Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Трёхфазно-трёхфазные преобразователи для плавки гололёда на проводах воздушных линий электропередачи 17
1.1. Способ плавки гололёда импульсами постоянного тока одновременно на трёх фазах воздушной линии 17
1.2. Схемы, реализующие способ плавки гололёда управляемыми импульсами постоянного тока 21
1.2.1. Схема ДУ ВУПГ с одним источником питания и 6-ю полюсами на базе непосредственного преобразователя частоты 21
1.2.2. Схема ДУ ВУПГ с одним источником питания и 4-мя полюсами на базе непосредственного преобразователя частоты 24
1.2.3. Схема ДУ ВУПГ с двумя источником питания, включёнными последовательно 29
1.2.4. Схема ДУ ВУПГ с двумя источниками питания, включёнными параллельно 33
1.2.5. Схема ДУ ВУПГ со звеном постоянного тока и тиристорным коммутатором 34
1.2.6. Схемы ДУ ВУПГ со звеном постоянного тока, тиристорным коммутатором и питанием от двух трёхфазных источников 37
1.2.7. Питание ДУ ВУПГ от двухфазного источника 38
1.2.8. Классификация схем ДУ ВУПГ 39
1.3. Выводы по первой главе 41
ГЛАВА 2. Оптимизация плавки гололёда от дискретно управляемой выпрямительной установки 42
2.1. Оптимальное управление полнофункциональными схемами ДУ ВУПГ 42
2.2. Оптимальное управление схемами ДУ ВУПГ с ограниченной функциональностью 46
2.3. Оптимальное управление ДУ ВУПГ при плавке гололёда на коротких линиях электропередачи з
2.4. Оптимизация числа коммутаций полюсов ДУ ВУПГ 53
2.5. Выбор максимальной длительности периода повторяемости импульсов постоянного тока 55
2.6. Выводы по второй главе 60
ГЛАВА 3. Способы плавки гололёда на проводах вл от дискретно управляемой выпрямительной установки 61
3.1. Сравнение способов плавки гололёда в распределительных сетях 61
10 – 110 кВ 61
3.2. Зоны плавки гололёда от ДУ ВУПГ 69
3.2.1. Зона одновременной плавки гололёда на трёх фазах ВЛ 70
3.2.2. Зона поочерёдной плавки гололёда на фазах ВЛ 71
3.2.3. Схема с удлинителем для плавки гололёда на воздушных линиях электропередачи 72
3.3. Использование земли в качестве токопровода при плавке гололёда импульсами постоянного тока 77
3.4. Снижение тока плавки использованием бестоковых пауз 85
3.5. Выводы по третьей главе 90
ГЛАВА 4. Разработка общей схемы плавки гололёда от дискретно управляемой выпрямительной установки 91
4.1. Расчётные таблицы для определения параметров режима плавки гололёда на ВЛ 91
4.2. Расчёт параметров режима плавки гололёда на ВЛ с использованием расчётных таблиц 94
4.2.1. Расчёт максимально допустимого тока участка ВЛ, свободного от гололёда 94
4.2.2. Расчёт тока профилактического подогрева 96
4.2.3. Расчёт тока 40-минутной плавки 97
4.2.4. Расчёт тока Т-минутной плавки 97
4.2.5. Расчёт толщины стенки гололёда, проплавляемой заданным током плавки за 40 мин 98 4.2.6. Расчёт времени плавки гололёда при заданных токе плавки и толщине
стенки гололёда 99
4.2.7. Расчёт времени i-плавки при нарастании толщины стенки гололёда 100
4.3. Определение времени плавки гололёда и расхода электроэнергии при увеличении тока плавки до максимально допустимого значения 101
4.4. Интегральная оценка эффективности схем плавки гололёда на воздушных линиях электропередачи 107
4.4.1. Расчёт интегрального показателя эффективности для участка воздушной линии 112
4.4.2. Расчёт интегрального показателя эффективности для ВЛ, состоящей из участков с разными марками проводов 114
4.4.3. Расчёт интегрального показателя эффективности для электрической сети или отдельного района 115
4.4. Способы повышения эффективности схем плавки гололёда 115
4.5. Исследование интенсивности гололёдообразования на проводах ВЛ с использованием опытных данных 118
