CC BY
291
УДК 621.311
Д. И. Андреев, В. В. Колобов, М. Б. Баранник, В. И. Яковлев
РАЗРАБОТКА СПОСОБА УМЕНЬШЕНИЯ НАВЕДЁННОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ, ВЫВЕДЕННЫХ В РЕМОНТ
Аннотация
Описан разработанный метод и соответствующее устройство для уменьшения наведенного напряжения на воздушных линиях электропередачи, выведенных в ремонт. Представлена схема устройства компенсации наведенного напряжения. Приведены результаты моделирования работы устройства с использованием программного пакета EMTP-ATP. Показано, что разработанное устройство компенсации мощностью до 5 кВт позволяет снизить уровень наведенного напряжения до 25 В на большинстве опор рассмотренных линий.
Ключевые слова:
воздушные линии электропередачи, наведенное напряжение на отключенной линии электропередачи, способ и устройство для уменьшения наведенного напряжения, компьютерное моделирование, электронная схема устройства.
D. V. Andreev, V. V. Kolobov, M. B. Barannik, V. I. Yakovlev
THE DEVELOPMENT OF A METHOD FOR REDUCING THE INDUCED VOLTAGE ON DISCONNECTED OVERHEAD TRANSMISSION LINES
Abstract
The article describes the method and the device for reducing the induced voltage on disconnected overhead transmission lines. The aspects of electronic circuit design of the device have been considered. The paper also presents results of computer simulations of the device and the method. The simulation models have been developed using program EMTP-ATP. The simulation results show that the 5 kW device reduce the induced voltage until 25 volts at most towers of disconnected transmission lines.
Keywords:
очегЬеэЬ transmission lines, inducted voltage on disconnected transmission line, method and device for reducing the induced voltage, computer simulation, electronic circuit design.
Наведенное напряжение - это разность потенциалов между проводящими частями электроустановок (воздушной линии (ВЛ) электропередачи или оборудования подстанции (ПС)) и точкой нулевого потенциала, возникающей в результате воздействия электрического и магнитного полей, создаваемых расположенными вблизи электроустановками, находящимися под напряжением.
«Правила охраны труда при эксплуатации электроустановок» (ПОТЭУ) [1] определяют безопасную для работников величину потенциала наведенного напряжения и меры безопасности при ремонте линий электропередач (ЛЭП), на которых наводится дополнительное напряжение от соседних ВЛ:
«Из числа ВЛ под наведенным напряжением организациям необходимо определить измерениями линии, при отключении и заземлении которых по концам (в РУ) на заземленных проводах остается потенциал наведенного напряжения выше 25 В при наибольшем рабочем токе действующей ВЛ.
Все виды работ на этих ВЛ, связанные с прикосновением к проводу без применения основных электрозащитных средств, должны выполняться по технологическим картам или ППР, в которых должно быть указано размещение заземлений исходя из требований обеспечения на рабочих местах потенциала наведенного напряжения не выше 25 В» (п. 4.15.52.[1]).
Согласно пункту 4.15.53.[1]:
«Если на отключенной ВЛ (цепи), находящейся под наведенным напряжением, не удается снизить это напряжение до 25 В, необходимо работать с заземлением проводов только на одной опоре или на двух смежных. При этом заземлять ВЛ (цепь) в РУ не допускается. Допускается работа бригады только с опор, на которых установлены заземления, или на проводе в пролете между ними».
Если снизить потенциал наведенного напряжения ниже 25 В не удается, ПОТЭУ требуют работать с заземлением проводов только на одной опоре или на двух смежных. При этом заземлять линию в распределительном устройстве (РУ) не допускается.
Потенциал наведенного напряжения не на всех ВЛ возможно снизить до уровня 25 В. В то же время работа при заземлении только на опоре или на двух смежных, как это требуют ПОТЭУ, опасна, так как возможны:
- случайное прикосновение к проводам при установке заземлений;
- обрыв заземляющего проводника при некачественной установке заземлителя или его отсоединение в процессе работы из-за сильных ветровых нагрузок;
- ошибочное отключение заземления.
