CC BY
99
УДК 621.311.019.3
Д.С. Левин, А.В. Карнаух, Д.А. Вырыханов, Г.Г.Угаров ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГРОЗОЗАЩИТНОГО ТРОСА В КАЧЕСТВЕ РЕЗЕРВНОЙ ФАЗЫ НА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
Использование грозозащитного троса, как резервной фазы, на воздушных линиях электропередачи позволит производить плавку отложений, не отключая линию, и дает возможность сохранения электроснабжения потребителя. В программе Matlab (Simulink) разработана электродинамическая модель и проанализированы параметры энергосистемы, при использовании грозозащитного троса в качестве резервной фазы.
Резервная фаза, грозозащитный трос, четвертый провод, гололедно-изморозевые отложения, воздушная линия электропередачи
D.S. Levin, A.V. Karnauh, D.A. Virihanov, G.G. Ugarov USING OF A HAWSER, AS RESERVE PHASE, ON OVERHEAD TRANSMISSION LINES
Using of a ground wire, as reserve phase, to phase fuse of glaze-wind depositions on overhead transmission lines allowing performing the fuse of the depositions not disconnecting line gave an opportunity of saving power consumers supply. In program Matlab (Simulink) was developed electrodynamics simulation model of overhead transmission lines and was analyzed parameters of power system, when we use of the hawser, as reserve phase.
Reserve phase, ground wire, fourth wire, glaze-wind depositions, overhead transmission line
Надежная работа ВЛЭП существенно определяет надежность работы всей энергосистемы, т.к. доля всех отказов ВЛ в отказах оборудования энергетических систем составляет 35 - 50%. Обычно достижение необходимого уровня надежности осуществляется за счет резервирования элементов объекта.
При этом более 50% всех повреждений ВЛ и, соответственно, более 60% продолжительности всех аварийных отключений, происходит в результате метеорологических воздействий в виде аварийно-опасных гололедно-ветровых нагрузок, охватывающих большие территории и приводящие к обрывам проводов и грозозащитных тросов, поломке арматуры, опор из-за чего происходит снижение надежности электроснабжения, несущее зачастую большой материальный ущерб. Так, толщина гололёда на высоковольтных линиях электропередач может достигать 60-70 мм, существенно утяжеляя провода. Например, провод марки АС-185/43 диаметром 19,6 мм километровой длины, имеющий массу 846 кг, при толщине гололёда 20 мм увеличивает её в 3,7 раза, при толщине 40 мм - в 9 раз, при толщине 60 мм - в 17 раз. При этом общая масса линии электропередачи из семи проводов километровой длины возрастает 76
соответственно до 25, 60 и 115 тонн, что в большой вероятности приводит к обрыву проводов и поломке металлических опор [1].
Длительность действия гололедно-ветровых нагрузок составляет 0,03 - 0,5% от полного срока эксплуатации ВЛ, поэтому активное воздействие на гололедно-изморозевые отложения на проводах и грозозащитных тросах ВЛ плавкой их переменным или постоянным током, позволяющей избавиться от отложений на десятках километров линии, является наиболее эффективным средством. Временные затраты в среднем на плавку составляют от 0,5 до 1 часа на провод.
Наиболее простой и удобный способ плавки отложений - метод короткого замыкания, но при этом, как правило, приходится отключать всю линию, нарушая надежность электроснабжения. Применение резервной фазы позволит производить пофазную плавку, не отключая линию, сохранив электроснабжение потребителя.
В качестве резервной фазы предполагается рассмотрение грозозащитного троса с обеспечением необходимого уровня его изоляции, причем в грозовой сезон трос используется по своему основному функциональному назначению - для защиты ВЛ от поражений молнией, а при однофазных повреждениях, пофазном ремонте, пофазной плавке гололедно-изморозевых отложений используется как резервный провод для передачи электроэнергии. К тому же даже при двухфазных повреждениях остается возможность, хоть и частично, сохранить электроснабжение потребителя переведением линии в неполнофазный режим работы. Возможность такого решения представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема использования грозотроса в качестве резервной фазы:
Еип - ЭДС источника плавки отложений; 081-0вп - заземляющий разъединитель; 01-08.3 - выключатель; РУ1-РУп - разрядник; П1-П3 - фазный провод
Pi Section Line С
Рис. 2. Электродинамическая модель линии электропередачи
Для анализа влияния грозотроса как фазного провода на параметры режима работы ВЛ было проведено исследование, в процессе которого использовался программный пакет для компьютерного моделирования Matlab и сопутствующая ей программа Simulink со входящей в нее библиотекой SimPowerSystems.
На начальном этапе в пакете Matlab разработана математическая модель воздушной линии электропередачи и в программе Simulink смоделирована электродинамическая модель, представленная на рис. 2. Принципиальная схема модели в Simulink состоит из следующих блоков: 1) блок 3-Phase Source моделирует трехфазнвш источник напряжения; 2) блок Three-Phase V-I Measurement выполняет измерение токов и напряжений в трехфазных цепях; 3) окно блока Scope отображает графики сигналов; 4) блок PI Section Line моделирует однофазную линию электропередачи с сосредоточенными параметрами; 5) блок 3-Phase Parallel RLC Load моделирует
трехфазную цепь, состоящую из трех параллельных RLC-нагрузок.