4.6. Имитационное моделирование плавки гололёда в районе электрических сетей 128
4.6.1. Общие сведения об имитационном моделировании 128
4.6.2. Обоснование необходимости и назначение имитационного моделирования плавок гололёда в районе электрических сетей 130
4.6.3. Выбор подстанций для установки ДУ ВУПГ и ЗРПГ 130
4.6.4. Алгоритм имитационного моделирования плавок гололёда в районе электрических сетей 137
4.6.5. Пример имитационного моделирования плавок гололёда в Александровском РЭС 139
4.7. Выводы по четвертой главе 144
ГЛАВА 5. Автоматизированная система управления дискретно управляемой выпрямительной установкой плавки гололёда 146
5.1. Выбор программируемого логического контроллера как основного элемента системы управления ДУ ВУПГ 146
5.2. Промышленные испытания системы управления макетом дискретно управляемой выпрямительной установки плавки гололёда 150
5.3. Программа для ЭВМ «Расчёт настроек контроллера плавки гололёда» 153
5.4. Контроль отказов дискретно управляемой выпрямительной установки плавки гололёда 155
5.5. Выводы по пятой главе 161
Заключение 162
Список использованных источников 165
- Схемы, реализующие способ плавки гололёда управляемыми импульсами постоянного тока
- Оптимальное управление схемами ДУ ВУПГ с ограниченной функциональностью
- Использование земли в качестве токопровода при плавке гололёда импульсами постоянного тока
- Расчёт максимально допустимого тока участка ВЛ, свободного от гололёда
Схемы, реализующие способ плавки гололёда управляемыми импульсами постоянного тока
Применение трёхфазно-трёхфазного тиристорного преобразователя [15] (ТТТП - «трёхфазный источник питания - три фазы ВЛ») позволяет отказаться от применяемой в настоящее время поочередной плавки гололёда за два или три цикла по схемам «фаза - фаза», «фаза - 2 фазы» [11] и выполнять одновременную плавку гололёда на трёх фазах воздушной линии электропередачи. Известны схемы ТТТП с фазовым управлением, осуществляемым изменением угла регулирования независимо в каждой из нескольких катодных и анодных трёхфазных тиристорных групп. При этом способе управления достигается цель снижения расхода электроэнергии и времени плавки гололёда, но существенно усложняется и удорожается тиристорный преобразователь. Следует отметить также, что управление трёхфазно-трёхфазным тиристорным преобразователем по условию поддержания одинакового действующего значения тока в фазах приводит к разновременности проплавления фаз, поскольку, как правило, различны отложения гололёда на подветренной и надветренной фазах воздушной линии, на проводах разных ярусов. После опадания гололёда на одной или двух фазах плавка по существующим схемам продолжается, т.е. энергия, затрачиваемая на нагрев фаз, освободившихся от гололёда, бесполезно теряется.
В предлагаемом способе управление ТТТП для одновременной плавки гололёда на трёх фазах ВЛ осуществляется двумя способами: - непрерывное управление, обеспечивающее формирование последовательности импульсов постоянного тока и бестоковых пауз одновременно в трёх фазах ВЛ. Схема соединения фаз ВЛ после каждого импульса изменяется. Длительность импульсов влияет на действующее значение тока за период повторяемости импульсов и определяется по толщине стенки гололёда на каждой из трёх фаз воздушной линии и погодными условиями; - дискретное управление, осуществляемое путём изменения параметров схемы плавки гололёда (СПГ): длины проплавляемой ВЛ, числа источников питания ТТТП (1 или 2), числа фаз трёхфазного источника питания (3 или 2).
Трёхфазно-трёхфазный тиристорный преобразователь является основным элементом дискретно управляемой выпрямительной установки плавки гололёда (ДУ ВУПГ).