Заземление же в РУ и на опоре не обеспечивает снижение наведенного напряжения до безопасного уровня.
Уровень наведенного напряжения можно снизить включением в месте производства работ на отключенной линии устройства для компенсации наведенного напряжения (УКНН) на основе регулируемого источника напряжения. Такое устройство должно быть мобильным для легкой доставки его на место ремонта и обеспечивать требуемую для компенсации наведенного напряжения мощность. Напряжение, формируемое регулируемым источником, должно быть в противофазе с наведенным на линии напряжением.
В Кольской энергосистеме определен перечень линий, находящихся под наведенным напряжением, при работе на которых запрещено устанавливать заземления в РУ концевых подстанций. Такими линиями являются, например, следующее:
- одноцепная ВЛ напряжением 154 кВ Л-152 от ГЭС-11 до подстанции № 11А протяженностью 155.041 км, размещенная на 672 опорах; ведена в эксплуатацию в 1936 г. (оп. 204-666), 1956 г. (оп. 1-203), 1960 г. (оп. 667-677);
- одноцепная ВЛ напряжением 154 кВ Л-189 от пр. 261-262 Л-152 до подстанции № 40А протяженностью 101.589 км, размещенная на 301 опоре; ВЛ введена в эксплуатацию в июне 1974 г.;
- двухцепная ВЛ напряжением 154 кВ Л-153/154 от подстанции № 11А до подстанции № 200 протяженностью 94.6247 км, размещенная на 353 опорах; ВЛ введена в эксплуатацию в 1962 г.;
- одноцепная ВЛ напряжением 154 кВ Л-157 от подстанции 11А до подстанции 88, протяженностью 95.188 км, размещенная на 412 опорах; ВЛ ведена в эксплуатацию в 1951 г. (оп. 12-402), 1961 г. (оп. 1-11), 1982 г. (оп. 403-413).
Был выполнен расчет уровней наведенных напряжений на перечисленных линиях. Расчет выполнялся с помощью программы ATP-EMTP [2]. ATP-EMTP - универсальная система программирования для цифрового моделирования переходных явлений как электромагнитного, так и электромеханического характера. С помощью этой программы могут моделироваться сложные сети и системы управления произвольной структуры. ЕМТР используется для анализа коммутационных и грозовых перенапряжений, исследования координации изоляции и вращательных колебаний электрических машин, моделирования релейной защиты и гармонического анализа, изучения проблем качества электроэнергии и электромагнитной совместимости и т. д. [3].
Модели линий, построенные в программе ATP-EMTP с использованием графического процессора ATPDraw [2], показаны на рис.1.
Сопротивление заземления опор ВЛ при моделировании выбиралось равным 30 Ом, так как удельное сопротивление грунта в районах прохождения рассматриваемых линий превышает 1000 Ом м. Сопротивление проводов, соединяющих установку компенсации наведенного напряжения с ЗУ соседней опоры, было принято равным 3 Ом.
Полученные в результате моделирования данные показали, что наведенное напряжение при заземлении этих линий в РУ и в месте проведения ремонтных работ может достигать 170 В.
Был проведен расчет мощности источника напряжения УКНН, необходимой для компенсации наведенного напряжения на ВЛ. Расчет проводился по методу эквивалентного генератора. Для этого была составлена схема замещения цепи (рис.2а) и модель внешнего источника напряжения УКНН в программе ATP-EMTP (рис.2б). В результате моделирования работы устройства были получены ток короткого замыкания 1КЗ и напряжение холостого хода иХХ.
Из схемы замещения видно, что напряжение генератора должно быть равным: С/к = 1КЗ • Я, где ик - напряжение на выводах устройства компенсации;
1КЗ - ток короткого замыкания; Я = Я + Яп - сумма сопротивлений заземлителя (ДЗ) и проводов, соединяющих устройство с опорами (ЛП). Так как устройство должно формировать напряжение, равное по модулю и сдвинутое по фазе на 180° относительно наведенного в линии напряжения, то необходимо найти фазу наведенного напряжения.
