CC BY
207
!55Ы_1992-6502_(Рпп^_
2015. Т. 19, № 4 (70). С. 59-65
ISSN 2225-2789 (Online) http://journal.ugatu.ac.ru
УДК 621.315.1
Плавка гололеда на воздушных линиях электропередачи
без отключения потребителей
1 2 А. Ю. Елизарьев , А. Р. Валеев
1 [email protected], 2 [email protected]
1 ООО «Башкирские распределительные электрические сети» (Башкирэнерго) 2 ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ)
Поступила в редакцию 3.07.2015
Аннотация. Рассматриваются способы плавки гололеда без отключения потребителей. Предлагается плавка гололеда на параллельных и кольцевых линиях наложением постоянного тока на рабочий переменный ток. Даются рекомендации по модернизации схем для внедрения системы плавки наложением и предлагаются схемы распределительных устройств подстанций. Разрабатывается имитационная модель и проводится имитационное и экспериментальное исследование системы плавки гололеда без отключения потребителей. Показывается, что наложение тока позволяет увеличить ток плавки без изменения режима работы потребителей. Рассчитывается экономический эффект от внедрения системы плавки гололеда наложением постоянного тока на переменный.
Ключевые слова: плавка гололеда; наложение токов; гололед; отключение потребителей.
В последние годы в разных регионах Российской Федерации от Дальнего Востока до Юго-Западных и Северо-западных районов, а также за рубежом произошли многочисленные аварии в электросетях от воздействия ледяных дождей и интенсивных гололедно-ветровых нагрузок на воздушных линиях (ВЛ). [1]
Наиболее эффективное средство предотвращения гололедных аварий - плавка гололеда на проводах и тросах ВЛ. Она позволяет удалить гололед на десятках километров линий в течение 0,5-1 ч, предотвратить опасную перегрузку и ликвидировать пляску проводов. [2]
Для нагрева проводов может использоваться как переменный, так и постоянный ток. Применение переменного тока не требует значительных затрат, поскольку плавка производится непосредственно от существующей сети, но возможно только при относительно небольших длинах обогреваемых линий, требуемых токах плавки и напряжениях. Для мощных линий значительной длины с проводами больших сечений преимущество имеет плавка постоянным током.
Наиболее распространенные в настоящий момент схемы плавки гололеда требуют отключения линии перед проведением плавки. При этом прекращается питание потребителей, что может быть недопустимо для потребителей I категории или по режиму работы сети.
Для обеспечения непрерывности электроснабжения в гололедоопасный период возможно применять режимы плавки гололеда без отключения потребителей: профилактическим током нагрузки, методом наложения переменного тока на ток нагрузки, метод перераспределения нагрузки.
1. РЕЖИМЫ ПЛАВКИ ГОЛОЛЕДА БЕЗ ОТКЛЮЧЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
Наиболее простым способом плавки при обеспечении непрерывности электроснабжения является пропускание по линии электропередачи тока нагрузки, обеспечивающего достаточный нагрев проводов для предотвращения голо-ледообразования, - тока профилактического подогрева.
Плавка гололеда перераспределением нагрузок заключается в том, что токовая нагрузка обогреваемой линии повышается путем перераспределения нагрузки в сети до требуемого (для осуществления плавки) значения. Это достигается:
а) повышением нагрузки станций, передающих энергию через обогреваемую линию;
б) повышением нагрузки подстанций, питаемых по обогреваемой линии путем переключений в сети более низкого напряжения;
в) отключением части линий, в результате чего повышается передаваемая мощность по
обогреваемой линии. Практически с этой целью отключают параллельную с обогреваемой линию или прибегают к разрезанию колец;
г) отключением параллельных проводов в расщепленной фазе.
Методы достижения требуемой нагрузки на обогреваемой линии, как правило, связаны со снижением надежности узла, величина тока зависит от общего режима системы, то есть не определяется однозначно. Поэтому плавка гололеда перераспределением нагрузки не получила широкого распространения [3].
