CC BY
1
¥¥¥¥¥¥¥¥¥ г/rrTPfr/if тргнмп!nizirs fi ргтшгл! рпшрмрмт^^^^^^^^^Ё
lyvMlvMIII^ ELECTRICAL TECHNOLOGIES, ELECTRICAL EQUIPMENT
xxxxxxxx and power supply of the agro-industrial complex xxxxxxxx
4.3.2 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА
Научная статья УДК 621.316
DOI: 10.24412/2227-9407-2024-3-40-50 EDN: RBVSNM
Разработка алгоритма квазитепловой защиты от перегрузки воздушных линий электропередачи 6-35 кВ
Владимир Юрьевич Вуколов1ш, Николай Дмитриевич Ерагалин2, Борис Васильевич Папков3
1 Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева, Нижний Новгород, Россия
2 3 Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, Княгинино, Россия
1 vvucolov@mail.ruм
2 nd.eragalin@gmail.com
3 boris.papkov@gmail.com
Аннотация
Введение. Распределительные электрические сети напряжением 6/10-35 кВ являются основным звеном в системе передачи электроэнергии от районных подстанций до конечных потребителей, большинство из которых расположено в сельской местности. Большинство ВЛ 6/10-35 кВ сельскохозяйственного назначения, находящихся в эксплуатации, выполнено с использованием алюминиевых проводов малых сечений, проложенных на деревянных, железобетонных и частично на металлических опорах. Для защиты ВЛ от коротких замыканий и ненормальных режимов в сельских электрических сетях в большинстве используются устройства релейной защиты и автоматики, выполненные на устаревших электромеханических реле и также в большинстве случаев выработавших свой ресурс. Применение микропроцессорных устройств РЗА, выполненных в соответствии с современными требованиями, позволит решить поставленные задачи, актуальность которых несомненна. Материалы и методы. Учёт всех факторов при оценке допустимой загрузки ВЛ, а следовательно, и при построении алгоритмов защиты ВЛ от перегрузки - сложная и трудоемкая задача. Это приводит к существенному усложнению и удорожанию устройства РЗА линии. Рассмотрены существующие варианты реализации защиты ЛЭП от перегрузки на основе микропроцессорных устройствах РЗА и выявлены их слабые места. Предложен расширенный перечень факторов, подлежащих учёту при решении задачи о перегрузке ВЛ. Результаты и обсуждение. В качестве основной защиты от перегрузки ВЛ предлагается использовать квазитепловую защиту (КВТЗ). Рассмотрено уравнение теплового баланса в приложении к анализируемой задаче защиты ВЛ от перегрузки. Определены основные показатели, необходимые для реализации КВТЗ. Разработана функционально-логическая схема КВТЗ с количественными значениями параметров измерительных органов и блок-схема алгоритма измерительного органа фиксации превышения температуры КВТЗ. Заключение. Показана целесообразность разработки защиты от перегрузки ВЛ напряжением 6/10-35 кВ. Установлены факторы, определяющие допустимую загрузку ЛЭП. Разработана функционально-логическая схема квазитепловой защиты и блок-схема алгоритма измерительного органа фиксации превышения температуры провода ВЛ. Даны рекомендации по её практической реализации в микропроцессорных терминалах.
(© Вуколов В. Ю., Ерагалин Н. Д., Папков Б. В., 2024
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX
XXXXXXX И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА XXXXXXX
Ключевые слова: воздушные линии электропередачи, микропроцессорная релейная защита, перегрузка, повреждаемость, распределительная электрическая сеть
Для цитирования: Вуколов В. Ю., Ерагалин Н. Д., Папков Б. В. Разработка алгоритма квазитепловой защиты от перегрузки воздушных линий электропередачи 6-35 кВ // Вестник НГИЭИ. 2024. № 3 (154). С. 40-50. DOI: 10.24412/2227-9407-2024-3-40-50. EDN: RBVSNM
Development of an algorithm for quasi-thermal overload protection of 6-35 kV overhead power lines
Vladimir Y. Vukolov1^, Nikolay D. Eragalin2, Boris V. Papkov3
1 Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R. E. Alekseev, Nizhny Novgorod, Russian Federation
2 3 Nizhny Novgorod State University of Engineering and Economics, Knyaginino, Russian Federation
1 wucolov@mail.ruM
2 nd.eragalin@gmail.com
3 boris.papkov@gmail.com
Abstract
Introduction. Distribution electrical networks with a voltage of 6/10-35 kV are the main link in the system of electricity transmission from district substations to end consumers, most of which are located in rural areas. Most of the 6/10-35 kV overhead power lines used for agricultural purposes are equipped with small cross-section aluminum conductors installed on wooden, reinforced concrete, and partially metal supports. In order to protect the power lines from short circuits and abnormal conditions in rural electrical networks, most of them utilize outdated electromechanical relays and automation devices, which have mostly exceeded their operational lifespan. The application of microprocessor-based protective devices, designed in accordance with modern requirements, will allow solving the stated tasks, the relevance of which is unquestionable.
Materials and Methods. Taking all factors into account when assessing the permissible load of overhead power lines, and consequently, when developing algorithms for protecting them from overload, is a complex and labor-intensive task. This leads to significant complications and increased costs in the design of line protection relays. Existing options for implementing protection against overloads in power lines based on microprocessor-based protection devices have been examined, and their weaknesses have been identified. An expanded list of factors to be considered when solving the problem of line overload has been proposed.