Для этого по схеме замещения (рис.2 а) были найдены:
•
- ЭДС эквивалентного генератора Е, равная напряжению холостого хода в комплексной форме;
- ток короткого замыкания I кз в комплексной форме;
- полное сопротивление цепи Z в комплексной форме:
Е = ихх • в** ; (1)
1= 1кз • И , (2)
где: фм и фг - фазы напряжений и токов соответственно.
Рис. 1. Модели линий Л-152 и Л-189 (а), Л-153 (б), Л-154 (в), Л-157 (г), построенные в программе АТР-ЕМТР (ВЛ Л-152 и Л-189 (а) выделены красным
и синим цветом соответственно)
Тогда полное сопротивление цепи равно:
Е и
2 = Е = и хх . ез(-Ф)
I 1КЗ
(3)
Чтобы найти требуемую фазу источника УКНН, необходимо выделить аргумент из комплексной формы напряжения генератора, которое, согласно схеме замещения, равно:
• • •
и = I. Я).
(4)
Рис. 2. Схема замещения устройства компенсации наведенного напряжения (а) и его модель, построенная в программе АТР-ЕМТР (б)
Фаза напряжения генератора будет равна фазе тока короткого замыкания.
Помимо фазы напряжения на выходе устройства компенсации наведенного напряжения, необходимо также знать мощность генератора для питания УКНН, которая определяется выражением: Р=ик^1кз. Для питания УКНН можно использовать бензо- или дизель-генератор.
По результатам расчетов были построены графики распределения наведенного напряжения вдоль линий (рис.3). Цветами отмечены зоны, где необходимо использовать питающий генератор той или иной мощности, либо в устройстве компенсации нет необходимости (компенсации наведенного напряжения не требуется). Мощность генератора для питания устройства ограничена величиной 5 кВт, так как использовать более мощный генератор из-за высокой стоимости экономически нецелесообразно, а из-за значительных массогабаритных параметров - технически сложно.
Из графиков распределения наведенного напряжения можно видеть, что использование УКНН с питающим генератором мощностью до 5 кВт практически для всех ВЛ обеспечивает безопасное проведение ремонтных работ на большей части длины линии. Зоны, помеченные красным
цветом, - это участки ВЛ, для компенсации наведенного напряжения на которых необходим генератор мощностью более 5 кВт. Как уже отмечалось, использовать такой генератор нецелесообразно, поэтому для решения данной проблемы в программе АТР-ЕМТР был смоделирован случай, при котором линия, выведенная в ремонт, заземляется на концевых подстанциях и разземляется на некоторых отпаечных, что не запрещается ПОТЭУ. Такое решение позволяет снизить уровень наведенного напряжения до требуемых 25 В.
На рисунке 4 приведена блок-схема устройства компенсации наведенного напряжения, в состав которого входят: блок измерения наведенного напряжения (ИЗМ), блок управления (БУ), блок инвертора, выполненный по мостовой схеме на основе полупроводниковых ключей (ИНВ), два драйвера полумоста (ДРВ1, ДРВ2), источник питания (ИП) с корректором коэффициента мощности (ККМ) и выходной фильтр высших гармоник (ФНЧ).
Для измерения наведенного напряжения один из выводов «П1», «П2» подключается к заземлителю опоры, а другой - к удаленной земле (рис.5). Наведенное напряжение поступает на блок измерения (ИЗМ). Далее наведенное напряжение обрабатывается блоком управления (БУ), в котором определяется его амплитуда и фаза. На выходе БУ формируется управляющий сигнал для инвертора на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
Для управления полупроводниковыми ключами применены специализированные блоки - драйверы полумостов ДРВ1, ДРВ2, которые формируют необходимые для работы схемы инвертора управляющие сигналы.