Для плавки гололеда без отключения потребителей могут быть использованы схемы наложения переменного тока, когда на рабочий ток линии накладывается дополнительный ток от другого источника так, чтобы совместное протекание рабочего и дополнительного токов оказалось достаточным для плавки гололеда.
Однако из-за протекания дополнительных токов только в одной фазе появляется несимметрия напряжений, тем большая, чем больше дополнительный ток по отношению к току нагрузки фазы. Из-за наличия несимметрии, а также из-за части дополнительного тока, ответвляющегося в неосновные контура, происходит изменение токов нагрузки в фазах: в не-обогреваемых фазах он увеличивается, а в обогреваемой - уменьшается. Учитывая вышеизложенное, а также то, что схема связана с протеканием токов по земле, и сложность сбора схем плавки наложением, практическое использование подобных схем затруднительно [3].
При параллельных линиях и в кольцевых сетях для наложения тока возможно использовать вольтодобавочные трансформаторы (ВДТ) с соответствующим уровнем изоляции, включая их в рассечку кольцевой сети (рис. 1). ВДТ позволяют регулировать значения продольной и поперечной ЭДС и тем самым обеспечить оптимальный режим плавки.
Пофазная плавка токами наложения может применяться в сетях, работающих с незаземлен-ной нейтралью. При использовании схем с по-фазной плавкой необходимо проверить электромагнитное влияние на каналы связи.
Одним из наиболее интересных методов плавки без отключения потребителей является метод наложения постоянного тока на рабочий ток [1, 4].
Также как и для метода наложения переменного тока, такой метод может быть реализован в сетях с параллельными и кольцевыми линиями (рис. 2).
В этом случае класс напряжения преобразователя также должен быть рассчитан на класс напряжения линии.
В схеме необходимо предусмотреть конденсаторы и реакторы для предотвращения затекания постоянного тока в трансформаторы.
Данная схема плавки гололеда на ВЛ имеет преимущества сравнению с другими схемами плавки гололеда:
1) плавка гололеда осуществляется одновременно на всех параллельных и кольцующих ВЛ, что имеет принципиальное значение при массовых гололедах, ледяных дождях, массированных снего-ветровых явлениях, масштабных «плясках» проводов и т. д.;
2) плавка производится под нагрузкой без отключения потребителей;
Рис. 1. Включение ВДТ в рассечку кольцевой сети
Рис. 2. Схема плавки гололеда наложением постоянного тока
3) значительно повышается оперативность: вместо нескольких плавок проводится одна плавка на нескольких параллельных и кольцующих линиях;
4) уменьшается количество оперативных переключений;
5) значительно расширяются возможности плавок на длинных линиях с применением эффективных вариантов: «провод-2 провода», «6 проводов» и т. д.;
6) проведение плавок возможно в любое время, независимо от режима потребителя;
7) плавки проводятся без использования «земли» в качестве обратного провода, что исключает повышенные требования к электробезопасности по уровням шагового напряжения и напряжения прикосновения, по термической и коррозионной устойчивости контуров заземлений, позволяет снизить мощность источника постоянного тока;
8) устройство способом наложения постоянного тока на переменный рабочий ток нагрузки позволяет повысить надежность работы ВЛ при любых климатических аномалиях: массовых гололедах, снего-ветровых явлениях, ледяных дождях, масштабных «плясках» проводов.
Для проверки режима работы метода наложения постоянного тока на переменный необходимо разработать структурные схемы плавки и провести компьютерное и экспериментальное моделирование установки.
2. СХЕМЫ ПЛАВКИ ГОЛОЛЕДА БЕЗ ОТКЛЮЧЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
Для реализации структурной схемы плавки гололеда необходимо создать путь протекания тока по параллельным либо кольцевым линиям, при этом необходимо изолировать трансформаторы от протекания постоянного тока (рис. 3).