Results and Discussion. The quasi-thermal protection (QTP) is proposed as the main protection against overload in overhead power lines. The thermal balance equation has been considered in relation to the analyzed problem of line protection against overload. The main indicators necessary for the implementation of QTP have been defined. A functional and logical diagram of QTP with quantitative values of measurement devices parameters has been developed, as well as a block diagram of the temperature excess measurement organ algorithm.
Conclusion. The feasibility of developing protection against overload in 6/10-35 kV overhead power lines has been demonstrated. Factors determining the permissible load of power lines have been identified. A functional and logical diagram of quasi-thermal protection and a block diagram of the temperature excess measurement organ algorithm for overhead power lines have been developed. Recommendations have been given for its practical implementation in microprocessor-based terminals.
Keywords: microprocessor-based relay protection, distribution electrical network, overhead power lines, overload, vulnerability
For citation: Vukolov V. Yu., Eragalin N. D., Papkov B. V. Development of an algorithm for quasi-thermal overload protection of 6-35 kV overhead power lines // Bulletin NGIEI. 2024. № 3 (154). P. 40-50. DOI: 10.24412/2227-94072024-3-40-50. EDN: RBVSNM
I ELECTRICAL TECHNOLOGIES, ELECTRICAL EQUIPMENT AND POWER SUPPLY OF THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX
Введение
Распределительные электрические сети напряжением 6/10-35 кВ являются основным звеном в системе передачи электроэнергии от районных подстанций до конечных потребителей, большинство из которых расположено в сельской местности. Характерной особенностью электроснабжения объектов агропромышленного комплекса является наличие протяжённых воздушных линий (ВЛ) электропередачи (ЛЭП) с ответвлениями и относительно низкая плотность электрических нагрузок. Как правило, по конфигурации это работающие в разомкнутом режиме сети с односторонним питанием [1, с. 60; 2; 3].
Большинство ВЛ 6/10-35 кВ сельскохозяйственного назначения, находящихся в эксплуатации, выполнено с использованием в основном алюминиевых проводов малых сечений, проложенных на деревянных, железобетонных и частично (35 кВ) на металлических опорах. Такие объекты проектировались по критерию минимума затрат на суще-
ствующие на тот момент расчетные нагрузки с перспективой эксплуатации большинства ЛЭП не более 5-10 лет. Отсутствие за последние 30 лет сколько-нибудь значимых программ технического перевооружения, модернизации и реконструкции систем электроснабжения объектов АПК привело к существенному снижению их надежности. Исходя из конструктивного исполнения и срока службы, большинство находящихся в эксплуатации ВЛ практически отработали свой ресурс. По данным, приведённым в 1, это: 52 тыс. км ВЛ 35-110 кВ; 560 тыс. км ВЛ 6-10 кВ и 510 тыс. км ВЛ 0,38 кВ.
Сложившаяся ситуация привела к тому, что в сетях 6-10 кВ происходит, в среднем, 26 аварийных и плановых отключений в год (в расчете на 100 км длины ЛЭП), а в сетях 0,4 кВ - до 100 отключений в год. В результате происходит до 5-6 отключений, приходящихся на одного потребителя электрической энергии в год1.
Основные причины повреждений ВЛ 6-10 кВ представлены в таблице 1.
Таблица 1. Основные причины повреждений ВЛ 6-10 кВ Table 1. The main causes of damage to overhead lines of 6-10 kV
№ п/п
1
3
4
5
6
Климатические воздействия (ветер, гололед и их сочетание) выше расчетных значений /
Climatic effects (wind, ice and their combination) are higher than calculated values
Старение конструкций и материалов при эксплуатации /
Aging of structures and materials during operation
Посторонние воздействия / Extraneous influences
Грозовые перенапряжения / Lightning overvoltages
Недостатки эксплуатации / Disadvantages of operation
Невыясненные причины повреждений / Unexplained causes of damage
Значение / Meaning,
A
19
18
16 13 6 28
Источник: составлено авторами
2
Для защиты ВЛ от коротких замыканий и ненормальных режимов в сельских электрических сетях в большинстве своём используются устройства релейной защиты и автоматики (РЗА), выполненные на устаревших электромеханических реле (порядка 75 %) и также в большинстве случаев выработавшие свой ресурс. Кроме того, электромеханическая элементная база сельских сетей характеризуется низкой чувствительностью, ограниченностью функций защиты, сложностью настройки и обеспечения селективности в условиях разветвленной сети с присоединениями (отпайками). Рациональный выбор уставок и обеспечение селективной работы
устройств РЗА существенно затруднён из-за недостатка, а часто отсутствия и неопределённости исходных данных о марках и сечениях проводов, карт-схем прокладки ЛЭП, достоверной информации о заявленной и потребляемой мощности потребителей и узлах (точках) их подключения.
Очевидно, что применение современных микропроцессорных устройств РЗА, выполненных в соответствии с требованиями2, позволит решить поставленные задачи, актуальность которых несомненна. Однако и действующие нормативные документы в области РЗА распределительных сетей, и существующие устройства РЗА присоединений 6-35 кВ
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ) И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА'
отечественных производителей не предусматривают отдельной функции защиты от перегрузки по току головного участка ЛЭП. Поэтому в условиях значительного износа [4, с. 212; 5, с. 170; 6, с. 110] и хаотичного развития системы электроснабжения объектов АПК именно выполнение специальной защиты от перегрузки ВЛ позволило бы минимизировать и даже исключить их повреждения, связанные с климатическими условиями и повышенным механическим износом проводов вследствие их температурного перегрева [7, с. 122].