На выходе инвертора формируется напряжение ШИМ-последовательности, огибающая которой представляет собой синусоидальный сигнал частотой 50 Гц с амплитудой, соответствующей амплитуде наведенного напряжения, и фазой, сдвинутой на 180 градусов. Для фильтрации в выходном компенсирующем синусоидальном сигнале высокочастотных составляющих, кратных несущей частоте ШИМ (частоте коммутации ключей инвертора), используется фильтр высших гармоник - фильтр низких частот (ФНЧ), выполненный на элементах Ь1, Ь2, С.
Питание устройства компенсации осуществляется от бензо- или дизель-генератора с выходным переменным напряжением 220 В. Корректор коэффициента мощности (ККМ) и источник питания (ИП) формируют постоянное напряжение амплитудой до 400 В для питания звена постоянного тока инвертора. ККМ защищает питающий генератор от перегрузки, предотвращая ложные срабатывания защиты по выходному току.
Синусоидальное компенсирующее напряжение снимается с выхода УКНН - выводов «В1» и «В2». Один из выводов подключается к заземлителю опоры, на которой производятся работы, а другой - к заземлителю соседней опоры (рис.5).
Структурная схема блока управления устройства компенсации наведенного напряжения (БУ на рис.4) приведена на рис.6. Блок управления состоит из блока согласования - 1, аналогово-цифрового преобразователя - 2, полосового фильтра - 3, интегратора - 4, генератора сигнала частотой 50 Гц - 5, усилителя - 6 и управляющего блока - 7.
Рис. 3. Зоны распределения мощности УКНН, необходимой для компенсации наведенных напряжений на линиях Л-152 (а), Л-153 (б), Л-154 (в), Л-157 (г), Л-189 (д)
Рис. 4. Блок-схема устройства для компенсации наведенного напряжения: ИЗМ - измеритель наведенного напряжения; БУ - блок управления;
ИНВ - инвертор; ДРВ1, ДРВ2 - драйверы полумостов инвертора; ИП - источник питания; ККМ - корректор коэффициента мощности; ФНЧ - фильтр высших гармоник
В1 III»-1
■»[12 П2
удалённая земля
Рис. 5. Схема подключения устройства компенсации наведенного напряжения
Работает схема следующим образом. Исходный измеренный сигнал, пропорциональный напряжению на ВЛ, после измерительного блока (ИЗМ на рис.4) поступает в блок согласования (1), где его амплитуда уменьшается до входного динамического диапазона АЦП (2). В АЦП сигнал преобразуется в цифровой вид и все дальнейшие операции происходят с цифровыми данными. Соответственно, функции, выполняемые блоками полосового фильтра (3), интегратора (4), генератора (5), осуществляются в цифровом виде. Все части блока управления, за исключением блока согласования, могут быть выполнены на основе микроконтроллера.
Рис. 6. Структурная схема блока управления УКНН: 1 - блок согласования; 2 - АЦП; 3 - полосовой фильтр; 4 - интегратор амплитуды и фазы измеряемого напряжения; 5 - управляемый формирователь ШИМ-сигнала, модулируемого частотой 50 Гц; 6 - усилитель; 7 - управляющий блок
На рисунке 7 приведены осциллограммы, полученные при моделировании работы устройства. На рис.7а приведена осциллограмма наведенного напряжения на линии до включения устройства компенсации. В рассматриваемом случае величина действующего значения наведенного напряжения составляет около 40 В. Полосовой фильтр (3 на рис.6) выделяет из сигнала напряжения, снимаемого с ВЛ, первую гармонику частоты сети 50 Гц. В интеграторе (4) интегрируется амплитуда и фаза измеряемого сигнала напряжения и формируются сигналы управления генератором. Генератор (5) представляет собой широтно-импульсный модулятор, который формирует ШИМ-сигнал с несущей частотой 10-20 кГц и модулирующим сигналом частотой 50 Гц, амплитуда и фаза которого определяются выходными сигналами интегратора. После усиления по амплитуде в усилителе (6) ШИМ-сигнал поступает на инвертор (ИНВ на рис.4), который формирует на выходе УКНН компенсирующий сигнал напряжения. На рис.7б приведены осциллограммы выходного напряжения инвертора (ШИМ-последовательность) и напряжения на выходе ФНЧ (выделена красным цветом).