При схеме распределительного устройства понизительной подстанции с обходной системой шин можно организовать протекание постоянного тока по обходной системе шин АО, при этом конденсаторы С устанавливаются в цепи линейных разъединителей QS3, QS4 (рис. 4, а), обходные разъединители QS1, QS2 проплавляемых линий Ж1, Ж2 при этом включены, обходной выключатель QO отключен. После проведения плавки восстанавливается нормальная схема РУ. Конденсаторы необходимо снабдить шунтирующими разъединителями для обеспечения нормального режима работы сети при отсутствии гололеда [5].
На подстанции с установкой плавки необходимо секционировать обходную систему сборных шин для плавки (рис. 4, б).
Разные полюса выпрямительной установки подключаются к разным секциям обходной системы сборных шин. Разъединители обходной системы шин включаются таким образом, что линии, включенные параллельно или в кольцо, подключаются к разным полюсам выпрямительной установки.
Рис. 3. Структурная схема плавки наложением постоянного тока
Рис. 4. Схема распределительного устройства: а - понизительной подстанции; б - питающей подстанции
Реакторы выбираются для каждого места установки индивидуально после расчета токов короткого замыкания и в зависимости от схемы плавки гололеда для ограничения тока.
Устанавливаемые конденсаторы для режима сети представляют собой установки продольной компенсации реактивной мощности и должны выбираться исходя из электрического расчета режима сети.
Токи и время плавки проводов зависят от схемы сети и требуют дополнительного расчета по известным методикам.
3. ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ ПЛАВКИ ГОЛОЛЕДА БЕЗ ОТКЛЮЧЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
3.1. Моделирование схемы плавки наложением постоянного тока в среде МЛТЬЛБ
Моделирование установки плавки гололеда постоянным током без отключения потребителей проводилось по схеме на параллельных линиях (см. рис. 3).
Целью моделирования было исследовать режим работы ЛЭП при одновременном протекании переменного тока нагрузки 1ВЛ и постоянного тока плавки 1ВУ по одной из фаз.
Моделирование проводилось с использованием пакета МЛТЬЛБ БтыНпк. Модель без системы плавки представлена на рис. 5, а. Для плавки гололеда на одной из фаз необходимо добавить на одной из подстанций установку плавки, конденсаторы и реактор для фильтрации постоянного тока и перемычки между линиями на второй подстанции для создания пути протекания постоянного тока (рис. 5, б).
-ВДйВх
:: i }?• ¡1
б
Рис. 5. Модель МЛТЬЛБ: а - без плавки; б - со схемой плавки
Величины токов (действующие значения) в различных точках схемы сведены в табл. 1.
Таблица 1
Фаза Ток I, А
Т1 начало Ж конец Ж Т2
Схема без плавки гололеда
Л 208 104 104,4 208,7
Б 208 104 104,4 208,7
С 208 104 104,4 208,7
Схема плавки гололеда на фазе Л
Л 208,5 503,6 503,7 209
Б 208,5 104,2 104,5 209
С 208,5 104,2 104,5 209
1ву - 492,7 492,7 -
1р 1 пл - 503,6 503,6 -
а
Результирующий ток проплавляемой фазы определяется выражением
1 пл = v1 вл +1 ву • (!)
Из результатов моделирования видно, что в проплавляемой линии результирующий ток увеличивается согласно выражению (1). Благодаря наличию конденсаторов постоянный ток плавки замыкается только по линиям электропередачи и не протекает по другим частям электрической сети. Таким образом, схема плавки наложением постоянного тока на рабочие токи без отключения потребителей обеспечивает требуемый режим работы и может быть реализована в электрических сетях.
3.2. Экспериментальное исследование системы плавки наложением постоянного тока
Моделирование схемы плавки наложением постоянного тока на переменный проводилось на лабораторном стенде по исследованию воздушных линий электропередачи. Лабораторный стенд состоит из моделей двух линий электропередачи, конденсаторов продольной компенсации реактивной мощности, реакторов и нагрузки. Схема электрическая установки приведена на рис. 6.