Материалы и методы исследования
Энергия, определяющая температуру токове-дущих частей ВЛ и скорость её изменения, если рассматривать вопрос укрупненно, в соответствии с теорией термодинамического равновесия, определяется разностью между притоком и оттоком тепла в проводнике. Приток тепла определяется, в первую очередь, нагревом проводов ВЛ при протекании электрического тока и наличием излучаемой солнечной энергии. Отток тепла зависит как от фактической температуры провода (определяет отведение тепла посредством излучения) и условий его вентиляции (скорость ветра и его направление), так и от температуры окружающей среды. Чем больше разность между температурой окружающей среды и температурой провода, тем более интенсивно идет отдача тепла и охлаждение проводника. Учёт всех перечисленных факторов при оценке допустимой загрузки ВЛ, а следовательно, и при построении алгоритмов защиты ВЛ от перегрузки является весьма трудоемкой задачей. Это приводит к существенному усложнению и удорожанию устройства РЗА линии. Поэтому при практической разработке алгоритмов защиты от перегрузки различных элементов электрических сетей обычно учитываются только те факторы, которые вносят наиболее существенное влияние в нагрев и охлаждение токоведущих частей электроустановок. Вместе с тем отметим, что последствия неполного учёта подобных факторов при достижении ими критических значений (а именно солнечной радиации при температуре внешней среды более 27 °С) привели к крупной системной аварии 2005 г. в Москве. Тогда почти на 24 часа была отключена подача электроэнергии в несколько районов Москвы и пять смежных областей.
Рассмотрим существующие варианты реализации защиты от перегрузки в микропроцессорных устройствах РЗА в зависимости от принципов построения алгоритмов защиты.
Довольно широкое распространение защита от перегрузки получила в устройствах РЗА линий электропередачи напряжением 110 кВ и выше, в которых она также известна как автоматика ограничения перегрузки линии (АОПЛ) [8]. Принцип действия традиционных устройств АОПЛ основан на контроле токовой нагрузки ЛЭП. При этом уставки по току срабатывания, как правило, изменяются дискретно в зависимости от климатических условий окружающей среды (с положениями зима/лето). Примером реализации такого алгоритма является функция АРПТ (автоматическая разгрузка при перегрузке по току) шкафа защиты линии «Бреслер ШЛ2606»3, где в качестве измеряемого параметра режима используется утроенное значение тока прямой последовательности 37]. В устройстве предусматривается действие АРПТ как на отключение линии с регулируемой выдержкой времени, так и на сигнал.
Ключевой недостаток защиты от перегрузки по току - не учитываются параметры линии, на которую установлена защита, в том числе геометрические параметры фазного провода, определяющие интенсивность его охлаждения. Ещё одним недостатком такого алгоритма является необходимость постоянного пересчета длительно допустимого тока линии, а значит, и уставки АРПТ по току или по времени, в зависимости от температуры окружающей среды. Поэтому на практике реализуется, как правило, только сезонное изменение уставок (зима/лето). И хотя это приводит к их существенному загрублению, но осуществляется с целью недопущения длительной перегрузки ВЛ. Использование датчика измерения температуры окружающей среды для непрерывного пересчета уставок по току не получило широкого применения ввиду трудоемкости программной реализации такого алгоритма и высоких требований к производительности компьютера микропроцессорного терминала РЗА.
В последнее время всё большее распространение получают алгоритмы защиты от перегрузки с расчетным определением температуры провода. Принцип действия такой защиты заключается в косвенном определении текущей температуры проводника на основе тепловой модели линии с учётом температуры окружающего воздуха. Полученное расчётное значение температуры непрерывно сравнивается с длительно допустимым значением температуры линии, определяемой маркой и сечением проводов ВЛ. Подобные алгоритмы применяются в
I ELECTRICAL TECHNOLOGIES, ELECTRICAL EQUIPMENT AND POWER SUPPLY OF THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX
микропроцессорных устройствах защиты контактной сети электрифицированного транспорта отечественных производителей и в устройствах защиты высоковольтных двигателей. Транснациональная корпорация ABB аналогичные решения использует в устройствах защиты питающих ЛЭП. Алгоритмы защиты от перегрузки с расчетным определением температуры проводника, по сравнению с алгоритмами АРПТ, более чувствительны к изменению внешних условий, позволяют учесть массо-габаритные характеристики проводов ВЛ. На их основе получено экономически эффективное решение, позволяющее повысить пропускную способность ЛЭП в режиме максимальных нагрузок без риска ее перегрузки. Однако с точки зрения программной реализации алгоритмы защиты от перегрузки с расчетным определением температуры являются более сложными и требуют ввода большого массива предварительно рассчитанных характеристик ВЛ. Следует отметить, что такой алгоритм определения перегрузки не учитывает реальные погодные условия. Расчет температуры провода производится исходя из наихудших условий его охлаждения. При этом достаточным условием пуска защиты является превышение температуры сверх заданного значения уставки, а значит, возможно неселективное срабатывание защиты от перегрузки на ВЛ, в действительности даже не нагретой до допустимой температуры. Также неясно, как поведёт себя защита, если в момент расчета переходного процесса по температуре произойдет значительное изменение тока.