В качестве грозозащитные тросов на линиях 110 кВ применяются стальные канаты сечением 50 мм2. Следует заметить, что у стали значительно более высокое электрическое сопротивление по сравнению с алюминием, зависящее от величины тока, протекающего по проводу. Поэтому передача больших мощностей на значительные расстояния затруднена вследствие больших потерь напряжения и электроэнергии. Кроме этого, вследствие различных параметров троса и фазных проводов и неучастия троса в общей транспозиции падения напряжениий в фазах оказываются различными, что приводит к появлению несимметрии напряжений по обратной последовательности - k2, увеличивающейся с увеличением передаваемой мощности и приводящей к ее снижению. Несимметрия напряжений вызывает появление токов обратной последовательности, создающих дополнительные потери мощности в линии.
При вычислениях для определения активных и реактивных сопротивлений грозозащитного троса использовались экспериментальные данные, взятые из [2, табл. П1.8]. Среднегеометрическое расстояние между проводами принято 4,5 м, напряжение прямой последовательности U = 1,05ином, коэффициент мощности cos ф = 0,9, протяженность линии 50 км. Сечения фазных проводов, используемые на ВЛ 110 кВ, и их пропускная способность приведены в таблице.
Сечения фазных проводов и их пропускная способность
Сечение (алюминий/ сталь), мм2 7G/11 95/16 12G/19 15G/24 185/29
Допустимо длительная мощность, МВт 47,6 59,3 68,7 8G,9 92,6
Вычисления, проведенные при замене тросом фазного провода линии для каждой марки провода, представлены в виде графиков, изображенных на рис. 3 - 5, показывающих зависимости коэффициента несимметрии напряжения к2, потери мощности ёР и напряжения прямой последовательности и от величины передаваемой мощности.
Так как величина несимметрии напряжений не должна превышать 2%, то для реализации предложенного решения необходимо симметрирование напряжения при увеличении передаваемой мощности свыше 8 МВт (исходя из анализа графиков), т.е. предусмотреть симметрирующие устройства и устройства компенсации реактивной мощности, вследствие большой посадки напряжения. К тому же необходимы устройства выбора и переключения фазы на грозотрос и изменения в конструкции ВЛ для увеличения изоляции троса.
Рис. 3. Коэффициент несимметрии по обратной последовательности
Передаваемая мощность - Р, МВт
Рис. 4. Величина потери активной мощности
Рис. 5. Напряжение прямой последовательности
Соответственно потребуются финансовые затраты на реализацию этих мероприятий. При этом из-за недостаточной пропускной способности межсистемных и системообразующих электрических сетей в ряде регионов России данное предложение может обеспечить снижение ущерба от перерывов электроснабжения потребителей в сложившейся на сегодняшний день ситуации. Учитывая, что основной вид повреждения в электрических сетях - это однофазные повреждения (более 80%), возможно и проведение пофазного ремонта ВЛ, также сохраняя электроснабжение, а также при включении на параллельную работу грозотроса с фазным проводом, т. е. расщепление провода одной из фаз на две изолированные полуфазы, достигается возможность увеличения пропускной способности ВЛ.
Таким образом, сущность предлагаемого к рассмотрению подхода заключается в том, что с целью сохранения бесперебойности электроснабжения потребителя во время аварийно-опасных гололедно-ветровых нагрузок предлагается применение грозотроса в качестве резервной фазы, что позволит производить пофазную плавку, не отключая линию электропередачи, сохранив электроснабжение потребителя. Если использование грозотроса в качестве резервной фазы будет неэффективным, то возможно использование вместо него обычного фазного провода, одновременно выполняющего функции грозотроса.
Если производится строительство линии, то целесообразнее резервную фазу выполнить четвертым проводом или одну из фаз использовать как фазу со сдвоенным проводом, общее сечение которых приблизительно равно сечению одиночного провода, а если модернизация, то - использование грозотроса, как резервной фазы.
По оценкам среднемноголетних потерь в сельском хозяйстве, а также в непрерывных производствах обрабатывающей промышленности, ущерб от недопоставки электроэнергии в 25-30 раз превышает стоимость недопоставленного количества энергии [3], а стоимость электроэнергии в европейской части России, исходя из единых тарифов по передаче электроэнергии, составляет в среднем 800 руб./МВт*ч, то при отключении одной линии, при ее загруженности 30 МВт ущерб, по приблизительным подсчетам, может доходить до 600 тыс. руб. Учитывая, что за сезон приходится проводить десятки плавок, использование резервной фазы может быть вполне экономически оправданно.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каганов В. А. Как расплавить лед на проводах / В.А. Каганов // Наука и жизнь. 2008. №8. С.116-118.
2. Герасименко А. А. Передача и распределение электрической энергии / А. А. Г ерасименко, В.Т. Федин. Красноярск: Издательские проекты, 2006. 720 с.
3. Безруких П.П. Роль возобновляемой энергетики в энергосбережении в мире и в России / П.П. Безруких // Электрика. 2004. №4. С.3-5.
Левин Дмитрий Сергеевич -аспирант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета
Карнаух Алексей Владимирович -соискатель кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета
Вырыханов Денис Александрович -кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета
Угаров Геннадий Григорьевич -доктор технических наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета
Статья поступила в редакцию 08.11.10, принята к опубликованию 22.11.10