'вп 'пп 'вл
Рис. 6. Схема экспериментальной установки
В качестве источника постоянного напряжения иВУ использовался независимый регулируемый источник питания, питание установки осуществлялось от лабораторного автотрансформатора ЛАТР. С целью обеспечения безопасного режима работы лабораторного стенда
напряжение питания регулировалось в пределах 220 В, ток - не более 0,5 А.
В табл. 2 приведены результаты экспериментальных исследований и результаты расчетов параметров схемы.
Таблица 2
иг, Сила тока, измеренное/расчетное значение
В /Т, А 1вл, А 1ву, А 1пл, А
иВУ = 0 В
50 0,11/0,1 0,05/0,05 0/0 0,05/0,05
100 0,2/0,2 0,1/0,1 0/0 0,1/0,1
150 0,32/0,31 0,16/0,15 0/0 0,16/0,15
200 0,43/0,41 0,21/0,2 0/0 0,21/0,2
220 0,47/0,45 0,24/0,22 0/0 0,24/0,22
иВУ = 2 В
50 0,1/0,1 0,05/0,05 0,1/0,11 0,11/0,11
100 0,2/0,2 0,1/0,1 0,1/0,11 0,15/0,14
150 0,3/0,31 0,15/0,15 0,1/0,11 0,18/0,18
200 0,43/0,41 0,21/0,2 0,1/0,11 0,22/0,23
220 0,48/0,45 0,24/0,22 0,1/0,11 0,24/0,25
Пву = 4 В
50 0,12/0,1 0,06/0,05 0,2/0,21 0,21/0,21
100 0,2/0,2 0,1/0,1 0,2/0,21 0,22/0,22
150 0,33/0,31 0,16/0,15 0,2/0,21 0,26/0,25
200 0,4/0,41 0,2/0,2 0,2/0,21 0,27/0,29
220 0,45/0,45 0,23/0,22 0,2/0,21 0,3/0,3
Из анализа результатов видно, что расчетные и экспериментальные данные совпадают с погрешностью не более 6%.
Таким образом, исходя из результатов моделирования и экспериментальных исследований, можно сделать вывод, что предлагаемая система плавки гололеда наложением постоянного тока на переменный без отключения потребителей приводит к увеличению тока плавки гололеда без изменения режима работы потребителей и установленного оборудования. Ток плавки 1ПЛ определяется наложением постоянного 1ВУ и переменного 1ВЛ токов, время плавки необходимо рассчитывать исходя из величины гололедных отложений.
Для реализации схемы плавки необходимо внести изменения в схемы распределительных устройств подстанций, все оборудование должно быть рассчитано на работу при наибольшем напряжении.
4. ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ОТ ВНЕДРЕНИЯ ПЛАВКИ МЕТОДОМ НАЛОЖЕНИЯ
Для определения экономического эффекта от внедрения способа плавки гололеда методом наложения токов был произведен расчет упущенной выгоды в двух сценариях:
- сценарий плавки гололеда плановым отключением ВЛ на время плавки;
- сценарий аварийного отключения по причине гололедообразования.
В первом сценарии экономический эффект был принят равным ущербу от недоотпуска электрической энергии для сетевой компании во время плавки гололеда, во втором - сумме затрат при аварийном отключении:
1) на поиск и локализацию места повреждения на линии (затраты на горюче-смазочные материалы, затраты на амортизацию автотранспорта);
2) фонд заработной платы;
3) ущерб от недоотпуска электрической энергии при аварийном отключении.
По результатам произведенных вычислений [6] было установлено, что инвестиционный проект характеризуется следующими экономическими показателями (табл. 3).