За последние пятнадцать лет представлено несколько опытных образцов устройств прямого измерения температуры провода, например, с использованием специальных интеллектуальных датчиков [9, с. 78; 10, с. 926] или путем внедрения проводов ВЛ с включенным в повив оптоволокном для определения температуры провода на основе термооптического эффекта [11, с. 3]. Решение о перегрузке ВЛ принимается не только на данных о температуре провода от интеллектуального датчика, но и на основе команды от блока корректировки температуры. Корректировка температуры осуществляется с использованием данных о величине тока линии и температуры окружающей среды, определение которой, в свою очередь, зависит и от текущей температуры провода. Кроме того, наличие ветра будет приводить к охлаждению датчика, а наличие прямых солнечных лучей - к его нагреванию. Все
эти факторы могут приводить к ошибочной работе блока коррекции и работе устройства защиты от перегрузки в целом. В то же время применение таких подходов к построению защиты от перегрузки позволит существенно снизить влияние недостатков, характерных для алгоритмов с расчетным определением температуры. Однако их реализация сопряжена с технической реконструкцией ВЛ и потребует значительных финансовых затрат, поэтому их применение в распределительных электрических сетях 6-35 кВ нецелесообразно. Подтверждением этому могут служить результаты, полученные при выборе очередности реконструкции устройств РЗА [12; с. 27, 13; с. 200; 14, с. 101], где показано, что сочетание и выбор оптимальной стратегии с учетом минимизации ущерба при действиях РЗА позволит совместить показатели надежности и экономичности при выборе варианта реконструкции [15, с. 5; 16, с. 8].
Результаты разработки
В качестве основной защиты от перегрузки предлагается использовать так называемую квазитепловую защиту (КВТЗ), по принципу действия близкую к защите от отжига контактного провода контактной сети и тепловой модели, используемой для защиты электродвигателей от перегрева. Принцип действия таких защит заключается в пересчете измеренного значения протекающего на головном участке ВЛ тока в температуру провода с учетом температуры окружающей среды, материала и геометрических размеров проводника. В основе алгоритма КВТЗ лежит решение уравнения теплового баланса проводника с током.
Рассмотрим этот вопрос более подробно. В общем виде уравнение теплового баланса [17, а 28; 18, с. 7] записывается в виде:
12 ЯЖ = Gcdв + , (1)
где I Rdt - приходная часть баланса, представляющая тепло, выделяющееся в проводнике сопротивлением R за время dt при протекании по нему тока I (определяется по закону Джоуля-Ленца), Втс; Gcdв - составляющая расходной части баланса, определяющая количество тепла, вызывающее нагрев проводника выше температуры окружающей среды, Вт с; kFOdt - составляющая расходной части баланса, определяющая тепло, отдаваемое в окружающее пространство с поверхности проводника, Вт с; G - вес проводника, кг; с - удельная теплоемкость, (Вт с)/(кг °С); О - разность между темпера-
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ) И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА'
турой проводника и температурой окружающей среды, 0С; k - коэффициент теплоотдачи,
Вт/(см2°С); ^ - наружная поверхность проводника,
2
см .
При составлении уравнения теплового баланса пренебрегаем дополнительным нагревом проводов ВЛ под действием солнечной радиации [19, с. 22; 20, с. 92], поскольку эта составляющая в подавляющем большинстве случаев существенно меньше нагрева под действием электрического тока и её величина существенно зависит от облачности, угла наклона лучей по отношению к поверхности провода и ряда иных факторов.
Для реализации алгоритма КВТЗ в микропроцессорных устройствах РЗА уравнение теплового баланса решается с учетом температуры окружающего воздуха tОС и двух коэффициентов: нагрева КН (протекающим током) и охлаждения КО (внешним воздухом). Коэффициент нагрева КН определяется с учетом износа проводов ВЛ и конструктивных особенностей их подвеса на опорах. Коэффициент охлаждения КО определяется с учетом соотношения теплоотдачи и теплоемкости провода.
На основе решения уравнения теплового баланса определяется выражение для вычисления температуры провода в конце п-го интервала времени:
t(n) t(n-\) +
) Ко ]dt,
(2)
+[2 к н (1+^) - а(я -1) ^ое(и-1)
где '(„_!) - температура провода в конце предыдущего (п-1) интервала времени, °С; КН - коэффициент нагрева, °С/(с А ); КО - коэффициент охлаждения, 1/с; а - температурный коэффициент сопротивления, 1/°С; tОС - температура окружающей среды, °С; I - среднее действующее значение тока головного участка ВЛ на интервале времени dt, А; dt - длительность расчетного интервала времени, с.
Для реализации алгоритма в устройстве РЗА, поскольку защита от перегрузки не является быстродействующей, рекомендуется принимать расчетный интервал времени dt = 1 с, что позволит исключить возможные ошибки в измерении тока на интервале дискретизации или при приёме пакета данных, если в качестве измерителя используется стороннее устройство.
