Аннотация
Выпускная квалификационная работа на тему «Реконструкция
подстанции 110/10 кВ с установкой оборудования для плавки гололёда»
выполнена в объеме 57 страницы пояснительной записки формата А4 и 4
графических чертежей на листах формата А1.
В выпускной квалификационной работе произведён расчет
оборудования для плавки гололёда.
В введении представлена информация о проблеме гололёдных
отложений на высоковольтных линиях Южного региона и обоснование
борьбы с ним.
В теоретической части показана сущность борьбы с гололёдным
образованием. Были рассмотрены теоретические основы плавки гололёда для
Юго-Восточной электрической сети, выбран наиболее эффективный тип
плавки гололёда в условиях Юго-Восточной электрической сети,
рассмотрены общая схема сети и схема подстанции, где будет вводиться
рассматриваемый метод.
В практической части представлена схема сборки плавки гололёда,
произведены расчеты для выбранного типа плавки, представлена
конструкция оборудования плавки гололёда.
В заключении представлены перспективы выбранного типа плавки
гололёда для использования на воздушных линиях Юго-Восточной
электрической сети.
Abstract
The final qualifying work on the topic "Reconstruction Substation of 110/10
kV with the installation of equipment for melting ice" was completed in the
volume of 57 pages of an explanatory note in A4 format and 4 graphic drawings on
sheets of A1 format.
In the final qualifying work, I will make a calculation of equipment for
melting ice.
The report provided information about the problem of ice deposits on high-
voltage lines in the southern region and the rationale for combating it.
The theoretical part shows the essence of the fight against ice formation.
Was considered the theoretical basis of the ice melting in South-East electrical
networks, the most efficient type of ice melting in the conditions of South-Eastern
electric networks, are considered the overall network diagram and scheme of the
substation where it will enter the method.
In the practical part, the Assembly diagram of ice melting was presented,
calculations were made for the selected type of melting, and the design of ice
melting equipment was presented.
In conclusion, the prospects of the selected type of ice melting for use on the
air lines of the South-Eastern electric network were grid.
7
Оглавление
Список принятых сокращений: ............................................................................. 9
Введение ................................................................................................................. 10
1 Теоретическая часть ....................................................................................... 12
1.1 Общая характеристика энергорайона .................................................. 12
1.2 Характеристика ПС Пролетарская, как источника мощности для
плавки гололёда ..................................................................................................... 13
1.3 Основные методы плавки гололёда ..................................................... 13
1.4 Выбор наиболее эффективного вида плавки гололёда в условиях
Юго-Восточной электрической сети ................................................................... 23
1.5 Альтернативный способ плавки гололёда в условиях ЮВЭС ......... 25
1.6 Автоматизация процесса удаления намерзшего льда c проводов
ЛЭП……………………………………………………………………………….27
1.7 Требования к релейной защите СПГ ................................................... 30
2 Практическая часть ......................................................................................... 32
2.1 Условия и цели расчетов режимов плавки гололёда ......................... 32
2.2 Условия оптимального выбора плавки гололеда на ВЛ 110 кВ ....... 36
Исходные данные, необходимые для выбора способа плавки................... 36
2.2.1 Расчет плавки гололеда переменным током ....................................... 36
2.2.2 Расчет плавки гололеда постоянным током ........................................ 37
2.3 Расчёт режима плавки гололёда переменным током в линии 110
кВ………………………………………………………………………………….39
2.3.1 Определение полного эквивалентного сопротивления току плавки
участка фазы ВЛ .............................................................................................. 39
2.3.2 Определение приведенного к ступени напряжения плавки полного
эквивалентного сопротивления току плавки, участвующих в плавке
обмоток двухобмоточного автотрансформатора, питающего схему
плавки………………………………………………………………………...40
8
2.3.3 Определение приведенного к ступени напряжения плавки полного
эквивалентного сопротивления току плавки электрической системы
граничащей с шинами высокого напряжения ПС питающей схему
плавки………………………………………………………………………...40
2.3.4 Определение величины тока плавки гололеда на проводах ВЛ по
способу трехфазного КЗ ................................................................................. 41
2.3.5 Определение величины минимально-необходимого тока плавки
гололеда на проводах ВЛ при заданных погодных условиях .................... 42
2.3.6 Определение величины максимально-допустимого тока плавки
гололеда на проводах ВЛ по условию сохранения их механической
прочности при заданных погодных условиях .............................................. 44
2.3.7 Определение времени, которое необходимо для расплавления
гололедного отложения на проводах ВЛ при заданных погодных
условиях ........................................................................................................... 45
2.3.8 Определение величины максимально-допустимого тока плавки
гололеда на проводах ВЛ по условию сохранения их механической
прочности при наихудших погодных условиях .......................................... 46
2.4 Расчет мощности и выбор типа трансформатора для плавки
гололёда. ................................................................................................................. 47
2.5 Вопросы монтажа автотрансформатора для плавки гололёда .............. 49
2.5.1 Требования безопасности при монтаже автотрансформатора для
плавки гололёда .............................................................................................. 49
2.5.2 Транспортировка и разгрузка автотрансформатора ........................... 50
2.5.3 Приемо-сдаточные испытания автотрансформаторов ....................... 52
2.5.4 Меры безопасности при монтаже автотрансформатора для плавки
гололёда ........................................................................................................... 53
Заключение ............................................................................................................ 55
Список используемой литературы ...................................................................... 56
9
Список принятых сокращений:
АИСГН – автоматизированная информационная система контроля
гололедной нагрузки;
АРМ – автоматизированное рабочее место;
БП – блок питания;
ВДТ – вольтодобавочный трансформатор;
ВЛ – Воздушная линия;
ДГН – датчик гололедной нагрузки;
ДТ – датчик температуры;
ИБП – источник бесперебойного питания;
КВЛ – Кабельно-воздушная линия;
КЗ – Короткое замыкание;
ЛЭП – линия электропередач;
МЛП – микропроцессорный линейный преобразователь;
МПП – микропроцессорный приемный преобразователь;
МТЗ – максимальная токовая защита.
ПК – пункт контроля;
ПС – подстанция;
ПУ – пункт управления;
РМ – радиомодем;
РПМЭС – районное предприятие магистральной электрической сети;
РС – радиостанция;
РЭС – районная электрическая сеть;
СБ – солнечная батарея;
СПГ – схема плавки гололёда;
ТКПГ – технологическая карта плавки гололёда;
ТН – трансформатор напряжения;
УОМ – устройство отбора мощности;
ЮВЭС – Юго-Восточные электрические сети.
10
Введение
Проблема борьбы с обледенением проводов воздушных линий
электропередачи общеизвестна. Высокая влажность воздуха, резкие
перепады температуры, ветры являются факторами, из-за которых
интенсивность обледенения проводов воздушной линии возрастает в разы.
По причине обледенения проводов, вес которых увеличивается в несколько
раз, все элементы воздушных линий подвергаются дополнительным
механическим нагрузкам. При гололёдных отложениях, превышающих
критические значения для данной воздушной линии электропередачи,
возникает вероятность обрыва проводов и тросов, разрушение изоляторов и
арматуры, а в самом худшем случае и разрушение опор [1]. При
значительных гололедных отложениях (особенно в осенне-зимний период)
возможны обрывы проводов, тросов, разрушения арматуры, изоляторов и
даже опор воздушных линий. Гололед может откладываться по фазным
проводам достаточно неравномерно.
В результате сетевые энергокомпании и потребители несут крупные
убытки, а восстановление оборванных проводов - дорогостоящий и
трудоемкий процесс.
Среднее время ликвидации гололедных аварий превышает среднее
время ликвидации аварий, вызванных другими причинами, в 10 и более раз.
Поэтому во всем мире целым рядом компаний и организаций активно
ведутся исследования и разработка способов и устройств, для борьбы со
льдом на линиях электропередач.
Гололедные отложения представляют большую опасность для
нормальной эксплуатации ВЛ. Они могут вызвать:
– разрегулировку проводов и их сближение между собой;
– сближение проводов при их подскоке вследствие
неодновременного сброса гололедных отложений;
11
– интенсивную пляску проводов, вызывающую короткие
замыкания между проводами, ожоги проводов, а в некоторых случаях
повреждение линейной арматуры и креплений, их обрывы.
– значительную перегрузку проводов, особенно при повреждении
проводов электрической дугой;
– перегрузку и поломку траверс;
– разрушение опор в результате обрыва проводов, когда возникшие
неуравновешенные нагрузки на опоры от оставшихся проводов значительно
превышают расчетные, а также при сочетании гололедных отложений с
сильным ветром, в результате чего возникают вибрация и пляска проводов.