Таблица 3
Наименование показателя
Необходимые инвестиции, тыс. руб. Продолжительность инвестиционной фазы, лет Дисконтированный срок окупаемости, лет Чистый дисконтированный доход, руб. Индекс доходности
Значение
910 000
8
6,83
117 362 1,129
Критерий эффективности
6,83 < 8
117362 > 0 1,129 > 1,12
По рассчитанным показателям экономической эффективности проекта (индексу доходности, дисконтированному сроку окупаемости и чистому дисконтированному доходу) проект является эффективным и может быть реализован на предприятии электросетевого комплекса.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработанный метод плавки гололеда наложением постоянного тока на переменный без отключения потребителей является перспективным методом борьбы с гололедом. Метод может быть реализован в электрических сетях с параллельными и кольцевыми линиями электропередачи.
Схема плавки гололеда на ВЛ наложением постоянного тока на переменный имеет преимущества сравнению с другими схемами плавки гололеда:
1) плавка гололеда может осуществляться одновременно на всех параллельных и кольцующих ВЛ, что имеет принципиальное значение при массовых гололедах, ледяных дождях, массированных снего-ветровых явлениях, масштабных «плясках» проводов и т. д.;
2) плавка производится под нагрузкой без отключения потребителей;
3) значительно повышается оперативность: вместо нескольких плавок проводится одна плавка на нескольких параллельных и кольцующих линиях;
4) уменьшается количество оперативных переключений;
5) расширяются возможности плавок на длинных линиях с применением эффективных вариантов: «провод-2 провода», «6 проводов» и др.;
6) проведение плавок возможно в любое время, независимо от режима потребителя;
7) плавки проводятся без использования «земли» в качестве обратного провода, что исключает повышенные требования к электробезопасности по уровням шагового напряжения и напряжения прикосновения, по термической и коррозионной устойчивости контуров заземлений, позволяет снизить мощность источника постоянного тока;
8) устройство способом наложения постоянного тока на переменный рабочий ток нагрузки позволяет повысить надежность работы ВЛ при любых климатических аномалиях: массовых гололедах, снего-ветровых явлениях, ледяных дождях, масштабных «плясках» проводов.
Предлагаемая система плавки гололеда наложением постоянного тока на переменный без отключения потребителей приводит к увеличению тока проводов без изменения режима работы потребителей и установленного оборудования. Величина тока плавки определяется наложением постоянного и переменного токов.
Согласно представленному расчету экономической эффективности предлагаемая к реализации система плавки является эффективным проектом.
Для реализации схемы плавки необходимо внести изменения в схемы распределительных устройств подстанций, в частности: установить дополнительное оборудование, усилить изоляцию оборудования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гузаиров М. Б., Максимов В. А., Валеев А. Р. Совершенствование систем плавок гололеда на высоковольтных ВЛ // Электротехнические комплексы и системы: межвузовский научный сборник. Уфа: УГАТУ, 2014. С. 3034. [ M. B. Guzairov, V. A. Maksimov and A. R. Valeev, "Developing of ice melting systems on high-voltage over-head transmission lines", (in Russian) in Electrotehnicheskie kompleksy i sistemy, Ufa: UGATU, 2005, pp. 30-34. ]
2. Bayramov I. Y., Elizariev A. Y., Valeev A. R. Range of activities by "Bashkirenergo" LLC to improve reliability of overhead power lines during heavy icing // WIT Transactions on Ecology and the Environment. 2014. Т. 190 VOL. 1. С. 591-