Коэффициент охлаждения КО вычисляется по выражению [19, с. 23]:
кЕ
Ко =~к-, (3)
где k - коэффициент теплоотдачи провода, Вт/(м2 • °С); ^ - погонная площадь поверхности провода, м2/м; С0 - относительная теплоемкость провода, Втс/(кг°С); m - масса единицы длины провода, кг/м.
Коэффициент нагрева КН вычисляется по выражению [19, с. 23]:
К
R -10
C0m
-3
(4)
где Я0 - сопротивление провода при температуре 0 °С, Ом/км; m - масса единицы длины провода, кг/м; k- коэффициент теплоотдачи провода, Вт/(м2 • °С).
Зависимость сопротивления провода ВЛ от температуры учитывается с помощью температурного коэффициента сопротивления а, который для алюминия - 0,00403, для меди - 0,0038, для стали -0,00600 1/°С.
В результате решения уравнения теплового баланса (2) определяется расчетная температура провода - Для принятия решения о срабатывании/несрабатывании измерительного органа КВТЗ производится сравнение температуры с заданной уставкой предельно допустимой температуры провода ВЛ tАВАР.
Срабатывание КВТЗ происходит при условии:
'п > 'АВАР. (5)
Уставками КВТЗ являются:
- предельно допустимая температура провода
tАВАР, °С;
- температура срабатывания предупредительной сигнализации tпРEд, °С;
- средняя температура окружающей среды
'ос °С;
- коэффициент нагрева провода КН;
- коэффициент охлаждения провода КО.
При срабатывании КВТЗ включение вводного выключателя (ВВ) линии будет заблокировано до тех пор, пока температура провода не опустится ниже уставки 'ПРЕд. Функционально-логическая схема алгоритма КВТЗ приведена на рисунке 1.
I ELECTRICAL TECHNOLOGIES, ELECTRICAL EQUIPMENT AND POWER SUPPLY OF THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX
XB1
XB2
ИО
ИО КВТЗ авар
XB1
ИО
ИО КВТЗ пред
Т1
<
КВТЗ на откл.
Внт
Внт
Квитирование
>
<
КВТЗ на сигнал
Внт
DTKVTZ01
_п_
S Т2
R
<
Блок. от КВТЗ
Внт
Рис. 1. Функционально-логическая схема квазитепловой защиты: ИО - измерительный орган защиты; Внт - внутренний логический сигнал Fig. 1. Functional and logical scheme of quasi-thermal protection: IO - measuring protection body; Vnt is an internal logic signal Источник: разработано авторами на основании3
Таблица 2. Параметры измерительных органов КВТЗ
Table 2. Parameters of quasi-thermal protection measuring devices
Диапазон
Функциональное значений
назначение / Уставка / Setpoint уставок /
Functional purpose The range of
setpoint values
ИО
Дискретность
уставки / The discreteness of the setpoint
ИО КВТЗ авар
ИО КВТЗ пред
Максимальный пусковой орган КВТЗ по превышению температуры, формирующий сигнал на отключение ВВ / The maximum starting power of the KW for exceeding the temperature, which generates a signal to turn off the BB
Максимальный пуско вой орган КВТЗ по превышению температуры, формирующий предупредительную сигнализацию перегрева КП / The maximum starting body of
1. Диапазон регулирования уставки по температуре аварийного отключения (/двар>), °С / The setting range for the emergency shutdown temperature
(tABAP>X °C
2. Диапазон задания температуры окружающей среды (toc), °С / Setting range of ambient temperature (TOC), °C
3. Диапазон коэффициента нагрева провода (КН), °С/(с • А2) / The range of the heating coefficient of the wire (KN), °C/(c •A2).
4. Диапазон коэффициента охлаждения провода (КО), 1/с / The range of the cooling coefficient of the wire (CO), 1/s
1. Диапазон регулирования уставки по температуре предупреждения (/пред>), °C / The setpoint control range for the warning temperature (/пред>), °C
2. Диапазон задания температуры окружающей среды (t0C), °C / Setting range of ambient temperature (toe), °C
3. Диапазон коэффициента нагрева провода (КН), °С/(с •А2) / The range of the heating coefficient of the
the KVTZ for exceeding wire (КН), °C/(c -A2)
the tem^ratare, which 4 Диапазон коэффициента охлаждения провода forms a warning alarm (КО), 1/с / Range of wire cooling coefficient (КО), 1/s for overheating of the gearbox
Источник: оставлено авторами по результатам исследований
От 50 до 240
От минус 50 до плюс 50
От 0,050-10-7 до 6,500-10-7
От 0,200-10-2 до 0,600-10"2
От 50 до 240
От минус 50 до плюс 50
От 0,050-10-7 до 6,500-10-7
От 0,200-10-2 до 0,600-10"2
1
10"
10-
S
R
1
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ) И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА'
Пуск функции КВТЗ на формирование команды предупредительной сигнализации происходит при срабатывании измерительного органа «ИО КВТЗ пред». Одновременно формируется сигнал блокировки «Блок. от КВТЗ», исключающий оперативное включение ВВ и автоматическое повторное включение ВЛ до охлаждения провода линии ниже температуры %ред. При необходимости сигнал «Блок. КВТЗ» может быть снят до достижения температуры %ред квитированием.
Функция КВТЗ вводится в работу программным ключом ХВ1. При срабатывании измерительно-
го органа «ИО КВТЗ авар» формируются внутренний сигнал на отключение выключателя (программный ключ ХВ2).