Учитывая тяжелый характер гололёдно-ветровых аварий, объясняемый
большим ущербом, наносимым предприятиям электрических сетей (прямым
нарушением сетей) и потребителям электрической энергии (косвенный
недоотпуск электроэнергии), большими затратами времени и материальных
ресурсов, необходимых для восстановления нормального электроснабжения
и значительным снижением надежности электроснабжения потребителей, а в
некоторых случаях для потребителей I и II категории ее необеспечением,
необходимо принимать меры по предотвращению гололёдно - ветровых
аварий.
12
1 Теоретическая часть
1.1 Общая характеристика энергорайона
Филиал ОАО «Ростовэнерго» Юго-Восточные электросети в настоящее
время представляет собой крупное специализированное предприятие,
которое осуществляет электроснабжение промышленных и
сельскохозяйственных потребителей на территории г. Сальска и 5
административных районов Ростовской области: Сальский, Орловский,
Песчанокопский, Пролетарский, Целинский.
ЮВЭС обслуживает 6 подстанций 35-110 кВ с установленной
мощностью трансформаторов 514,68 тыс. кВА, 15З8 км.- длина ВЛ 35 кВ и
выше, ВЛ 10 кВ - 4990 км, ВЛ 6 кв-4064 км, ТП 10/0,4 кВ - 2070 штук,
мощностью 285,7 тыс. кВА [2].
Предприятие ЮВЭС не имеет генерирующих источников
электроэнергии. Нагрузка покрывается за счет перетоков по транзитным
линиям от других предприятий энергосистемы: Тихорецкая-Песчанокопская,
Зерновая-Сальская, Харьковская-Куберле, Ганчуки-Октябрьская.
Основными питающими линиями являются линии 220 кВ от РПМЭС:
Зерновая-Сальская и Песчанокопская-Тихорецкая. В зимний период по этим
ВЛ принимается 60% всей электроэнергии, в летний - 40%.Связь с соседними
предприятиями (прием- передача) осуществляется по ВЛ 110 кВ: Егорлык-
Целина - с ЮЭС, Харьковская- Куберле, Ганчуки- Октябрьская, Зимовники-
Тяговая - с ВЭС.
В районах электрической сети передача электроэнергии основным
потребителям осуществляется от головных подстанций 110-35 кВ по
распределительной сети 10/0,4 кВ. Всего подстанций 110 кВ-12 штук, 35 кВ-
54 штуки (2 подстанции РПМЭС).
Распределительная сеть 6-10/0,4 кВ обслуживается в каждом
административном районе районными электрическими сетями (РЭС). ЮВЭС
13
обслуживают 5 РЭСов: Орловский, Пролетарский, Песчанокопский,
Сальский, Целинский.
Свыше 50 % силового и коммутационного оборудования ПС 110 кВ
энергорайона находиться в работе более 25 лет, что является
подтверждением истечения нормативного срока работы оборудования [3]. А
это, в свою очередь, определяет необходимость реконструкции и
модернизации существующих подстанций и установленного на них
оборудования.
1.2 Характеристика ПС Пролетарская, как источника мощности
для плавки гололёда
В моей выпускной квалификационной работе ПС Пролетарская с
рабочим напряжением 110/35/10 кВ принадлежит и обслуживается филиалом
ОАО "Ростовэнерго" Юго-Восточные электрические сети. По своему типу
подстанция является узловой и обеспечивает передачу электроэнергии между
двумя узловыми подстанциями "Орловская" и "Сальская".
Основной задачей подстанции является электроснабжение
сельскохозяйственных коммунально–бытовых и промышленных нагрузок,
которые находятся непосредственно в районе действия ВЛ 110, 35 и 10 кВ от
данной подстанции. От шин распределительного устройства среднего
напряжения (РУ 35 кВ) производится выдача электроэнергии в местную
электрическую сеть.
На ОРУ 110 кВ и на ГРУ 35 кВ применяется система с двумя рабочими
и одной обходной системой шин. На РУ 10 кВ — схема секционирования
шин.
1.3 Основные методы плавки гололёда
Одним из методов борьбы с гололедными отложениями является
недопущение его отложения на проводах ВЛ. Наиболее распространенным
вариантом осуществления этого метода является способ перераспределения
14
нагрузок, который заключается в том, что токовая нагрузка ВЛ повышается
путем перераспределения нагрузок в сети, что достигается применением
мероприятий:
-повышение нагрузки ПС, питаемых по обогреваемым ВЛ, путем
переключения в сетях более низкого напряжения
-отключение части линий сечения, в результате чего повышается
передаваемая мощность на обогреваемой ВЛ.
Плавка гололеда на проводах является наиболее эффективным
средством борьбы с гололедными отложениями и предупреждением
гололедных аварий. Она позволяет удалить гололед на десятках километров в
течение 0,5 - 1 ч, предупредить опасность перегрузки и ликвидировать
пляску проводов.
Для нагрева проводов может использоваться как переменный, так и
постоянный ток.
В энергосистеме применяются следующие способы плавки гололеда
переменным током:
способ наложения токов;
способ встречного включения источников;
способ короткого замыкания.
Способ наложения токов
Данный способ заключается в том, что на рабочий ток накладывается
дополнительный ток, создаваемый в контуре, частью которого является
обогреваемая линия. Для этого в контур включается источник ЭДС.
Наложения токов могут быть использованы на параллельных ВЛ и
кольцевых участков сети. В качестве источника ЭДС используются ВДТ
(вольтодобавочный трансформатор).
Подстанции с блоками автотрансформатор - вольтодобавочный
трансформатор (АТ-ВДТ) позволяют получить источник плавки гололеда с
регулированием тока плавки от нуля до номинального значения, что
существенно расширяет диапазон длин обогреваемых ВЛ. Для этого
15
собирается схема (рис.1), в которой возбуждающая обмотка (ВО)
вольтодобавочного трансформатора, соединенная треугольником, отключена
от ввода НН автотрансформатора и к ней присоединены провода
обогреваемой ВЛ, закороченные на противоположном конце ВЛ.
Регулировочная обмотка (РО) вольтодобавочного трансформатора остаётся
подключенной к нейтральным выводам АТ. Отключение ВО
вольтодобавочного трансформатора от ввода НН автотрансформатора
должно производиться только при нулевом напряжении на РО
вольтодобавочного трансформатора. В такой схеме при введении в работу РО
вольтодобавочного трансформатора и наличие перетока нагрузки через АТ от
обмотки ВН к обмотке СН ток его общей обмотки протекает также через РО
вольтодобавочного трансформатора и наводит ток в возбуждающей обмотке.
Этот наведенный ток замыкается по проводам обогреваемой ВЛ [4].
Поскольку выделяемая в проводах мощность, как правило, в несколько раз
меньше мощности перетока через АТ, ток общей части обмотки АТ
практически не зависит от сопротивления обогреваемой ВЛ. Таким образом
вольтодобавочный трансформатор переводится в режим трансформатора
тока. В схеме рис. 1 предусмотрены выключатель ТВ и быстродействующий
дуговой высоковольтный короткозамыкатель (БДВК), на включение которых
действуют защиты вольтодобавочного трансформатора и обогреваемого
контура при повреждениях во время плавки. Дуговой короткозамыкатель
защищает также оборудование схемы от перенапряжений при обрывах в
обогреваемой ВЛ, так как имеет регулируемые искровые промежутки.
Для плавки не допускается использование вольтодобавочного
трансформатора в режиме регулировочного трансформатора при питании его
ВО от шин НН автотрансформатора и подключении проводов обогреваемой
ВЛ к РО вольтодобавочного трансформатора, отсоединенной от нейтральных
выводов АТ. В этом случае любое КЗ в контуре плавки будет эквивалентно
витковому замыканию вольтодобавочного трансформатора.
16
Выключатель 2В установки (рис. 1) обеспечивает также возможность
вывода вольтодобавочного трансформатора в ремонт без отключения АТ.
Рисунок 1 – Подстанции с вольтодобавочным трансформатором (ВДТ)
со стороны нейтрали общей обмотки автотрансформатора используемым для
плавки гололеда переменным током:
1В – шунтирующий выключатель; БДВК – быстродействующий дуговой
высоковольтный короткозамыкатель; РО – регулирующая обмотка ВДТ;
ВО – возбуждающая обмотка ВДТ.
Способ встречного включения источников
Плавка гололеда по этому способу применяется для ВЛ,
расположенных между соседними ПС, имеющими достаточно мощные связи
по линиям высокого напряжения. Данный способ заключается в
регулировании напряжения, подаваемого на фазу ВЛ путем изменения
взаимного углового сдвига между векторами напряжений одноименных фаз
17
[5]. На одном конце линии провода присоединяются к фазам А, В и С, а на
другом — соответственно В, С и А или С, А и В. Таким образом, на
обогреваемую линию подается не фазное напряжение, как при способе
короткого замыкания, а линейное.
