчик
ПС - подстанция
Р - реактор
РЗ - релейная защита
РЗА - релейная защита и автоматика
РЗЗ - релейная защита от замыканий на землю
РКЗЗ - релейная защита от коротких замыканий на землю
РО - реагирующий орган
РПН - регулирование под напряжением
РЧ - реле частоты
СИ — счетчик импульсов
СОФ - системообразующие факторы
СПН — стабилизатор постоянного напряжения
СПП — силовой полупроводниковый прибор
СС — схема сравнения
СТГН — система телеизмерения гололедных нагрузок
СУ — схема управления
ТВСМ — температура верхних слоев масла
ТИ — тактовые импульсы
ТМ - телемеханика
ТН — трансформатор напряжения
ТННТ - температура наиболее нагретой точки
ТНП - точка нулевого потенциала
ТТ — трансформатор тока
УЗН — устройство заземления нейтрали
УКИ — устройство контроля изоляции
УП - усилитель промежуточный
УПГ - установка плавки гололеда
УПНЧ - усилитель-преобразователь низкой частоты
ФЗ - формирователь задержки
ФНЧ - фильтр низкой частоты
ФОН - формирователь опорного напряжения
ФСН - феррорезонансный стабилизатор напряжения
ФЦ - формирователь цикла
ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь
ШКБ - шунтирующая конденсаторная батарея
ШР - шунтирующий реактор
ЭК — электронный ключ
ЭЦСП - электрический центр схемы плавки
ЭЭС - эргатическая энергосистема
Основные условные обозначения
а - диаметр гололедного отложения (б- большой, м- малый)
Ь - толщина стенки гололедного отложения (н -нормативная) с - удельная теплоемкость (AI- алюминия; ст - стали; г - гололеда)
D - диаметр гололедной муфты
dp - диаметр провода.
Е — ЭДС (л - линейная; Э - эквивалентная; m - амплитуда фазной ЭДС) е — мгновенное значение ЭДС (А, В, С - в соответствующей фазе)
F — функциональная зависимость
f — частота (нч — низкой частоты, с - сети)
h — высота (с -угловая Солнца; о - обмотки трансформатора)
I — ТОК (пл - плавки; ф - фазный; d - выпрямленный; per -в регулировочной обмотке вольтодобавочного трансформатора; dN - в нейтрали трансформатора; мд - максимально допустимый; А, В, С - в соответствующей фазе; б - базисный; (1) - первой гармоники; (п) - п-й гармоники; в - вентиля; к - трехфазного КЗ на вводах выпрямительной установки; п - периодический; а - апериодический; откл. ном - отключаемый номинальный; с.з - срабатывания защиты; с.р - срабатывания реле; р - в реле; доп - допустимый) i — мгновенное значение тока (в - вентиля; А, В, С - в соответствующей фазе)
к - коэффициент (h - изменения массы гололедных отложений с высотой; d - зависимости массы гололедных отложений от диаметра провода; bh - изменения толщины стенки гололедного осадка с высотой; bd - зависимости толщины стенки гололедного осадка от диаметра провода; ВДТ - трансформации вольтодобавочного трансформатора; ψ - зависимости коэффициента теплоотдачи от угла атаки ветра; Н - учета влияния высоты прокладки трассы пинии на теплоту солнечного излучения, сх - схемы; нр - неравномерности; з - запаса; н - надежности; нб - небаланса; у - ударный)
I — длина (ВЛ — воздушной линии; к - до места замыкания)
m — масса в 1 метре провода (А1 - алюминия; ст - стали)
mпр - количество проводов в фазе
N — количество импульсов (макс - максимальное; п - подготовительное)
Прг - коэффициент трансформации трансформатора тока
Р — гололедная нагрузка (доп - допустимая; макс - максимальная)
R — активное сопротивление (з - заземления; уд.з - удельное земли; d - контура плавки постоянному току; — контура плавки, приведенное к стороне переменного напряжения; уд.пр - удельное провода; 20 -удельное провода при 20 ‘С; 0 - удельное провода при 0 TV 2 - удельное провода при 2 Τ’, мд - удельное провода при максимально допустимой температуре провода; А, В, С - соответствующей фазы; с - системы; пр - провода; т трансформатора; Э- эквивалентное; N - нейтрали трансформатора; р - реле; f - петли короткого замыкания на частоте f; вх - входное; из - изоляции)
R - тепловое сопротивление (ТО - внутреннее гололедной муфты, T1 - внешнее гололедной муфты; t - переходное вентиля)
S - сечение магнитопровода
S - полная мощность плавки
ткм - время комплексных мероприятий по предотвращению гололедообразования
t — время (кр - критическое время между обнаружением гололеда на ВЛ и появлением первых повреждении на ней;
реш принятия решения о плавке гололеда;
сб - подготовки схем плавки гололеда;
пл - плавки гололеда;
разб - разборки схемы плавки;
пр - проверки схемы плавки,
в.в - включения ВЛ после плавки;
в.откл - отключения выключателя; КЗ - короткого замыкания;
РЗ- срабатывания релейной защиты;
пер - передачи)
∆t - промежуток времени.