Амплитуда выходного напряжения УКНН и его фаза меняются таким образом, чтобы скомпенсировать сигнал наведенного напряжения на ВЛ. При этом напряжение на входе интегратора становится равным нулю. На рис.7 в приведена осциллограмма выходного напряжения УКНН, а на рис. 7г - осциллограмма напряжения на ВЛ. Интервал времени до 0.33 с соответствует времени выхода УККК в режим компенсации. На интервале времени после 0.33 с видно, что первая гармоника наведенного напряжения на ВЛ скомпенсирована. На линии остается напряжение с амплитудой, не превышающей 10 В, содержащее высшие гармоники наведенного напряжения (рис.7г).
При изменении параметров наведенного напряжения сигнал на входе интегратора изменяется и блок управления начинает корректировать амплитуду и фазу компенсирующего напряжения таким образом, чтобы снова уменьшить напряжение на входе интегратора до нуля и тем самым обеспечить компенсацию наведенного напряжения.
и, в
0 0 0.1 0.2 0.3 0.4
г) и
Рис. 7. Осциллограммы, поясняющие работу устройства компенсации
наведенного напряжения: а - наведенное напряжение на линии без использования устройства; б - напряжение на выходе инвертора УКНН и напряжение на выходе ФНЧ (выделено красным цветом); в - выходное напряжение УКНН после включения устройства; г - напряжение на ремонтируемом участке ВЛ после включения устройства компенсации наведенного напряжения
Выводы
При использовании устройства компенсации наведенного напряжения увеличивается протяженность участков ВЛ, на которых обеспечивается безопасный уровень наведённого напряжения при заземлении линии по концам. Соответственно, появляется возможность отказаться от опасного мероприятия разземления линии по концам.
Моделирование в программе ATP-EMTP показало, что при использовании устройства компенсации мощностью до 5 кВт на большей части рассмотренных линий возможно скомпенсировать наведенное напряжение и уменьшить его величину до 25 В и, соответственно, выполнить требования «Правил охраны труда при эксплуатации электроустановок».
Также было показано, что при проведении ремонтных работ на тех участках ВЛ, на которых устройство компенсации наведенного напряжения с генератором мощностью до 5 кВт не позволяет уменьшить наведенное напряжение до требуемого уровня, возможно применение дополнительных мер. Так, например, разземление линии на отпайках уже делает возможным применение устройства компенсации указанной мощности на этих участках ВЛ.
Литература
1. Правила по охране труда при эксплуатации электроустановок (приложение к приказу Министерства труда и социальной защиты РФ от 24 июля 2013 г. № 328н) [Электронный ресурс] // Министерство труда и социальной защиты Российской Федерации: офиц. сайт. URL: http://www.rosmintrud.ru / docs/ mintrud /orders/161/Pravila_po_ohrane_truda.doc (дата обращения: 11.04.2016).
2. EEUG ATP-EMTP ATPDraw: site. URL: http://www.eeug.org/ (дата обращения: 11.04.2016).
3. Селиванов В. Н. Использование программы расчета электромагнитных переходных процессов ATP-EMTP в учебном процессе // Вестник МГТУ. 2009. Т. 12, № 1. С, 107-112.
Сведения об авторах Андреев Дмитрий Иванович,
студент Кольского филиала Петрозаводского государственного университета, эл. почта: [email protected]
Колобов Виталий Валентинович,
ведущий научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к. т. н., доцент кафедры электроэнергетики и электротехники КФ ПетрГУ. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А, эл. почта: [email protected]
Баранник Максим Борисович,
научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А, эл. почта: [email protected]
Яковлев Валерий Иванович,
старший научный сотрудник, профессор кафедры ТВН, Электроизоляционная
и кабельная техника Санкт-Петербургского политехнического университета
Петра Великого (ФГАОУ ВО «СПбПУ), д. т. н.
Россия, 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29,
эл. почта: [email protected]