Способ короткого замыкания
Плавка гололеда по способу КЗ заключается в том, что обогреваемую
линию закорачивают с одного конца, а с другого к ней подводят напряжение,
достаточное, чтобы обеспечить протекание по проводам требуемого для
плавки тока. Плавку гололёда по способу КЗ наиболее часто проводят путем:
– трехфазного КЗ;
– двухфазного КЗ;
– двухфазного КЗ (для сети с изолированной нейтралью) при
последовательном соединении проводов всех фаз и использовании земли в
качестве обратного провода- схема «змейка» (рис.2).
Наиболее простым и удобным способом плавки является способ
трехфазного КЗ в длительном режиме замыкания. Он позволяет произвести
плавку гололеда на всех фазах ВЛ в один этап. При токах, превышающих
допустимый ток плавки данного способа, используются остальные способы
плавки гололеда.
Способ двухфазного КЗ увеличивает время плавки гололеда вдвое за
счет проведения двух этапов: плавка на первом этапе проводится на проводах
двух фаз ВЛ, а на втором-третьем проводе с одним из освободившихся от
гололеда проводов. Этот способ используется при недостаточной мощности
питающего трансформатора.
Схема «змейка», на контурах используемых заземлений, наводит
значительные потенциалы и использует землю в качестве обратного провода,
поэтому её применение представляет повышенную опасность для персонала,
принимающего участие в плавке, а также отрицательно влияет на цифровые
устройства, сигнализацию и связь, может способствовать разрушению
имеющихся подземных сооружений, за счет протекания в земле больших
18
токов. Данная схема применяется на коротких линиях. Схему трехфазного КЗ
можно использовать также:
– в повторно-кратковременном режиме замыкания;
– при использовании передвижных ПС;
– при использовании метода одновременных КЗ.
Способ трехфазного КЗ в повторно-кратковременном режиме
замыкания характеризуется чередованием периодов протекания тока
(рабочих периодов) с бестоковыми паузами. Данный способ повышает износ
коммутационной аппаратуры и увеличивает время проведения плавки;
используется, если токи КЗ при номинальном напряжении сети превышают
длительно допустимые по условиям нагрева проводов.
Передвижная ПС представляет собой понижающий трансформатор с
коммутационной аппаратурой для ее подключения к проводам ВЛ.
Понижающий трансформатор имеет первичное напряжение 6-10 КВ и
несколько вторичных напряжений, определяемых на стадии проектирования
схем плавки гололеда. Для подключения передвижной ПС без отключения
питающей ВЛ, в месте ее подключения должны быть установлены
коммутационные аппараты (разъединители) [6].
Метод одновременных КЗ заключается в закорачивании ВЛ в
нескольких точках; наибольшую эффективность имеет для линии с
ответвлениями, выполненными проводами меньшего сечения, когда длина
магистрали недостаточна для получения требуемого тока плавки гололеда.
Можно подобрать места установки закорачивающих аппаратов таким
образом, что ток при КЗ будет достаточным для одновременного
расплавления гололеда как на магистрали ВЛ, так и на ее отпайках- двойной
положительный эффект.
19
Рисунок 2 - Схемы плавки гололеда способом короткого замыкания:
а) подключение ВЛ W к шинам системы;
б) подключение ВЛ W через трансформатор Т;
в) подключение ВЛ W к выделенному генератору G;
г) подключение ВЛ W к выделенному блоку;
д) двухфазное короткое замыкание К(2);
е) схема "змейка".
20
При плавке гололеда на ВЛ 35-110 кВ по методу трехфазного и
двухфазного КЗ допускается закорачивание проводов заземляющими
ножами, если их спуск к контуру заземления проверен на термическую
устойчивость. Если допускает схема подстанции, целесообразно
параллельное включение нескольких заземляющих ножей (например,
заземляющих ножей линейного и обходного разъединителей). Подбором
напряжения источника и длины обогреваемой линии обеспечивается
необходимый ток плавки. Большие возможности регулирования напряжения
достигаются при выделении для плавки специального генератора (или
нескольких генераторов), это позволяет в широких пределах изменить ток и
длину линий, на которых проводят плавку. При выделении для плавки
отдельного трансформатора возможно произвести регулировку напряжения
во всем диапазоне имеющихся ответвлений. Если плавка производится от
шин сети, то напряжение может изменяться в ограниченных пределах,
соответственно ограниченно может меняться длина обогреваемой линии.
При этом время плавки составляет 10-40 мин при следующих условиях:
температура воздуха T = -5°С, скорость ветра ν = 5м/с, направление ветра -
перпендикулярно линии.
Механическое удаление гололедных отложений
Рекомендуется проводить на коротких ВЛ или на небольших участках
ВЛ, когда применение плавки гололеда невозможно или гололедные
отложения образуются не на всей ВЛ. Ограниченность применения данного
метода объясняется большой трудоемкостью и длительностью простоя ВЛ.
Возможность механического удаления гололедных отложений с ВЛ
зависит от вида отложений, формы ,внешних условий.
Свойства гололедных отложений определяют способы их удаления:
обивка, применяемая для слабо-сцепленных с проводом отложений;
скалывание - для прочих отложений.
Обивка может производиться с земли, телескопических вышек с
применением шестов длиной 5-8 метров или 1,5-2 метра. Обивка
21
производится ударами со стороны по проводу, чем вызывает волнообразное
колебание провода и отложения ломаются и осыпаются.
Скалывание производится с помощью металлического крюка или
тросика, перекидываемых через провод и протаскиваемых по проводу с
помощью шестов или канатов двумя работниками, идущими вдоль линии.
Общее количество линий по сети 110 кВ - 19,по 35 кВ - 56, по 6-10 кВ - 306.
В тоже время, опасное возникновение гололеда периодически
возникает во всех районах. Так, например, в 1996 г. гололедом были
повреждены сети 10/0,4 кВ в Целинском и Песчанокопском районе; в 2005 г.
наиболее масштабные гололедообразования наблюдались в Сальском,
Целинском, Пролетарском районах (рис.3).
Рисунок 3 – Аварии по причине гололёдообразования
В ЮВЭС ежегодно проводится подготовка к эксплуатации сетей в
осенне-зимний период, в том числе выполнение мероприятий по борьбе с
гололедообразованием на ВЛ. К таким мероприятиям относятся:
– расчеты режимов плавки гололеда;
– разработка инструкций и методических указаний;
22
– разработка технологических карт плавки гололеда;
– проведение противоаварийных тренировок с персоналом;
– подготовка схем плавки гололеда (ремонт, испытания)
Схемами плавки гололеда оборудовано 90% линий 110 кВ, 80% линий
35 кВ, 30% линий 6,10 кВ. Расчеты режимов плавки в ЮВЭС проводятся с
учетом требований инструкций по наименованию и методических указаний,
используются также и инструкции по борьбе с гололедом [7].
Для успешного проведения плавки гололеда важно обеспечить
оперативный персонал четкими и полными инструктивными материалами.
Необходима концентрация этих материалов в одном документе -
технологической карте плавки гололеда (ТКПГ), которую составляют для
каждой схемы плавки гололеда. ТКПГ должна содержать:
– наименование ТКПГ;
– электрическую схему сети с участком плавки гололеда;
– параметры участка плавки гололеда;
– последовательность производства оперативных переключений по
сборке схемы плавки из нормальной схемы сети и наоборот;
– условия проведения плавки;
– особые указания для отдельных схем;
– грифы «Утверждаю», «Разработал», «Согласовано».
Наименование ТКПГ включает:
– номер ТКПГ,
– диспетчерское наименование проплавляемой ВЛ;
– способ плавки гололеда;
– напряжение и источник питания плавки;
– проплавляемый участок.
На электрической схеме необходимо отразить все оборудование и
коммутационные аппараты, участвующие в сборке схемы плавки; отдельно
нужно выделить путь протекания тока плавки. На ТКПГ нужно указать
параметры участка плавки гололеда:
23
– марка провода;
– протяженность участка;
– допустимый ток;
– ток плавки;
– мощность, необходимая для плавки гололеда;
– загрузка трансформатора, участвующего в схеме плавки
гололеда,%
– продолжительность плавки гололеда, при расчетных условиях.
После определения схемы плавки прорабатывается последовательность
всех операций по ее сборке, предусматривающая выдачу диспетчером
комплексных оперативных заданий с учетом максимально возможной
одновременности производства операций.
Схемы плавки гололеда должны быть простыми и надежными; они
должны лишь в минимальной степени нарушать режим работы сети и
снижать качество электроэнергии, подаваемой потребителю. Схема плавки
гололеда должны вводиться в работу за время, не превышающее 0,5-1 ч.
после команды о применении плавки. С этой целью для сборки схемы плавки
гололеда должны использоваться коммутационные аппараты (выключатели,
разъединители, отделители) с дистанционным и ручным управлением.
1.4 Выбор наиболее эффективного вида плавки гололёда в
условиях Юго-Восточной электрической сети
Существует достаточно большое количество схемных вариантов
плавки гололеда, представленные ранее, которые определяются схемой
электрических сетей, нагрузкой потребителей, возможностью отключения
линий и другими факторами.