U — напряжение (л — линейное; d - выпрямленное; dBM - номинальное выпрямительного моста; в - на вентиле; б - базисное; d(n) - действующее п-й гармоники; вх - входное; вых - выходное)
u— мгновенное значение напряжения (d - выпрямленное)
V — скорость роста гололедных отложений (Р - по весу; а -по диаметру) w — число витков обмотки
Wc — теплота солнечного излучения
X — реактивное сопротивление (0уд - удельное нулевой последовательности; к - короткого замыкания; у - контура коммутации выпрямительного преобразователя; шр - шунтирующего реактора; р - реактора; с - системы; т - трансформатора; ВДТ - вольтодобавочного трансформатора; BD - внутренней обмотки трансформатора в воздухе; f - петли короткого замыкания на частоте J)
Z — полное сопротивление (с - системы; 0 -линии, провода которой собраны в «змейку»; б - базисное; f - петли короткого замыкания на частоте J) а - коэффициент теплоотдачи (к - при конвективном теплообмене; л - при лучистом теплообмене)
ан - вынужденный угол отпирания вентилей
β - температурный коэффициент сопротивления
у - угол коммутации вентилей
λ - коэффициент теплопроводности
р — ПЛОТНОСТЬ (г - гололедно-изморозевых отложений; в - воды)
σ — механические напряжение (доп - допустимое; макс - максимальное)
τ - постоянная времени
ϑ — температура (в - воздуха; pnt - р-п перехода силового полупроводникового прибора; м - масла трансформатора; о - обмотки трансформатора, ннт - наиболее нагретой точки обмотки трансформатора; всм - верхних слоев масла трансформатора)
Θ — превышение температуры (пр - провода над температурой воздуха;
всм - верхних слоев масла трансформатора над температурой воздуха, ннт м - наиболее нагретой точки обмотки трансформатора над температурой верхних слоев масла)
Θ - текущее время в градусах или радианах основной частоты переменного напряжения
Примечание: в скобках приведено обозначение индексов
ψ — угол (в - атаки ветра; с - наклона солнечных лучей; л - линии по отношению к меридиану)
ПРЕДИСЛОВИЕ
Несмотря на многолетние усилия электроэнергетиков гололедные аварии в электрических сетях многих энергосистем по-прежнему относятся к наиболее тяжелым и периодически дезорганизуют электроснабжение регионов. Вызываются они природными явлениями - отложениями гололеда, изморози, мокрого снега на проводах и тросах воздушных линий (ВЛ) электропередачи в сочетании с ветровыми нагрузками, т е. так называемой «гололедно-ветровой ситуацией» (ГВС). Однако, кроме ГВС, на вероятность возникновения аварии существенное влияние оказывают десятки других внешних факторов (ошибки и недостатки проектирования, неудовлетворительное состояние ВЛ, отсутствие достоверной информации о начале и ходе гололедообразования, неэффективное использование установок плавки гололеда, плохая подготовка персонала и т.д.).
Различным аспектам повышения надежности электрических сетей при ГВС посвящены проводившиеся в течение многих лет исследования ВНИИЭ, ОРГРЭС, Энергосетьпроекта, таких институтов, как Львовского, Киевского, Новочеркасского политехнических, Уфимского авиационного, других организаций и энергосистем, опубликованы монографии, выпущены директивные материалы. В 80-х годах одним из авторов на основе системного подхода сформулирован примерный состав комплексной системы мероприятий (КСМ) по предотвращению и ликвидации гололедных аварий. Началось внедрение КСМ. Однако опыт, накопленный в последующие годы, новые технические решения позволяют расширить и конкретизировать, в частности, технические мероприятия по предотвращению гололедных аварий.
Вопросам совершенствования технических мероприятий по предотвращению гололедных аварий уделено особое внимание в книге. Основным техническим мероприятием является в настоящее время плавка гололеда переменным или постоянным током. При разработке и проектировании установок плавки гололеда (УПГ) специалистам приходится решать следующие задачи:
- выбор схемы УПГ и схемы плавки гололеда;
- расчет рабочих и аварийных режимов;
- выбор и расчет устройств релейной защиты УПГ;
- выбор устройств диагностики гололедообразования и телеизмерения гололедных нагрузок для управления плавкой гололеда.
В главах 3+7 приведены современные технические решения указанных задач, примеры расчетов, принципиальные схемы. Основой выбора параметров технических решений являются математические модели электрических и электротепловых процессов в схемах плавки гололеда (гл.4). Модели реализованы на ПЭВМ в комплексе программ «ГОЛОЛЕД».
Авторы сочли полезным, кроме этого, включить в книгу общие сведения о метеоусловиях при гололедообразовании (гл I) и повторить основные положения системного подхода к предотвращению и ликвидации гололедных аварий (гл.2).
Не включены в книгу технические мероприятия, разработка которых не завершена и продолжается под руководством авторов. К ним относятся: создание дешевых и надежных покрытий проводов, использование коронного разряда и механических вибраций для предотвращения гололедообразования и др.
Большие перспективы имеет применение в схемах УПГ управляемых выпрямителей, что позволит: устранить главный недостаток неуправляемых ВМ - невозможность плавного регулирования выпрямленного тока плавки, включения и выключения УПГ; повысить эффективность функционирования РЗ и отключения поврежденной УПГ; использовать преобразователь УПГ в составе управляемого источника реактивной мощности.
Авторы выражают признательность А.А. Аллилуеву, Е.И. Сацуку, а также рецензентам В.А. Строеву и В.В Платонову за помощь в подготовке книги, полезные замечания и рекомендации, которые способствовали улучшению содержания книги.
Авторы