Для обеспечения одинакового времени плавки гололёда на трёх фазах А, В, С с различным отложением гололёда необходимо обеспечить разные действующие значения токов по условию: l2=l2-kB;Ic=IA-kc, (1.1) где кв 0, кс 0 - коэффициенты неравномерности токов в фазах воздушной линии. С использованием обобщённой формулы для расчёта времени плавки гололёда [11] в кандидатской диссертации Шовкопляса Сергея Сергеевича, выведены формулы: 1 1 + д-ЪгВ t 1 + д-ЪгС 1,43 + 0,085- 1 + q-bгA 1 + q-bгA 0,059 + 0,176- где ЬгА, ЬгВ, ЬгС, см - толщина стенки гололёда на фазах А, В и С; $в , С - температура воздуха; vг, м/с - скорость ветра, которые измеряются автоматизированной информационной системой [11].
В качестве средства, реализующего включение каждого тиристора с углом управления, близким к нулю, и обеспечивающего отключение тиристора, использована «простейшая экономичная схема управления тиристором» [72], изображенная на рисунке 1.1, а. Цепь управления между анодом и управляющим электродом тиристора замыкается ключом, что обеспечивает угол управления, близкий к нулю. В качестве ключа при реализации предложенного способа могут быть использованы как электромеханические (герконовые) реле, так и бесконтактные оптоэлектронные (оптотиристорные) реле (рисунок 1.1, б). Схема управляемого катодного полюса представлена на рисунке 1.1, в, управляемого анодного полюса – на рисунке 1.1, г.
Дискретное управление тиристорами а - с помощью электромеханического реле; б - с помощью оптотиристора; в - катодным полюсом; г - анодным полюсом Управление тиристорами осуществляется от блока управления (БУ), входящего в состав автоматизированной системы управления ДУ ВУПГ. По формируемой программе изменяются схема подключения ДУ ВУПГ к проводам ВЛ и длительность рабочих интервалов.
В качестве примера на рисунке 1.2 показана временная диаграмма формирования токов в фазах по предлагаемому способу. В каждом из трёх рабочих интервалов t\, t2, h реализуется на разных фазах схема плавки «фаза - две фазы». Период повторяемости Т должен быть меньше времени плавки гололёда tпл примерно в 10 раз (Г«0Д-ґпл), что обосновано в п. 2.5, и составляет от нескольких десятков секунд до нескольких минут. Минимальная длительность бестоковой паузы t между рабочими интервалами tt не должна быть меньше 5 (А/1 5т), где - постоянная времени затухания тока воздушной линии (5 1с).
Схема ДУ ВУПГ с 6-полюсным преобразователем изображена на рисунке 1.3. Реверсивные тиристорные группы, при одновременном включении анодного и катодного полюса создающие трёхфазное короткое замыкание, обозначены 1 – 1 , 2 – 2 , 3 – 3 . Данная установка обеспечивает максимально возможное число импульсов постоянного тока за период повторяемости в трёх фазах ВЛ, равное шести: три импульса по схеме «фаза – две фазы» («Ф – 2Ф») с переключением особой фазы и три импульса по схеме «фаза – фаза» («Ф – Ф») с переключением сочетания двух фаз [40]. БУ 1 1 і и 1і Г 2 к . ВЛ
Оптимальное управление схемами ДУ ВУПГ с ограниченной функциональностью
Предыдущий способ имеет преимущество перед последующим в перечне по времени плавки гололёда и расходу электроэнергии, но охватывает меньшую зону. Каждая зона определяется длиной ВЛ или активным сопротивлением фазы при 0С, поскольку плавка от дискретно управляемой выпрямительной установки плавки гололёда выполняется импульсами постоянного тока и максимальная температура воздуха при плавке гололёда не превышает 0С.