Схемы плавки гололеда должны быть простыми и надежными; они
должны лишь в минимальной степени нарушать режим работы сети и
снижать качество электроэнергии, подаваемой потребителю. Схема плавки
гололеда должны вводиться в работу за время, не превышающее 0,5-1 ч.
24
после команды о применении плавки [7]. С этой целью для сборки схемы
плавки гололеда должны использоваться коммутационные аппараты
(выключатели, разъединители, отделители) с дистанционным и ручным
управлением.
Основное деление способов плавки осуществляют по роду тока и
выделяют:
1. Плавку постоянным током;
2. Плавку переменным током.
На рисунке 4 представлены принципиальные схемы плавки гололеда, с
применением постоянного и переменного тока.
Рисунок 4 – Принципиальные схемы плавки гололеда переменным (а) и
постоянным (б) током.
Выбор применяемого тока зависит от параметров сети: номинального
напряжения, длины и сечения провода. Переменный ток нашел применение в
сетях среднего и высокого напряжения относительно малой протяженности.
При использовании переменного тока плавки нет необходимости в
дополнительной установке выпрямителя для плавки гололеда, что в свою
25
очередь ведет к уменьшению затрат. Плавка гололеда постоянным током
применяется преимущественно для линий значительной длины с большим
сечением проводов. В этом случае возникает необходимость в использовании
выпрямительной установки, которая довольно-таки дорога.
Для плавки гололеда эффективно использовать автотрансформатор в
Сальском, Целинском, Пролетарском районах (АТГ), который имеет
несколько ступеней напряжения, чем позволяет регулировать ток плавки, в
чем его значимое преимущество перед ячейками плавки гололеда (ЯГ).
Однако в настоящее время АТГ установлены лишь на ПС Сальского,
Орловского и Целинского РЭС ввиду их большой стоимости при достаточно
малой периодичности использования. Выбор пал на электротермический
способ плавки гололёда.
1.5 Альтернативный способ плавки гололёда в условиях ЮВЭС
Весьма интересно для применения электротермическое воздействие на
проводе, в результате которого возникают колебательные движения провода,
которые разрушают гололёдные образования, а так же предупреждают
образования обледенения проводов.
Такой метод позволяет уменьшить и время плавки гололёда, и не
требует отключения линии.
Суть его заключается в следующем: на проводе устанавливаются
постоянные магниты, в зазоре которых, равном диаметру провода, создаётся
постоянное магнитное поле, которое воздействует на переменный ток,
протекающий по проводу, с силой Ампера. Направления действия этой силы
будет изменяться дважды за период и вызовет смещения постоянных
магнитов и, соответственно, вибрацию провода. Этот непрерывный процесс
обеспечит удаление наледи на ранней стадии образования гололёда (рис.5).
26
Рисунок 5 - Система электромеханического воздействия на провода ВЛ для
удаления гололеда.
Силовой трансформатор 1 преобразует питающее напряжение до
нужной величины. Блок силовой электроники выпрямляет полученное от
силового трансформатора 1 напряжение и формирует импульсы тока
требуемой величины, формы и частоты, пропускаемые через провода 2 ВЛ.
Система управления, представляющая собой программируемый логический
контроллер, обрабатывает информацию с внешних датчиков гололедно-
ветровых нагрузок 3, влажности 4 и температуры 5, задает требуемую форму
и частоту импульсов тока для блока силовой электроники и управляет
работой системы в целом.
Данный способ не подходит, т.к. имеет следующие недостатки:
– необходимость непрерывного прогрева проводов для
предотвращения обледенения;
– высокая цена высокочастотных источников питания требуемой
мощности;
– использование радиопередатчиков с диапазоном частот
87,5…108 МГц может привести к невозможности создания ОВЧ-радиосвязи
и УВЧ-связи для различных экстренных служб;
27
– для него требуется установка дорогостоящего оборудования.
1.6 Автоматизация процесса удаления намерзшего льда c
проводов ЛЭП
Понятно, что удаление льда процесс эпизодический. Однако ряд
мероприятий и схемных решений позволяет его автоматизировать, например
в части контроля состояния ВЛ и принятия необходимых, часто
упреждающих, мероприятий.
В качестве параметров оценивающих состояние ЛЭП используются не
только величина ледяного покрова проводов или его масса, но и усилие
ветровой нагрузки, температура окружающей среды, влажность атмосферы.
Отечественной промышленностью выпускаются как специальные датчики
гололедно–ветровых нагрузок, предназначенные для сигнализации о наличии
гололеда на проводах ЛЭП, так и датчики для измерения массы либо
толщины льда и ветровых нагрузок на провод, температуры и т.п. Такие
датчики используются как самостоятельно для наблюдения за состоянием
линии, так и в составе автоматизированных систем [10]. В области создания
различных типов датчиков гололеда или измерения толщины льда на
проводах ЛЭП разрабатываются и изобретаются множество различных
приборов, основанных на самых различных принципах действия.
Наиболее универсальными следует признать тензометрический
датчики гололедно–ветровых нагрузок. Например, тензометрический датчик
типа ДГВН представляет собой двухканальный датчик с возможностью
одновременного измерения нагрузок в двух плоскостях – вертикальной и
горизонтальной. Датчик предназначен для контроля гололедно–ветровых
нагрузок, действующих на провода воздушных линий электропередач.
Устанавливается датчик на ВЛ взамен скобы подвески гирлянды изоляторов.
Измерение нагрузки происходит независимо в двух плоскостях:
вертикальной – масса образовавшегося льда и горизонтальной – сила ветра. В
этом случае взаимное влияние компонентов нагрузки практически полностью
28
исключается. Вес провода компенсируется во время установки датчика, а
нагрузка от натяжения провода при изменении температуры (в
горизонтальной плоскости, параллельной воздушной линии) не
воспринимается датчиком.
Преимуществом данной системы является непосредственное измерение
ветровой нагрузки на провод, покрытый гололедом, и гололедной нагрузки в
любом пролете линии. Датчик может применяться как для контроля
статических нагрузок, так и для измерения динамических (колебательных)
процессов нагруженных элементов. Датчик имеет встроенный усилитель
"токовая петля" по обоим каналам. Точность датчика составляет ±0,2 %,
систематическая составляющая погрешности не превышает ±0,2 %.
Примером такой системы может служить автоматизированная
информационная система контроля гололедной нагрузки (АИСКГН). Это
единый набор аппаратного и программного обеспечения, состоящий из:
– радиотелемеханических систем телеизмерения гололедных
нагрузок (СТГН) на ВЛ, обеспечивающие, в сочетании с беспроводными
устройствами, передачу информации о ветровых и ледовых нагрузках;
– температуре воздуха от пункта контроля (ПК) на ВЛ до пунктов
приема (ПП), а затем до пункта управления (ПУ) плавкой гололеда;
– техническое и прикладное программное обеспечение, в том числе
управляющие программы микропроцессорных радиотелемеханических
устройств СТГН и автоматизированные рабочее места (АРМ) в ПП и ПУ.
АИСКГН – это многоуровневая система цифровой обработки данных,
которая обеспечивает постоянный мониторинг гололедной нагрузки и
температуры воздуха в пунктах контроля, которые находятся на
значительном расстоянии от пунктов приема.
Архитектура АИСКГН является открытой, гибкой и модульной, что
позволяет осуществлять поэтапное развитие информационной системы для
увеличения ПК и ПП и расширения ее границ до региональной системы.
29
Функциональная схема радиотелемеханической системы телеметрии
гололёдных нагрузок (СТГН, рис.6), состоит из:
датчик гололедной нагрузки, предназначенный для приема и
передачи гололедной нагрузки (ДГН);
датчик температуры, задачей которого является контроль
температуры (ДТ);
микропроцессорный линейный преобразователь, преобразующий
входной сигнал для дальнейшей передачи и приема (МЛП);
микропроцессорный приемный преобразователь (МПП), имеет ту
же задачу что и МЛП;
радиомодем (РМ);
радиостанция (РС);
блок питания (БП);
аккумуляторная батарея, являющаяся независимым источником
питания для системы (АБ);
солнечная батарея, так же необходима для питания системы (СБ);
устройство отбора мощности (УОМ);
трансформатор напряжения (ТН);
автоматизированное рабочее место (АРМ).
В каждой контрольной точке, размещённой на опоре ВЛ, установлено
следующее оборудование:
трехфазные датчики гололедной нагрузки (ДГН);
датчик температуры (ДТ);
микропроцессорный линейный преобразователь (МЛП);
источник бесперебойного питания (ИБП).
Внедрение системы автоматического наблюдения за гололедом на ВЛ
110 кВ ПС «Пролетарская» обеспечит 24–часовое наблюдение за
образованием льда на большой площади. Повысит скорость и эффективность
принятия решений о реализации плавки льда [7].