Формирователь импульсов по переднему фронту длительностью 0,01 с (БТКУТ20\) необходим для фиксации сигнала блокировки КВТЗ.
Измерительные органы «ИО КВТЗ авар» и «ИО КВТЗ пред» отличаются только температурой уставки.
Параметры измерительных органов функции КВТЗ приведены в таблице 2. Блок схемы алгоритма измерительных органов КВТЗ приведен на рисунке 2.
Начало / Start
I\, toe- КН, КО, а, ?(и-1), t(n), tyCT
t(n-1) ^ toe
Начальное значение температуры контактного провода принимаем равным температуре окружающей
среды, далее пересчитываем ежесекундно / The initial value of the temperature of the contact wire is assumed to be equal to the ambient temperature, then we recalculate every second
Конец / The endj)
Рис. 2. Блок-схема алгоритма измерительного органа фиксации превышения температуры КВТЗ Fig. 2. Block diagram of the algorithm of the measuring body for fixing the excess temperature of quasi-thermal protection Источник: разработано авторами на основании
Заключение
Показана целесообразность разработки защиты от перегрузки воздушных линий электропередачи напряжением 6/10-35 кВ. Установлены факторы, определяющие допустимую загрузку ЛЭП.
Рассмотрены существующие алгоритмы защит от перегрузки, используемые в микропроцессорных интеллектуальных электронных устройствах: защита от перегрузки по току; защита от перегрузки с расчетным определением температуры
I ELECTRICAL TECHNOLOGIES, ELECTRICAL EQUIPMENT AND POWER SUPPLY OF THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX
провода; защиты от перегрузки с прямым измерением температуры провода.
Определены преимущества и недостатки существующих решений, сделан вывод о необходимости разработки алгоритма квазитепловой защиты от перегрузки для распределительных сетей напряжением 6/10-35 кВ на основе решения уравнения теплового баланса.
Разработана функционально-логическая схема квазитепловой защиты, позволяющая реализовать защиту от перегрузки ВЛ с использованием простейших логических элементов. Представлена блок-схема алгоритма измерительного органа фиксации превышения температуры провода ВЛ и даны рекомендации по её практической реализации в микропроцессорных терминалах.
Примечания:
1 ПОЛОЖЕНИЕ о технической политике в распределительном электросетевом комплексе, утверждено распоряжением ОАО «ФСК ЕЭС» от 25.10.2006 № 293р.
2 Технические требования к микропроцессорным устройствам РЗА. СТО 56947007-29.120.70.241-2017. Стандарт организации ПАО «ФСК ЕЭС». Введены 28.02.2017 с изменениями от 11.12.2029.
3 Микропроцессорная защита линии 6-35-110 кВ типа «Бреслер ШЛ 2606.17». Руководство по эксплуатации АИПБ.656467.002-06.171 РЭ.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Вуколов В. Ю., Куликов А. Л., Папков Б. В. Повышение эффективности передачи электроэнергии в распределительных сетях. Ч. 1 // Библиотечка электротехника. 2013. № 11. С. 003-072. EDN RTUEUJ.
2. Ахатов О., Назаров А. Б., Суллиев А. Х. Повышение эффективности передачи электроэнергии // Точная наука. 2019. № 61. С. 9-10. EDN VGBEAO.
3. Коновалов Ю. В., Терехова А. А., Шитенков Г. А. [и др.]. Повышение эффективности передачи электроэнергии // Вестник Ангарского государственного технического университета. 2023. № 17. С. 39-44. EDN ILNYUU.
4. Папков Б. В., Осокин В. Л. Теоретические основы надёжности и эффективности электроснабжения. Старый Оскол: ТНТ, 2019. 592 с. EDN: VJREUI
5. Воропай Н. И. Надежность систем электроснабжения: Наука, 2006. 205 с. EDN: QMJKZH
6. Васильев И. Е. Надёжность электроснабжения. М. : Издательский дом МЭИ. 2014. 174 с.
7. Шарыгин М. В., Куликов А. Л. Защита и автоматика систем электроснабжения с активными промышленными потребителями. Нижний Новгород : Российская академия народного хозяйства и государственной службы при Президенте Российской Федерации, 2017. 284 с. EDN ZVTCQL.
8. Титов В. Г., Степанов С. Е., Васенин А. Б. Пути повышения надежности систем электроснабжения с использованием цифровых терминалов релейной защиты и автоматики // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2020. № 5. С. 3-12. EDN AOYFOO.
9. Магалеев Р., Шмелькин А., Шейнкман А. Автоматика ограничения перегрузки линий - элемент интеллектуальных сетей // Электроэнергия. Передача и распределение. 2012. № 2. С. 76-81. EDN OYMKKT.
10. Douglass D. Real-Time Overhead Transmission-LineMonitoring for Dynamic Rating // IEEE Transactions on power delivery. V. 31. № 3. June 2016. P. 921-927. DOI:10.1109/TPWRD.2014.2383915
11. Girbig R., Fink N. Power Line Monitoring System for Force and Temperature, Draka Comteq Germany GmbH & Co. KG., Mönchengladbach, Germany.