Зона одновременной плавки гололёда на трёх фазах ВЛ Если выбирать в качестве особой фазы А при плавке гололёда от ДУ ВУПГ интервалами «фаза - две фазы» («Ф - 2Ф») ту фазу, в которой наибольшее гололёдообразование, то кв 1 и кс 1[65]. Для одновременной плавки гололёда при этом нужно увеличивать интервал времени t1 , в котором ІА=І(І , что приводит к увеличению действующего значения тока 1А при том же Id. Таким образом, минимальное значение IA = 0,5 -Id =0,707-Id [40] будет при кв=кс=1. Поэтому значение Ял, определяющее зону одновременной плавки гололёда при изменении особой фазы в соответствии с реальным гололёдообразованием, находится из соотношения z4_0,67i?вн, (3.10) где Iпл - ток плавки в особой фазе, выбираемый равным максимально допустимому току для участка ВЛ с минимальным сечением Iмдmin при температуре воздуха $в = 0 С и скорости ветра при гололёде vг = 2 м/с.
Значение Rл Rл(одн) определяет ПС, на которой устанавливается закорачивающий разъединитель плавки гололёда (ЗРПГ). При уменьшении Rл следует контролировать выполнение условия: Id Id ( 3 н )ом. Выполнить это условие можно переходом на схему «фаза - фаза» с одновременной плавкой гололёда на всех фазах. При этом Id снижается примерно в 1,3 раза. Дальнейшее снижение тока Iпл до Iм.дmin обеспечивается регулированием бестоковых интервалов [11]. Аналогично определяются подстанции с ЗРПГ для всех ВЛ, отходящих от узловой ПС с ДУ ВУПГ, что ограничивает искомую зону района электрических сетей. Зона поочерёдной плавки гололёда на фазах ВЛ Если участок ВЛ выходит за пределы зоны одновременной плавки, то можно выполнять плавку вместе с удалённым участком пофазно поочерёдно, изменяя в ДУ ВУПГ особую фазу в схеме «фаза - две фазы». Сопротивление ВЛ от ДУ ВУПГ до ЗРПГ, ограничивающее зону поочерёдной плавки, находится из соотношения
На рисунке 3.2 приняты следующие обозначения: ИП – источник питания СПГ переменным трёхфазным током с линейным напряжением UИП; ДУ ВУПГ – дискретно управляемая выпрямительная установка плавки гололёда, состоящая из ВТ и КТ - тиристорных выпрямителя и коммутатора; все тиристоры ВТ и два тиристора КТ показаны включёнными; ЗРПГ-1 - закорачивающий разъединитель плавки гололёда, в роли которого предложено применять автоматизированный (дистанционно управляемый) короткозамыкатель (реклоузер) трёх фаз ВЛ [54], включаемый и отключаемый без тока по команде с подстанции ПС1, где установлена ДУ ВУПГ. Если длина удлинителя совпадает с длиной участка ВЛ, то вместо ЗРПГ-1 можно использовать разъединитель на промежуточной подстанции; ЗРПГ-2 - три закорачивающих однополюсных разъединителя плавки гололеда на тупиковой подстанции ПС2, используемые для переключения проплавляемой фазы ВЛ на участке /2; ЗУ1, ЗУ2 - заземляющие устройства на
ПС1 и ПС2, рассчитанные на допустимый ток плавки одного провода; , /2 -длины трёхфазного удлинителя и участка, проплавляемого пофазно, + /2 = /ВЛ – длина ВЛ.
Плавка гололёда на ВЛ от СПГ с удлинителем выполняется в два этапа. На первом этапе гололёд плавится постоянным током пофазно на участке /2 с использованием земли в качестве токопровода. Для этого включается ЗРПГ-1, соединяющий параллельно три фазы ВЛ на участке , один разъединитель
ЗРПГ-2, а затем ДУ ВУПГ, как показано на рисунке 3.2. Включение следующего ЗРПГ-2 выполняется при отключённой ДУ ВУПГ. На втором этапе гололёд плавится на участке l1 при включённом ЗРПГ-1 и отключённых ЗРПГ-2 путём автоматического переключения схем «фаза - две фазы» от ДУ ВУПГ.