30
Рисунок 6 - Функциональная схема радио телемеханической СТГН
1.7 Требования к релейной защите СПГ
СПГ должны быть оснащены устройствами релейной защиты от всех
видов повреждений. В СПГ переменным током на проводах ЛЭП для защиты
от междуфазных КЗ и замыканий провода или троса на землю должна
применяться токовая отсечка. Настройка токовой отсечки должна
выполняться с учетом необходимости отстройки от максимального тока
плавки.
В СПГ переменным током на проводах и грозозащитных тросах ЛЭП
для защиты от обрыва провода или троса без КЗ или с замыканием на землю
через большое переходное сопротивление должна применяться минимальная
токовая защита. Настройка минимальной токовой защиты должна
выполняться с учетом необходимости отстройки от минимального тока
плавки.
В СПГ переменным током на проводах ЛЭП по схеме встречного
включения фаз на обоих концах ЛЭП должны применяться следующие виды
защит:
31
двухступенчатая направленная дистанционная защита от
междуфазных КЗ в случае, если токовая защита от междуфазных КЗ не
обеспечивает требуемой чувствительности;
двухступенчатая токовая защита от междуфазных КЗ и замыкании
провода на землю;
одноступенчатая токовая защита нулевой последовательности от
замыкания провода на землю.
32
2 Практическая часть
2.1 Условия и цели расчетов режимов плавки гололёда
Расчеты режимов плавки в ЮВЭС проводятся с учетом требований
инструкций и методических указаний, используются также и инструкции по
борьбе с гололедом. Для расчётов плавки гололёда на предприятии
применяются программы «Гололед 110» и «Гололед 35». Данные
программные комплексы предназначены для расчета режимов плавки
гололеда на фазных проводах и грозозащитных тросах переменным или
постоянным током на всех воздушных линиях (ВЛ) энергосистемы 6-10, 35,
110, 220 кВ и выше.
Целью расчёта плавки гололёда является определение времени и токов
плавки с учетом зависимостей сопротивления провода и коэффициента
теплоотдачи от температуры, условий окружающей среды, схемы плавки,
длины гололедного участка, изменения сопротивления контура плавки в
разных циклах из-за опадания гололеда.
Расчеты нормальных режимов плавки гололеда производятся с
использованием математической модели, основу которой составляют
нелинейные дифференциальные уравнения теплового баланса, в которых
учитываются зависимости сопротивления провода и коэффициента
теплоотдачи от температуры провода [7]. Различные климатические условия
по длине воздушной линии отражаются путем разбиения ее на участки.
В методике расчета совместно рассматриваются участки ВЛ покрытые
и не покрытые гололедом, а также учитывается изменение во времени тока
плавки, температуры провода, теплового сопротивления
и коэффициента
теплоотдачи. Полное электрическое сопротивление контура плавки ВЛ
определяется как сумма сопротивлений участков. Время плавки определяется
путем численного интегрирования дифференциальных уравнений теплового
баланса [8].
33
Программа содержит базу данных, в которой можно хранить данные о
подстанциях, воздушных линиях, параметрах схем плавки и проводов
различных ВЛ энергосистемы.
Ток плавки для вышеперечисленных схем соответственно определяется
по формулам:
; (1)
; (2)
; (3)
где
— линейное напряжение;
— сопротивление заземления; —
сопротивление фазы обогреваемой линии;
— сопротивление системы,
приведенное к шинам НН питающего трансформатора;
— сопротивление
обогреваемой линии, провода которой собраны в «змейку»;
; (4)
здесь
- удельное сопротивление провода,
;
- удельное
сопротивление земли,
;
— среднее геометрическое расстояние между
осями проводов ВЛ, м;
— расчетный диаметр провода, м;
- глубина
залегания обратного тока в земле 1000 м;
- удельное сопротивление
нулевой последовательности (для ВЛ 35-110кВ с проводами АС- 50-АС-240 и
среднегеометрическим расстоянием между проводами 3-5 м,
=1,3-1,5
);
- длина ВЛ.
Допустимая температура нагрева провода определяется двумя
условиями:
– сохранением механической прочности провода (таблица 2.2);
– приближением во время плавки провода к земле или
пересекаемым объектам.
34
Таблица 2.2 - Допустимая температура нагрева проводов при плавке
гололеда по условию механической прочности проводов
Провода
Допустимая температура нагрева проводов, °С
Длительный режим
Повторно-
кратковременный режим
Алюминиевые
90
120
Медные
90
120
Сталеалюминиевые
100
130
Из алюминиевого
сплава АЖ, АН
80
100
На время плавки гололёда с учетом её кратковременности допускаемые
расстояния между проводами и землей или пересекаемым объектом
приведены в табл. 2.3 и 2.4.
Таблица 2.3 - Наименьшие расстояния между проводами ВЛ и землей или
пересекаемым объектом, допустимые на время плавки
Объект, пересекаемый ВЛ
Расстояние до объекта, м, для ВЛ
напряжением, кВ
35-110
220
330
500
Поверхность земли:
ненаселенная местность
5
6
7
7
населенная местность
6
7
6,5
7
Провода линии связи
2
3
4
4
Железные дороги широкой колеи
6,5
7,5
8
8,5
Автомобильные дороги
6,0
7
7,5
8
Провода трамвайных и
троллейбусных линий
2
3
4
4
35
Таблица 2.4 - Наименьшие расстояния между проводами или между
проводами и тросами пересекающихся ВЛ, допускаемые на время плавки
Длина
пролета ВЛ, м
Расстояние между проводами, проводами и тросами (м)
при расстоянии от места пересечения до ближайшей
опоры ВЛ, м
30
50
70
100
120
150
При пересечении ВЛ 330-500 кВ между собой и с ВЛ более низкого
напряжения
До 200
4
4
4
4,5
-
-
300
4
4
4,5
5
5,5
6
450
4
4,5
5
6
6,5
7
При пересечении ВЛ 150-220 кВ между собой и с ВЛ более низкого
напряжения
До 200
3
3
3
3
-
-
300
3
3
3
3,5
4
4,5
450
3
3
4
5
5,5
6
При пересечении ВЛ 20-110 кВ между собой и с ВЛ более низкого
напряжения
До 200
2
2
2
3
-
-
300
2
2
3
3,5
4
-
При пересечении ВЛ 10 кВ между собой и с ВЛ более низкого напряжения
До 100
1
1
-
-
-
-
150
1
1,5
1,5
-
-
-
По допустимым на время плавки расстояниям между проводом и
землей или пересекаемым объектом определяется стрела провеса,
соответствующее ей механическое напряжение в проводе и допустимая
температура нагрева провода.
36
При определении наибольших допустимых токов плавки температуру
воздуха и скорость ветра принимают по наблюдениям метеорологических
станций или гололедных постов на участках со слабым гололедом или в
местах, где он не образуется в момент проведения плавки гололеда.
2.2 Условия оптимального выбора плавки гололеда на ВЛ 110 кВ
Исходные данные, необходимые для выбора способа плавки.
Для выбора способа плавки гололеда переменным или постоянным
током был произведен расчет мощности и напряжения ПС «Пролетарская».
Исходные данные представлены в таблице 2.5.
Таблица 2.5 – Исходные данные плавки гололеда
Марка провода
АС–95
Сечение провода, мм
2
95
Удельное активное сопротивление, Ом/км
0,301
Удельное индуктивное сопротивление, Ом/км
0,42
Длительно допустимый ток, А
380
Длина линии, км
42,5
2.2.1 Расчет плавки гололеда переменным током
Принимаем величину тока плавки гололёда:
.
Рассчитаем активное сопротивление провода, как:
;
где
– удельное активное сопротивление провода,
– длина линии.
Аналогичное, индуктивное сопротивление:
.
Полное сопротивление:
37
Определим напряжение, требуемое для плавки:
.
Принимаем ближайшее номинальное напряжение
.
Для принятого напряжения уточняем значение тока плавки по
формуле:
.
Получившееся значение находится в допустимом диапазоне
1,0…2,0
.
Полная трехфазная мощность, требуемая для плавки гололеда:
.
На подстанции «Пролетарская» источником питания послужила
отдельная секция РУ 10 кВ и автотрансформатор. Длительность процесса
плавки составила 40 мин. Проверка показала высокую технологическую и
экономическую эффективность данного метода.
2.2.2 Расчет плавки гололеда постоянным током
По принятой величине тока плавки и рассчитанному сопротивлению
определим напряжение на выходе выпрямителя:
.
Определяем фазный ток и линейное напряжение на входе выпрямителя:
;
где 0,8 – коэффициент пульсации выпрямителя. Принимаем ближайшее
номинальное напряжение
:
.
Полная трехфазная мощность, требуемая для плавки гололеда:
.
Получившиеся данные занесем в таблицу 2.6.