12. Вуколов В. Ю., Колесников А. А., Обалин М. Д., Папков Б. В. Выбор очередности реконструкции устройств релейной защиты подстанций по статистическим критериям теории игр // Электричество. 2021. № 5. С. 26-32. EDN: JGTCFY
13. Нагай В. И., Маруда И. Ф., Нагай В. В. Резервирование релейной защиты и коммутационных аппаратов электрических распределительных сетей. Ростов-на-Дону : Известия вузов. Северо-Кавказский регион, 2009. 315 с. EDN QMKZXX.
14. Нагай В. И., Нагай И. В. Проблемы и технические решения резервирования // Электроэнергия. Передача и распределение. 2015. № 4. С. 100-104. EDN: UGBAGL
15. Молодюк В. В., Исамухамедов Я. Ш., Баринов В. А., Кучеров Ю. Н. О разработке принципов формирования, разделения и описания требований надёжности и безопасности в электроэнергетике // Энергетик. 2017. № 5. С. 3-18. EDN: YUTIPD
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX
XXXXXXX И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА XXXXXXX
16. Куликов А. Л., Обалин М. Д., Колобанов П. А. Комплексные алгоритмы определения места повреждения линии электропередачи на базе статистических методов // Энергетик. 2012. № 1. С. 7-9. EDN ONYHIN.
17. Бургсдорф В. В. Сооружение и эксплуатация линий электропередачи в сильно гололедных районах. М.; Л. : Госэнергоиздат, 1947. 196 с.
18. Бургсдорф В. В., Никитина Л. Г. Определение допустимых токов нагрузки воздушных линий электропередачи по нагреву их проводов // Электричество. 1989. № 11. С. 1-8.
19. Фигурнов Е. П., Жарков Ю. И., Петрова Т. Е., Кууск А. Б. Нагрев неизолированных проводов воздушных линий электропередачи // Электричество. 2013. № 6. С. 19-25. EDN: QAGVLF
20. Фигурнов Е. П., Жарков Ю. И., Харчевников В. И. Определение длительно допустимых токов проводов систем электроснабжения железных дорог // Вестник ВНИИЖТ. 2019. Т. 78. № 2. С. 90-95. EDN: QYUBSZ
Дата поступления статьи в редакцию 20.12.2023; одобрена после рецензирования 23.01.2024;
принята к публикации 25.01.2024.
Информация об авторах:
В. Ю. Вуколов - к.т.н., доцент кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника», Spin-код: 4993-0312;
Н. Д. Ерагалин - аспирант кафедры «Электрификация и автоматизация»;
Б. В. Папков - д.т.н., профессор кафедры «Электрификация и автоматизация», Spin-код: 8571-7457.
Заявленный вклад авторов: Вуколов В. Ю. - сбор и обработка материалов, подготовка первоначального варианта текста. Ерагалин Н. Д. - анализ и дополнение текста статьи.
Папков Б. В. - общее руководство проектом, анализ и дополнение текста статьи. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
REFERENCES
1. Vukolov V. Yu., Kulikov A. L., Papkov B. V. Povyshenie effektivnosti peredachi elektroenergii v raspredelitel'nyh setyah. CH. 1 [Improving the efficiency of electricity transmission in distribution networks. Part 1], Bibliotechka elektrotekhnika [Library of Electrical Engineering], 2013, No. 11, pp. 003-072, EDN RTUEUJ.
2. Ahatov O., Nazarov A. B., Sulliev A. H. Povyshenie effektivnosti peredacha elektroenergii [Improving the efficiency of electric power transmission], Tochnaya nauka [Exact Science], 2019, No. 61, pp. 9-10, EDN VGBEAO.
3. Konovalov Yu. V., Terekhova A. A., Shitenkov G. A. [i dr.]. Povyshenie effektivnosti peredachi elektroenergii [Improving the efficiency of electricity transmission], Vestnik Angarskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo uni-versiteta [Bulletin of the Angarsk State Technical University], 2023, No. 17, pp. 39-44, EDN ILNYUU.
4. Papkov B. V., Osokin V. L. Teoreticheskie osnovy nadyozhnosti i effektivnosti elektrosnabzheniya [Theoretical foundations of reliability and efficiency of power supply], Staryj Oskol: TNT, 2019, 592 p. EDN: VJREUI
5. Voropaj N. I. Nadezhnost' sistem elektrosnabzheniya [Reliability of power supply systems], Nauka, 2006, 205 p. EDN: QMJKZH
6. Vasil'ev I. E. Nadyozhnost' elektrosnabzheniya [Reliability of power supply], Moscow: Izdatel'skij dom MEI. 2014.174 p.
7. Sharygin M. V., Kulikov A. L. Zashchita i avtomatika sistem elektrosnabzheniya s aktivnymi promyshlen-nymi potrebitelyami [Protection and automation of power supply systems with active industrial consumers], Nizhnij Novgorod : Rossijskaya akademiya narodnogo hozyajstva i gosudarstvennoj sluzhby pri Prezidente Rossijskoj Feder-acii, 2017, 284 p. EDN ZVTCQL.
8. Titov V. G., Stepanov S. E., Vasenin A. B. Puti povysheniya nadezhnosti sistem elektrosnabzheniya s ispol'zovaniem cifrovyh terminalov relejnoj zashchity i avtomatiki [Ways to improve the reliability of power supply systems using digital relay protection terminals and automation], Elektrooborudovanie: ekspluataciya i remont [Electrical equipment: operation and repair], 2020, No. 5, pp. 3-12, EDN AOYFOO.