Использование земли в качестве токопровода при плавке гололёда импульсами постоянного тока
В качестве объекта исследования были использованы 5 воздушных линий с номинальным напряжением 35 кВ и 110 кВ, принадлежащие Камышинским электрическим сетям «Волгоградэнерго», на которых установлена автоматизированная информационная система контроля гололёдной нагрузки (АИСКГН). Сбор информации производился в течение 2011 – 2012 и 2012 – 2013 осенне-зимних сезонов. Сведения о гололёдной нагрузке (кг) в формате таблиц поступали от установленных на опорах тензорезисторных датчиков. В таблице 4.5 в качестве примера приведены некоторые данные о гололёдной нагрузке.
Для анализа из общего количества измерений были выбраны случаи гололёдообразования на каждой из ВЛ с непрерывным ростом толщины стенки гололёдной муфты до некоторого максимального значения. Пример одного из таких случаев приведён на рисунке 4.6 (сплошная линия). bг
Каждый график процесса гололёдообразования был разбит на два участка (штриховая линия на рисунке 4.6): 1) участок роста гололёда, который использовался для определения интенсивности гололёдообразования по формуле (4.7); 2) участок неизменной толщины стенки гололёда, с помощью которого определялось максимальное значение bгmax в каждом конкретном случае. Определение максимальной толщины стенки гололёда bгmax осуществлялось с использованием допущения о равенстве угла наклона линейной аппроксимации участка роста гололёда на всём протяжении времени обледенения tоб . Искомая величина Ьгmax определялась по критерию равенства двух площадей, ограниченных: - реальным графиком образования гололёда на ВЛ и осью времени; - линейной аппроксимацией участка роста гололёда, временем начала плавки гололёда на ВЛ tг и осью времени.
Всего на проводах рассматриваемых ВЛ за два года было зафиксировано 83 случая непрерывного нарастания гололёда. Полученные значения интенсивности гололёдообразования Ксрд и соответствующей максимальной толщины стенки гололёда Ьгmax приведены в таблице 4.6.
На рисунке 4.7 показаны точечные данные полученной выборки в координатах bг max, мм, и Vсрд, мм/час. Из представленного графика хорошо видно, что значения интенсивности гололёдообразования и максимальной толщины стенки гололёда практически не коррелируются между собой. Значение линейного коэффициента корреляции составляет 0,42, что по шкале Чеддока соответствует умеренной связи между факторами bг max, мм, и Vсрд, мм/час.
Выборки расчётных значений по интенсивности гололёдообразования и максимальной толщине стенки гололёда были обработаны методом «сгруппированных данных». Рассмотрим для примера обработку выборки значений по интенсивности гололёдообразования.
Во многих случаях при изучении экстремумов метеорологических величин необходимо выяснить, проявляет ли последовательность экстремальных значений регулярное поведение, то есть насколько вероятно появление этих значений в пределах заданных временных интервалов [25]. Вероятность того, что конкретное наблюдаемое значение превзойдёт достаточно большую величину х, будет равна
Согласно информации специалистов Камышинских электрических сетей «Волгоградэнерго», рассматриваемые два осенне-зимних сезона можно считать характерными в отношении гололёдообразования. Однако выборка данных за 2 года будет нерепрезентативной по отношению к генеральной совокупности, которая в соответствии с требованиями [52] должна формироваться за 25 лет.
Для определения периода повторяемости T(x) , который с достаточной точностью характеризуется данными за 2 года, было произведено сравнение количества плавок на двух ВЛ, входящих в число рассматриваемых, и двух произвольно выбранных ВЛ того же класса напряжения и с таким же сечением проводов из журнала плавок гололёда Камышинских электрических сетей. Сравнение показало, что равное количество плавок наблюдается при T(x) = 4.
Чтобы получить статистический ряд распределения частот запишем интервалы таблицы 4.7 по одному представлению - середине интервалов. Заменим частоты относительными частотами и получим статистический ряд распределения относительных частот, приведённый в таблице 4.8.
Расчёт максимально допустимого тока участка ВЛ, свободного от гололёда
Программа получает информацию от автоматизированной информационной системы контроля гололёдной нагрузки (АИСКГН), в состав которой входят датчики температуры, скорости и направления ветра, датчики гололёдной нагрузки. Состав входных данных: - температура воздуха, &в, С; - скорость ветра, vг, м/с; - гололёдная нагрузка на фазы А, В, С - P г A, P гB, P г C, кг.