38
Таблица 2.6 – Расчетные значения плавки гололеда
Плавка постоянным
током
Сопротивление одной фазы, Ом
13,53
Схема плавки
фаза–фаза
Напряжение плавки, кВ
10
Потребляемая мощность, МВА
9,31
Плавка переменным
током
Сопротивление одной фазы, Ом
13,53
Схема плавки
трёхфазное КЗ
Напряжение плавки, кВ
18
Потребляемая мощность, МВА
14,202
2.2.3 Сравнительный анализ методов плавки гололёда
Превышение мощности при переменном токе вызвано наличием
реактивной составляющей тока, которая приводит к более выраженному
проявлению поверхностного эффекта. И соответственно меньшему нагреву
при одном и том же токе. Однако в таких условиях, когда на подстанции
есть РУ 6–10 кВ, экономически более выгодной является плавка на
переменном токе, просто потому, что не требует дополнительного
дорогостоящего оборудования.
На более мощных линиях при отсутствии шин 6 – 10 кВ на подстанции
в любом случае необходим дополнительно выпрямитель для плавки гололеда
и при использовании постоянного тока. В этом случае плавка гололеда на
постоянном токе, оказывается более выгодной, так как линейные провода
имеют большее сечение и реактивная составляющая сопротивления на
переменном токе уже достаточно велика, что приводит к увеличению
поверхностного эффекта, тогда как при постоянном токе плотность тока по
всему сечению проводника практически одинакова и теплоотдача стального
троса улучшает качество плавки. Таким образом, для линий 220 кВ и выше
целесообразнее применять плавку гололеда постоянным током, а при низких
напряжениях более эффективно применение переменного тока.
39
2.3 Расчёт режима плавки гололёда переменным током в линии
110 кВ
2.3.1 Определение полного эквивалентного сопротивления току
плавки участка фазы ВЛ
Необходимо определить полное эквивалентное сопротивление току
плавки участка фазы ВЛ от шин питающей схему плавки ПС до места
установки линейного разъединителя плавки гололеда ЛРПГ [8].
В первую очередь определим активные и индуктивные сопротивления
участков проводов разных марок одной фазы данной ВЛ току прямой
последовательности при условии, что среднегеометрическое расстояние
между фазными проводами ВЛ составляет 2,5 м :
Для провода АС-95:
В целом для участка фазы данной ВЛ до места установки ЛРПГ
эквивалентное активное и индуктивное сопротивления току прямой
последовательности равны:
Определим полное эквивалентное сопротивление участка фазы данной
ВЛ до места установки ЛРПГ:
40
2.3.2 Определение приведенного к ступени напряжения плавки
полного эквивалентного сопротивления току плавки, участвующих в
плавке обмоток двухобмоточного автотрансформатора, питающего
схему плавки
У двухобмоточного трансформатора АТДЦН 16000/35/10 кВ активное
и индуктивное сопротивления обмоток току прямой последовательности
равны:
Приведем эти сопротивления обмоток к ступеням напряжения плавки:
Полное сопротивление последовательно соединенных между собой
обмоток высокого и низкого напряжений току прямой последовательности
определим следующим образом:
2.3.3 Определение приведенного к ступени напряжения плавки
полного эквивалентного сопротивления току плавки электрической
системы граничащей с шинами высокого напряжения ПС питающей
схему плавки
Определение величины полного эквивалентного сопротивления току
прямой последовательности электрической системы граничащей с шинами
высокого напряжения питающей ПС является само по себе сложной задачей,
которую решают службы РЗА филиалов энергосистемы. Условно примем эту
величину равной 16 Ом [8].
41
На этом основании приведем величину полного эквивалентного
сопротивления току прямой последовательности электрической системы
граничащей с шинами высокого напряжения питающей ПС к ступеням
напряжения плавки.
2.3.4 Определение величины тока плавки гололеда на проводах
ВЛ по способу трехфазного КЗ
Величина тока плавки гололеда на проводах ВЛ по способу
трехфазного КЗ определяется следующим образом:
Для того чтобы плавка гололеда прошла успешно на проводах
рассматриваемой ВЛ величиной
рассчитанного тока трехфазного КЗ,
необходимо соблюдение двух условий:
– она должна быть больше, либо равна величине минимально-
необходимого тока плавки гололеда (таблица 2.7);
– она не должна превышать величину максимально-допустимого
тока плавки гололеда при заданных погодных условиях на свободных от
гололеда проводах наименьшего сечения, подвешенных на опорах ВЛ.
Таблица 2.7 – ток плавки и предупреждение образования гололёда на
ВЛ
Марка и
сечение
провода,
мм
2
Токи плавления гололеда, А, при
продолжительности плавления, мин
Ток,
предупреждающий
образование
гололеда на ВЛ, А
30
40
60
80
100
А25
205
187
168
158
151
—
А35
255
232
208
194
186
—
42
Продолжение таблицы 2.7
А50
312
284
252
234
222
—
А70
387
350
310
287
267
—
А95
472
428
372
344
332
—
АС35/6.2
262
238
216
199
190
—
АС50/8
330
300
267
249
237
160
АС70/11
407
370
328
306
291
205
АС95/16
510
472
398
370
352
244
АС120/19
565
509
450
417
396
275
АС150/24
657
596
525
485
462
325
АС185/29
747
675
597
553
524
375
АС240/39
863
780
690
600
606
440
АС300/39
890
800
710
666
630
490
АС400/51
1045
950
854
798
750
600
АС500/64
1125
1060
970
920
875
680
2.3.5 Определение величины минимально-необходимого тока
плавки гололеда на проводах ВЛ при заданных погодных условиях
Для данного региона при проведении плавки гололеда на проводах
рассматриваемой ВЛ температура воздуха составляет -5
0
С, скорость ветра
υ=5
, а толщина стенки гололедного отложения цилиндрической формы с
объемным весом 0,9
равна 1 см на протяжении всей трассы ВЛ.
Определение величины минимально-необходимого тока плавки
гололеда производится для проводов наибольшего сечения, подвешенных на
опорах данной ВЛ.
В первую очередь рассчитаем величину удельного активного
сопротивления провода АС-95 постоянному току при ожидаемой его
температуре (0
0
С) в ходе плавки, где α – температурный коэффициент
43
сопротивления, для металлов среднее значение составляет
, а
удельное активное сопротивление провода постоянному току при его
температуре 20
0
С, Ом/м:
Так как диаметр провода
равен 1,35 см, а внешний диаметр провода
с гололёдной муфтой
равен 3,35 см, то определим тепловое
сопротивление 1 м гололедного цилиндра при переходе его от внутренней к
наружной поверхности:
Далее определим тепловое сопротивление 1 м гололедного цилиндра
при переходе от его наружной поверхности в воздух, где коэффициент
для гололеда принимается равным 0,09 , а для изморози 0,04:
Теперь определим величину минимально-необходимого тока плавки
гололеда I
мин
на проводах данной ВЛ с учетом заданных погодных условий и
времени плавки гололеда τ:
=
=
+
+
=
=
+
+
44
Так как величина минимально-необходимого тока плавки гололеда
при данных погодных условиях меньше величины тока плавки
, значит
первое из двух необходимых условий выполняется.
2.3.6 Определение величины максимально-допустимого тока
плавки гололеда на проводах ВЛ по условию сохранения их
механической прочности при заданных погодных условиях
Определение величины максимально-допустимого тока плавки
гололеда на проводах, по условию сохранения их механической прочности
при заданных погодных условиях, производится для свободных от гололеда
проводов наименьшего сечения из подвешенных на опорах данной линии ВЛ.
Произведем расчет величины удельного активного сопротивления
провода АС-95 постоянному току при максимально-допустимой его
температуре по условию сохранения его механической прочности (100):
Теперь можно определить величину максимально допустимого тока
плавки гололеда на проводах данной линии ВЛ с учетом заданных погодных
условий и проверить по полученному результату вычисления условие
сохранения их механической прочности:
где
наибольший допустимый ток плавки, А;
сопротивление 1 м провода или троса при допустимой
температуре провода, Ом;
d – диаметр провода или троса, м;
45
ɛ – постоянная лучеиспускания (для медных и алюминиевых проводов
имеет значение порядка 0,6, для остальных тросов – 0,3);
допустимая температура нагрева провода,,
t – температура воздуха,,
v – скорость ветра, м/с.
Из приведенного расчета видно, что величина максимально-
допустимого тока плавки гололеда
по условию сохранения механической
прочности проводов ВЛ при заданных погодных условиях больше, чем
значение расчетного тока
, а это означает, что второе условие тоже
выполняется.
2.3.7 Определение времени, которое необходимо для расплавления
гололедного отложения на проводах ВЛ при заданных погодных
условиях
Сделав предыдущие вычисления, видно, что расчетная величина тока
плавки
позволяет одновременно на всех участках фазных проводов
наибольшего сечения АС-95, подвешенных на опорах ВЛ осуществить
расплавление гололедного отложения с принятыми параметрами и
заданными погодными условиями за время менее часа и при этом не будет
являться причиной механического повреждения свободных от гололеда
участков фазных проводов наименьшего сечения АС-95, подвешенных на
опорах ВЛ, которое возможно при их нагреве до максимально-допустимой
температуры, соответствующей этим погодным условиям [8].