598. [ I. Y. Bayramov, A. Y. Elizariev and A. R. Valeev, "Range of activities by "Bashkirenergo" LLC to improve reliability of overhead power lines during heavy icing" in 1st International Conference on Energy Production and Management in the 21st Century: The Quest for Sustainable Energy; Ekateringburg; Russian Federation; 23 April 2014 through 25 April 2014, WIT Transactions on Ecology and the Environment. Volume 190 VOL. 1, 2014, pp. 591-598. ]
3. Рудакова Р. М., Вавилова И. В., Голубков И. Е. Методы борьбы с гололедом в электрических сетях энергосистем. Уфа.: УГАТУ, 2005. 187 с. [ R. M. Rudakova, I. V. Vavilova and I. E. Golubkov, De-icing methods on power systems transmission lines, (in Russian). Ufa: UGATU, 2005. ]
4. Патент на полезную модель № 142755. МПК H02G7/16. Устройство плавки гололеда на ВЛ / В. А. Максимов. Опубл. 10.07.2014; Бюл. № 19. [ V. A. Maksimov. Transmission lines ice-melting equipment, (in Russian), Utility patent 142755, MPK H02G7/16. Published on 7/10/2014; Bul. 19. ]
5. Елизарьев А. Ю., Шарафиева Г. А. Система плавки гололеда на воздушных линиях электропередачи наложением постоянного тока на переменный // Современные проблемы науки и образования в техническом вузе. Материалы II Международной научно-практической конференции. Уфа: УГАТУ, 2015. С. 132-137. [ A. Y. Elizariev and G. A. Sharafieva "Ice melting systems on overhead transmission lines by DC over AC superposition", (in Russian) in Modern problems of science and education in technical institutions, Ufa: UGATU, 2015. pp. 132-137. ]
6. Елизарьев А. Ю., Шарафиева Г. А. Технико-экономическая оценка системы плавки гололеда наложением постоянного тока на переменный без отключения потребителей // Молодежный Вестник УГАТУ: ежемесячный научный журнал. 2015. № 1 (13). С. 13-18. [ A. Y. Elizariev and G. A. Sharafieva "Technic-economic evaluation of ice melting systems by DC over AC superposition without customers disconnect", (in Russian) in Molodezhny Vestnik UGATU. 2015. No. 1 (13). pp. 13-18. ]
ОБ АВТОРАХ
ЕЛИЗАРЬЕВ Артем Юрьевич, асп. каф. э/мех., зам. нач. ДКС. Дипл. инж. по эл.-эн. сист. и сетям (УГАТУ, 2007). Иссл. в обл. надежности энергоснабжения потребителей во время гололедообразования на ВЛ.
ВАЛЕЕВ Азат Рустамович, доц. каф. э/мех. Дипл. инж. по спец. эл.-оборуд. лет. апп. (УГАТУ, 2002). Канд. техн. наук по э/техн. компл. и сист. (УГАТУ, 2006). Иссл. в обл. эл.-эн. сист.
METADATA
Title: Ice melting on over-head transmission lines without
customers disconnect. Authors: A. Y. Elizariev1, A. R. Valeev2 Affiliation:
1 LLC "Bashkirenergo" (Bashkirenego), Russia.
2 Ufa State Aviation Technical University (UGATU), Russia. Email: 2 [email protected],2 [email protected]. Language: Russian.
Source: Vestnik UGATU (scientific journal of Ufa State Aviation Technical University), vol. 19, no. 4 (70), pp. 59-65, 2015. ISSN 2225-2789 (Online), ISSN 1992-6502 (Print).
Abstract: Ice melting without customers disconnect are considered. Ice melting on parallel and ring transmission lines by DC over AC superposition is proposed. Grid upgrading recommendations provided. Substation switchgear layouts are proposed. Simulation model is developed and ice melting system without customers disconnect simulation and experimental researches are carried out. Shown that DC over AC superposition rises melting current without changing customers operation. Technic-economic effect of DC over AC superposition ice melting systems usage is evaluated.
Key words: ice melting; current superposition; ice; customers disconnect.
About authors:
ELIZARIEV, Artem Yurievich, Postgrad. (PhD) Student, Dept. of Electro mechanics, Deputy Head of capital construction department. Dipl. engineer of Electrical systems and grids (UGATU, 2007). Studies in power supply reliability during transmission lines icing.
VALEEV, Azat Rustamovich, PhD., Dept. of Electro mechanics. Dipl. engineer of Aircraft electric equipment (UGATU, 2002). Cand. of Tech. Sci. (UGATU, 2006). Studies in power systems.