В случае отсутствия данных о гололёдной нагрузке во всех трёх фазах (датчики гололёдной нагрузки установлены в одной или в двух фазах), предусмотрена возможность задания недостающих значений.
В случае отсутствия данных о температуре воздуха, скорости ветра, направлении ветра предусмотрена возможность задания недостающих значений.
Полученные от датчиков значения гололёдной нагрузки PгA,PгB,PгC, кг преобразуются в толщину стенки гололёда b г A, bгB, bгC, мм, на каждой фазе по формуле: Рг-лl вес где d прДГН, мм - диаметр провода, на котором установлен датчик гололёдной нагрузки (ДГН); Pг, кг - масса гололёдных отложений на фазном проводе; рг, кг/м3 - плотность гололёда, принята в расчётах равной 900 кг/м3; lвес, м - длина весового пролета. Информация о длинах весовых пролетов и диаметрах проводов, на которых установлены ДГН, составляют «Базу данных о проводах и пролётах с ДГН». Если ДГН на ВЛ несколько, то принимаются к дальнейшим вычислениям показания того ДГН, который сигнализирует о наибольшей гололёдной нагрузке на одну из фаз: (P г A или P г B или P г C) max.
Пример выбора данных в случае наличия нескольких ДГН на одной ВЛ. Показания 1-го ДГН: P г A=300кг; PгB=200кг; P г C =300 кг. Показания 2-го ДГН: P г A=600кг; PгB=200кг; P г C =100 кг; В таком случае принимаем к расчётам показания 2-го ДГН, так как он сигнализирует о наибольшей гололёдной нагрузке на одну из фаз. 2. База данных о схемах плавки гололёда в районе электрических сетей Для каждой СПГ, которая будет реализовываться с помощью программируемого логического контроллера (ПЛК) должны быть заранее получены данные на основе имитационного моделирования. Для каждой из СПГ должны быть известны:
В программе вручную задается только номер СПГ. Все прочие параметры формируют базу данных о схемах плавки гололёда в районе электрических сетей. Дополнительно должен быть задан номинальный выпрямленный ток ДУ
ВУПГ при трёхфазном питании Id ом, А и двухфазном питании Id ом, А. Также отдельно задается значение допустимой средней температуры провода &срд ,С и максимально допустимое мгновенное значения температуры провода в особой фазе Змд,оС.
Очерёдность применения каждой конкретной СПГ на ВЛ района электрических сетей определяется значением интегрального показателя эффективности СПГ K СПГВЛ .
Проверка условия «Плавка гололёда на проводах ВЛ» Возможные варианты: да - плавка гололёда осуществляется на проводах ВЛ, программа продолжает работу; нет - плавка гололёда осуществляется на грозозащитном тросе, переход к подпрограмме. 189 4. Проверка условия «Плавка по схеме с удлинителем» Если индивидуальный номер СПГ, введенный пользователем, соответствует плавке гололёда по схеме с удлинителем, см. п.
Расчёт максимально допустимого тока Iм д, А при неизменном значении тока выполняется по табл. А (Приложение А) для минимального сечения (марки) провода (п.2), входящего в СПГ, при заданных погодных условиях (п.1) и направлении ветра вдоль провода (=0 град) методом линейной интерполяции.
Здесь и далее во всех случаях при скорости ветра менее 2 м/с и более 15 м/с линейная интерполяция так же необходима. Определение критической толщины стенки гололёда Критическая толщина стенки гололёда bгкр, мм определяется по табл. Б (Приложение А) для заданных погодных условий (п.1) методом линейной интерполяции. Расчёт тока 40-минутной плавки I(40), А Расчёт тока 40-минутной плавки I (т, А выполняется по табл. В (Приложение А) для максимального сечения (марки) провода (п. 2), входящего в СПГ, при заданных погодных условиях (п. 1), для значения толщины стенки гололёда на верхней фазе (п. 2) методом линейной интерполяции.