Определим время, необходимое для расплавления гололедного
отложения на проводах наибольшего сечения из подвешенных на опорах ВЛ
при заданных погодных условиях и расчетной величине тока плавки
:
46
где γ- объемный вес льда,
;
- диаметр провода без гололеда, см,
- толщина стенки гололеда, см,
- наружный диаметр провода, покрытого гололедом, см;
- абсолютное значение температуры воздуха,°С,
- теплоемкость материала провода,
(для, стали 0,462, для
алюминия 0,92
);
- объемный вес материала провода,
;
S - сечение провода,
;
I - ток плавки, А;
- сопротивление 1 м провода при температуре 20°С, Ом.
2.3.8 Определение величины максимально-допустимого тока
плавки гололеда на проводах ВЛ по условию сохранения их
механической прочности при наихудших погодных условиях
Произведем определение максимально-допустимого тока плавки
гололеда
на проводах ВЛ по условию сохранения их механической
прочности при наихудших погодных условиях для свободных от гололеда
участков фазных проводов наименьшего сечения АС-95 подвешенных на
опорах ВЛ.
47
Наихудшие условия для охлаждения проводов ВЛ свободных от
гололеда наблюдаются при отсутствии ветра (υ = 0 м/с) и температуре
воздуха равной 0
0
С и принятия тока плавки гололеда не более максимально-
допустимого значения, которое для этих условий обеспечивает то, что
максимально-допустимая температура провода не будет превышена ни при
каких условиях охлаждения провода при проведении плавки.
Этот расчет определяет значение тока плавки гололеда на проводах ВЛ,
не превышение которого обеспечит то, что температура их нагрева не
превысит максимально-допустимое значение при котором могло бы
произойти их механическое повреждение, при любых условиях охлаждения.
2.4 Расчет мощности и выбор типа трансформатора для плавки
гололёда
Плавка гололёда нуждается в надёжном источнике напряжения, в
связи, с чем производится выбор трансформаторов на ПС.
Для обеспечения необходимого напряжения для плавки гололёда при
изменяющейся нагрузке на подстанциях 35 кВ и выше следует применять
специальные устройства для автоматического регулирования напряжения
под нагрузкой (РПН), которые встраиваются в трансформаторы.
Автотрансформатор — вид трансформатора, в котором первичная и
вторичная обмотки соединены напрямую и имеют за счёт этого не только
магнитную связь, но и электрическую [9]. Обмотка автотрансформатора
имеет несколько выводов (как минимум 3), подключаясь к которым, можно
получать разные напряжения.
48
Преимуществом автотрансформатора является более высокий КПД,
поскольку лишь часть мощности подвергается преобразованию — это
особенно существенно, когда входное и выходное напряжения отличаются
незначительно. Недостатком является отсутствие электрической изоляции
(гальванической развязки) между первичной и вторичной цепью. В
промышленных сетях, где наличие заземления нулевого провода
обязательно, этот фактор роли не играет, зато существенным является
меньший расход стали для сердечника, меди для обмоток, меньший вес и
габариты, и в итоге — меньшая стоимость [9].
В процессе эксплуатации происходят повреждения оборудования для
плавки гололёда, особенно в осенне-зимний период во время проверки, после
чего их ремонтируют и снова вводят в работу. Таким образом, учитывая
моральный и физический износ электрооборудования, в данной выпускной
квалификационной работе предложена модернизация ПС «Пролетарская» с
заменой существующего трансформатора для плавки гололёда ТДНС
10000/35 У1 на автотрансформатор АТДЦН – 16000/35/10 кВ с целью
повышения надёжности и эффективности плавки гололёдных отложений.
В целях упрощения пренебрежем потерями мощности, падением
напряжения и током холостого хода. Условимся также, что нагрузкой
является активное сопротивление.
В зависимости от тока и напряжения сети, на подстанциях 35–750 кВ
предусматривают установку автотрансформатора для плавки гололёда,
мощность которого выбирается по следующей формуле:
(5)
где
– напряжение в сети;
– напряжение,
выдаваемое трансформатором в сеть;
– ток, потребляемый
трансформатором из сети;
– ток, отдаваемый трансформатором
нагрузке. Тогда мощность автотрансформатора для плавки гололёда равна:
49
Выбираем автотрансформатор АТДЦН – 16000/35/10 кВ, охлаждение с
принудительной циркуляцией масла и воздуха с ненаправленным потоком
масла (ДЦ), с двумя обмотками, имеет устройство РПН. Номинальная
мощность трансформатора 16 MBА.
Производительность автотрансформаторов определяется с учетом
аварийных и систематических перегрузок. В аварийных ситуациях
трансформаторы с системами охлаждения М, Д, ДЦ и Ц могут перегружаться
на срок до 5 дней на 40%, но не более 6 часов в день, если начальный
коэффициент нагрузки не превышает 0,93. Занесем справочные данные
автотрансформатора АТДЦН – 16000/35/10 кВ в таблицу 2.8.
Таблица 2.8 – Справочные данные трансформатора АТДЦН – 16000/35/10 кВ
Номинальная мощность трансформатора S
Т,
МВА
16
Напряжение обмотки ВН
35
Напряжение, обмоток НН
10
Напряжение короткого замыкания U
K
ВН–НН
, %
10,5
Мощность короткого замыкания ΔP
K
, кВт
90
Мощность. холостого хода ΔP
XX
, кВт
7,6
Ток холостого хода i
0
, %
0,33
Данный автотрансформатор позволит быстро и эффективно
производить плавку гололеда в зимнее время года, не отключая
проплавляемый участок от источников электроэнергии.
2.5 Вопросы монтажа автотрансформатора для плавки гололёда
2.5.1 Требования безопасности при монтаже автотрансформатора
для плавки гололёда
Монтаж автотрансформатора АТДЦН – 16000/35/10 кВ необходимо
выполнять с соблюдением следующих требований [10]:
50
все выполняемые операции должны быть проверены на
соответствие качеству;
работу должен выполнять специально обученный персонал,
имеющий необходимую квалификацию;
специалисты должны действовать строго по проекту
производства работ (ППР);
все выполненные операции должны фиксироваться в
специальной технической документации [10].
Монтажные работы автотрансформаторов делятся на 3 группы:
подготовка (предмонтажные работы на площадке,
транспортировка к установке автотрансформаторов, выгрузка, проверка и
хранение трансформатора);
монтажные работы автотрансформатора (подготовка к монтажу
трансформаторных блоков, монтаж и установка заливки трансформаторного
масла);
пусконаладочные работы автотрансформатора в эксплуатации.
2.5.2 Транспортировка и разгрузка автотрансформатора
В зависимости от размеров и веса автотрансформаторов используются
следующие методы их транспортировки:
автотрансформаторы малой мощности поставляются полностью
собранными, заполненными маслом и готовыми к установке;
автотрансформаторы массой до 90 тонн снабжены отдельными
разобранными узлами (ввода, расширители, радиаторы, фильтры и т. д.). В
этом случае бак автотрансформатора, заполненный маслом, утоплен под
крышкой, с заполнением надмасляного сухого воздушного пространства;
масса автотрансформатора от 90 тонн транспортируется
частично разобранной, сама по себе, без масляного бака (заполненного
инертным газом (азотом) или сухим воздухом). Инкапсуляция позволяет
51
сохранить изолирующие свойства обмоток автотрансформатора и ввести их в
эксплуатацию без ревизии активной части.
Разгрузка автотрансформаторов в зависимости от местных условий и
возможностей производится краном или гидроцилиндрами. Разгрузка
автотрансформаторных узлов (радиаторов, расширителей и т. п.)
производится с помощью крана грузоподъемностью от 3 до 5 т.
Перед разгрузкой автотрансформатора удаляются все распорки,
кронштейны, стальные растяжки, армирующие трансформатор на
железнодорожной транспортной платформе или грузовых судах дороги.
Прикрепляют стропы к приспособлениям для подъема автотрансформатора.
Автотрансформатор поднимают на небольшую высоту (около 100 мм) и
оставляют в таком положении в течение нескольких минут для проверки
точности такелажа (без перекосов равномерно растягиваются все
промышленные стропы, грузоподъемные устройства работают должным
образом и т. д.). После этого автотрансформатор поднимают и устанавливают
кареткой на временный или основной фундамент [11].
После доставки и разгрузки автотрансформатора проводят его ревизию.
При этом контролируют:
наличие всех компонентов и деталей в соответствии с заводским
списком;
механическую целостность бака автотрансформатора, его узлов и
компонентов, отсутствие вмятин, трещин, утечек и других повреждений,
отсутствие трещин и разрушений фарфоровой изоляции;
герметичность бака автотрансформатора;
наличие всех пломб, установленных на кранах, пробках и люках
трансформатора.