¥¥¥¥¥¥¥¥¥ г/rrTPfr/if тргнмп!nizirs fi ргтшгл! рпшрмрмт^^^^^^^^^Ё
lyvMlvMIII^ ELEClRlCAL TECHNOLOGIES, ELEC lRlCAL EQUlPMENl
xxxxxxxx and power supply of the agro-industrial complex xxxxxxxx_
9. Magaleev R., Shmel'kin A., Shejnkman A. Avtomatika ogranicheniya peregruzki linij - element intel-lektual'nyh setej [Automation of line overload limitation - an element of intellectual networks], Elektroenergiya. Peredacha i raspredelenie [Electric power. Transmission and distribution], 2012, No. 2, pp. 76-81, EDN OYMKKT.
10. Douglass D. Real-Time Overhead Transmission-LineMonitoring for Dynamic Rating, IEEE Transactions on power delivery, Vol. 31, No. 3, June 2016, pp. 921-927. D01:10.1109/TPWRD.2014.2383915
11. Girbig R., Fink N. Power Line Monitoring System for Force and Temperature, Draka Comteq Germany GmbH & Co. KG., Mönchengladbach, Germany.
12. Vukolov V. Yu., Kolesnikov A. A., Obalin M. D., Papkov B. V. Vybor ocherednosti rekonstrukcii ustrojstv relejnoj zashchity podstancij po statisticheskim kriteriyam teorii igr [Choosing the order of reconstruction of substation relay protection devices according to statistical criteria of game theory], Elektrichestvo [Electricity], 2021, No. 5, pp. 26-32, EDN: JGTCFY
13. Nagaj V. I., Maruda I. F., Nagaj V. V. Rezervirovanie relejnoj zashchity i kommutacionnyh apparatov el-ektricheskih raspredelitel'nyh setej [Redundancy of relay protection and switching devices of electric distribution networks], Rostov-na-Donu : Izvestiya vuzov. Severo-Kavkazskij region, 2009, 315 p. EDN QMKZXX.
14. Nagaj V. I., Nagaj I. V. Problemy i tekhnicheskie resheniya rezervirovaniya [Problems and technical solutions of redundancy], Elektroenergiya. Peredacha i raspredelenie [Electricity. Transfer and distribution], 2015, No. 4, pp. 100-104, EDN: UGBAGL
15. Molodyuk V. V., Isamuhamedov Ya. Sh., Barinov V. A., Kucherov Yu. N. O razrabotke principov formiro-vaniya, razdeleniya i opisaniya trebovanij nadyozhnosti i bezopasnosti v elektroenergetike [On the development of principles for forming, separating and describing reliability and safety requirements in the electric power industry], Energetik [Power engineer], 2017, No. 5, pp. 3-18, EDN: YUTIPD
16. Kulikov A. L., Obalin M. D., Kolobanov P. A. Kompleksnye algoritmy opredeleniya mesta povrezhde-niya linii elektroperedachi na baze statisticheskih metodov [Complex algorithms for determining the location of power line damage based on statistical methods], Energetik [Power engineer], 2012, No. 1, pp. 7-9, EDN ONYHIN.
17. Burgsdorf V. V. Sooruzhenie i ekspluataciya linij elektroperedachi v sil'no gololednyh rajonah [Construction and operation of power transmission lines in heavily icy areas], Moscow; Leningrad: Gosenergoizdat, 1947. 196 p.
18. Burgsdorf V. V., Nikitina L. G. Opredelenie dopustimyh tokov nagruzki vozdushnyh linij elek-troperedachi po nagrevu ih provodov [Determination of permissible load currents of overhead power transmission lines by heating their wires], Elektrichestvo [Electricity], 1989, No. 11, pp. 1-8.
19. Figurnov E. P., Zharkov Yu. I., Petrova T. E., Kuusk A. B. Nagrev neizolirovannyh provodov vozdushnyh linij elektroperedachi [Heating of non-insulated wires of airless power transmission lines], Elektrichestvo [Electricity], 2013, No. 6, pp. 19-25, EDN: QAGVLF
20. Figurnov E. P., Zharkov Yu. I., Harchevnikov V. I. Opredelenie dlitel'no dopustimyh tokov provodov sistem elektrosnabzheniya zheleznyh dorog [Determination of long-term permissible currents of wires of power supply systems of railways], Vestnik VNIIZHT [Bulletin VNIIZHT], 2019, Vol. 78, No. 2, pp. 90-95, EDN: QYUBSZ
The article was submitted 20.12.2023; approved after reviewing 23.01.2024; accepted for publication 25.01.2024.
Information about the authors: V. Yu. Vukolov - Ph. D. (Engineering), associate professor of the chair «Electricity, power supply and power electronics», Spin-code: 4993-0312;
N. D. Eragalin - graduate student of the chair «Electrification and automation»;
B. V. Papkov - Dr. Sci. (Engineering), professor of the chair «Electrification and automation», Spin-code: 6110-7687.
Contribution of the authors: Vukolov V. Yu. - collection and processing of materials, preparation of the initial version of the text. Eragalin N. D. - analyzing and supplementing the text. Papkov B. V. - research supervision, analyzing and supplementing the text.
The authors declare that there is no conflict of interest.