Далее, по необходимости, производят сборку трансформатора и
непосредственно его установку.
52
На высоковольтных подстанциях с напряжением 35 кВ и более обычно
используется автотрансформатор с открытой конструкцией. Закрытая среда
используется только в районах с высокой степенью загрязнения, либо в
жилых районах для ограничения шума. Трансформаторы могут быть
установлены на тележке с уплотнениями или фундаментом. На тележке
смонтированы трансформаторные подстанции закрытого типа, а на
подстанциях установлены стационарные устройства для ремонта
трансформаторов (вышек) и рельсовых путей перекатки. Для подъема и
установки на месте расположения трансформатора могут быть использованы
краны, шкивы, домкраты или другие средства.
2.5.3 Приемо-сдаточные испытания автотрансформаторов
Работы по вводу автотрансформатора в эксплуатацию предполагают
проведение его испытания, а также пробное включение.
Полностью собранный автотрансформатор подвергается приёмо-
сдаточным испытаниям (более 20 видов испытаний), в объём входит:
переключения трансформатора без сушки;
измерение сопротивления обмоток постоянному току;
испытание на измерение сопротивления и изоляции
высокочастотной обмотки напряжения питания и изоляции конструктивных
элементов;
измерение тангенса угла диэлектрических потерь;
измерение тока и потеря холостого хода;
измерение сопротивления тока короткого замыкания;
тест бака на герметичность;
испытание и анализ характеристик трансформаторного масла;
Проверка коэффициента трансформации, группы соединения,
составы коммутационных аппаратов групповой работы, охлаждающие
устройства, предохранительных устройств (защитные и запорные клапаны,
выхлоп), газового реле, защиту масла от воздействия атмосферного воздуха
53
(воздухоосушителя, установки азотозащитных масел и термосифонных
пленочных и адсорбирующих фильтров) и т.д.
2.5.4 Меры безопасности при монтаже автотрансформатора для
плавки гололёда
Производство работ должно выполняться при соблюдении мер
безопасности соответствующим общим правилам и инструкциям по технике
безопасности, «Правилам эксплуатации электроустановок», местным нормам
и правилам, которыми должны использоваться при подготовке к сборке,
установке, испытанию и вводу в эксплуатацию автотрансформаторов.
Перед проникновением человека в бак автотрансформатора, который
транспортируется без масла и заполнен азотом, необходимо принять меры по
удалению азота.
Удаление азота производится одним из следующих методов:
заливки в бак трансформаторного масла через нижнее запорное
устройство для завершения перемещения азота;
вакуумированием бака автотрансформатора до остаточного
давления 50,5 кПа (380 мм рт. ст.) с последующим пуском высушенного
воздуха или воздуха, проходящего через кварцевый воздухоосушитель,
заполненный сухим кремнеземом;
посредством продувки бака сухим чистым воздухом или
естественной вентиляцией при открытых верхних и нижних люках. В то же
время необходимо выполнить условия, чтобы избежать разгерметизации во
изолирующего трансформатора.
Кроме того, существует необходимость постоянного наблюдения за
людьми, работающими внутри бака трансформатора.
Также необходимо обратить особое внимание на пожарную
безопасность при производстве монтажных работ. Меры противопожарной
безопасности должны разрабатываться с учетом общих и местных норм и
правил с помощью специалистов по пожарной безопасности.
54
При разработке противопожарных мероприятий необходимо
учитывать, что автотрансформатор считается пожароопасным
оборудованием, так как изоляцией автотрансформатора является
трансформаторное масло, которое, в свою очередь относится к легко
воспламеняемым жидкостям. Поэтому необходимо быть максимально
осторожным при проведении пожароопасных работ, таких, как сварка, сушка
или прогрев.
Кроме вышеперечисленных мер пожарной безопасности необходимо
реализовать ряд организационно – технических мероприятий:
в соответствии с противопожарными мерами, согласованными с
противопожарной защитой, необходимо оборудовать площадку надежными
телефонными установками и средствами пожаротушения;
назначить ответственных за пожарную безопасность;
необходимо на время проведения горячих работ обеспечить
непрерывный контроль пожарной безопасности;
необходимо производить сварку на стороне автотрансформатора
только после заполнении маслом до уровня выше площади сварного шва на
200 – 250 мм, чтобы избежать воспламенения паров масла [11].
Во время производства сварки для устранения утечки масла в
автотрансформаторе необходимо создать вакуум, который обеспечит
прекращение утечки масла и, соответственно, безопасную сварку.
При установке автотрансформатора должен быть заземлен бак
трансформатора.
При заполнении трансформаторного масла или его сливе необходимо
заземлить клеммы обмоток во избежание электрического заряда
трансформатора.
Во время нагрева автотрансформатора должна быть использована
необходимая инструкция по проведению данной операции.
55
Заключение
В выпускной квалификационной работе на тему «Реконструкция
подстанции 110/10 кВ с установкой оборудования для плавки гололёда» был
рассмотрен вопрос плавки гололеда на проводах ВЛ 35 кВ Пролетарская-
Ребричанская-Орловская, по расчетам выбрана оптимальная схема плавки
гололёда переменным током в режиме трехфазного КЗ, произведён расчет
плавки гололёда постоянным током, установлен автотрансформатор для
плавки гололёда, а так же предложена установка автоматизированной
системы контроля гололедной нагрузки.
В ходе изучения проблемы плавки гололеда и консультацией со
специалистами ЮВЭС была получена и применена в работе действующая
ТКПГ на проводах ВЛ 35 кВ Пролетарская-Ребричанская-Орловская током
КЗ ПС “Пролетарская”.
Как альтернативой был предложен и рассчитан способ нагрева
воздушной высоковольтной линии электропередачи постоянным током.
В связи с недостаточной мощностью оборудования для плавки
гололёда на ПС “Пролетарская” уменьшается её эффективность и
надёжность. Я предлагаю реконструкцию данной подстанции с заменой
существующего трансформатора для плавки гололёда ТДНС 10000/35 У1 на
автотрансформатор АТДЦН-16000/35/10 кВ. Данная модернизация позволит
более эффективно производить плавку гололёда на ПС “Пролетарская”.
56
Список используемой литературы
1. Схема и программа перспективного развития электроэнергетики
Ростовской области на 2014–2019 годы [Электронный ресурс] – Филиал ОАО
«Южный инженерный центр энергетики «Эженэнергосетьпроект», 2015 г.;
2. Правила устройства электроустановок/ Министерство энергетики
РФ. М.: Госэнергонадзор, 2017 г. – 522с.;
3. Рожкова, Л.Д. Электрооборудование электрических станций и
подстанций [Текст]: учеб. для сред. проф. образования/ Л. Д. Рожкова, Л. К.
Карнеева, Т. В. Чиркова. – 5–е изд., стер. – М.: Академия, 2008. – 448 с.;
4. Крючков, И.П. Расчет коротких замыканий и выбор
электрооборудования [Текст]: учеб. пособие/ И. П. Крючков, Б. Н.
Неклепаев, В. А Старшинов. − М.: Академия, 2005. − 416 с.;
5. Рожков, Л.Д. Электрооборудование станций и подстанций: учеб.
пособие / Л. Д. Рожков, В. С. Козулин. − М.: Энергоатомиздат, 1987. – 225 с.;
6. Грунин, В.К. Расчёт электрических нагрузок, выбор главных схем
и оборудования промышленных предприятий: учеб.пособие / В.К. Грунин,
С.Г. Диев, В.В. Карпов, В.Ф. Небускин, В.К. Фёдоров, А.В. Щекочихин. –
Омск: ОмГТУ, 2008. − 104 с.;
7. Герасименко, А.А. Передача и распределение электрической
энергии [Текст]: учеб. пособие для вузов / А. А. Герасименко, В. Т. Федин. –
Изд. 2 –е. – Ростов н/Д: Феникс; Красноярск: Издат. проекты, 2008. – 717 с.;
8. Никитин, И.Э. Способы удаления льда с проводов линий
элетропередач / Никитин И.Э., Абдрахманов Н.Х., Никитин С.А./
Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2015 №3. С. 794 – 823;
9. Рудакова Р. М., Вавилова И. В., Голубков И. Е. Методы борьбы с
гололедом в электрических сетях энергосистем – Уфа: УГАТУ, 2005. – 187 с.;
10. Левченко И. И., Электроустановки для профилактического
обогрева проводов воздушных линий электропередачи [Текст]: учеб. пособие
57
/ И. И. Левченко, А. С. Засыпкин, А.А. Аллилуев, Е.И. Сацук. – Юж. – Рос.
гос. техн. ун–т. – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2007. – 444 с.;
11. Левченко И. И., Диагностика, реконструкция и эксплуатация
воздушных линий электропередачи в гололедных районах [Текст]: учеб.
пособие / И. И. Левченко [и др.]. – М.: Издательский дом МЭИ, 2007. – 448 с.
