автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Общая схема плавки гололёда в районе электрических сетей на базе дискретно управляемой выпрямительной установки

На правах рукописи №

Щуров Артем Николаевич

ОБЩАЯ СХЕМА ПЛАВКИ ГОЛОЛЁДА В РАЙОНЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ НА БАЗЕ ДИСКРЕТНО УПРАВЛЯЕМОЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЙ

УСТАНОВКИ

Специальность: 05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005569110

Новочеркасск - 2015

005569110

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М. И. Платова»

Официальные оппоненты:

Степанов Александр Сергеевич — доктор технических наук, доцент, заместитель директора Института электроэнергетики, электроники и нанотехнологий федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Северо-Кавказский федеральный университет».

Сошинов Анатолий Григорьевич - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий» Камышинского технологического института (филиала) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет».

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения».

Защита состоится «03» июля 2015 г. в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.304.01, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М. И. Платова» в аудитории 149 главного корпуса по адресу: 346428, Ростовская обл., г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М. И. Платова» и на сайте 1)И1):/Ау\у\у.пр1-и1.ги/тс1ех.р11р?!с1=2778.

Автореферат разослан «_ ОТ» ел^сиЯ^- 2015 года.

Научный руководитель:

Засыпкин Александр Сергеевич, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.304.01

Бурцев Юрий Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации. Тяжёлые отложения в форме льда и мокрого снега на токоведущих проводах и грозозащитных тросах воздушных линий электропередачи (ВЛ) могут вызвать многочисленные и продолжительные нарушения в работе электрических сетей. Гололёдообразование на ВЛ может приводить к тяжёлым последствиям: разрушение опор, проводов, тросов, гирлянд изоляторов, арматуры, в тяжёлых случаях повреждаются многие линии на большой территории.

Актуальность проблемы гололёдообразования на проводах, опорах и тросах ВЛ подтверждается множеством публикаций. Большой вклад в разработку мероприятий по предотвращению и ликвидации гололёдных аварий внесли учёные Львовского ордена Ленина политехнического института, Новочеркасского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института имени Серго Орджоникидзе и Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова, Всесоюзного научно-исследовательского института электроэнергетики и ОАО «Научно-технический центр Федеральной сетевой компании Единой энергетической системы», Ростовского института инженеров железнодорожного транспорта и Ростовского государственного университета путей сообщения, института «Южэнергосетьп-роект», Уфимского государственного авиационного технического университета, ОАО «Башкирэнерго» и др.

Плавка гололёда на проводах и тросах ВЛ является наиболее эффективным средством предотвращения гололёдных аварий. Как правило, в настоящее время плавка гололёда на ВЛ района электрических сетей осуществляется от территориально удалённых друг от друга источников питания. Необходимость использования нескольких источников питания усложняет координацию действий работников подстанций и диспетчерского персонала, увеличивая суммарное время плавки гололёда на ВЛ района электрических сетей. Недостаточно быстрое реагирование диспетчера на гололёдную обстановку может привести к увеличению времени плавки гололёда, а в некоторых особо сложных случаях сделать плавку неэффективной.

Основным документом, регламентирующим действия диспетчера при осуществлении плавки гололёда на конкретной ВЛ, является программа плавки гололёда (ППГ). Однако анализ ППГ, применяемых в электрических сетях филиала ОАО «МРСК Юга» - «Ростовэнерго» и филиала ОАО «МРСК Северного

Кавказа» — «Ставропольэнерго», показал, что они обладают существенным недостатком: определение эффективности схем плавки гололёда (СПГ) осуществляется по времени плавки, которое рассчитывается при заданных погодных параметрах (например, диаметр гололёдной муфты с/г =3,5 см, скорость ветра уг =5 м/с, температура воздуха Зв =-5°С). Подобный подход не учитывает изменение скорости ветра по трассе ВЛ, не позволяет сделать заключение об эффективности плавки при других погодных условиях и объективно сравнивать различные варианты СПГ.

Актуальность темы диссертации подтверждается п. 2.5.16 ПУЭ-7: «Для ВЛ, проходящих в районах с толщиной стенки гололеда 25 мм и более, а также с частыми образованиями гололеда или изморози в сочетании с сильными ветрами и в районах с частой и интенсивной пляской проводов, рекомендуется предусматривать плавку гололеда на проводах и тросах. Для сетевых предприятий, у которых свыше 50% ВЛ проходят в указанных районах, рекомендуется разрабатывать общую схему плавки гололеда».

Цель работы: разработка общей схемы плавки гололёда на проводах воздушных линий электропередачи в районе электрических сетей на базе дискретно управляемой выпрямительной установки.

При этом поставлены и решены следующие научные задачи:

1. Разработка и анализ схем дискретно управляемых выпрямительных установок плавки гололёда.

2. Оптимизация управления установкой плавки гололёда.

3. Исследование способов и схем плавки гололёда на проводах воздушной линии электропередачи от дискретно управляемой выпрямительной установки.

4. Разработка общей схемы плавки гололёда от дискретно управляемой выпрямительной установки в районе электрических сетей.

5. Имитационное моделирование плавки гололёда от дискретно управляемой выпрямительной установки в районе электрических сетей.

6. Разработка для реализации в микропроцессорном контроллере алгоритмов управления дискретно управляемой выпрямительной установкой.

Методы исследований. Для решения поставленных задач были использованы методы математического анализа, оптимизации, теории электрических цепей, имитационного моделирования, компьютерного моделирования электрических схем, численного эксперимента и промышленной проверки.

Научная новизна работы. Разработан на базе трёхфазно-трёхфазных преобразователей новый тип дискретно управляемых выпрямительных установок плавки гололёда, реализующих одновременную плавку гололёда на трёх фазах воздушной линии электропередачи при неравномерном гололёдообразо-вании на них. Предложена методика, обеспечивающая определение оптимальных параметров настройки системы управления дискретно управляемой выпрямительной установкой плавки гололёда. Разработана методика определения зон плавки гололёда от дискретно управляемой выпрямительной установки, по которой строится граф-схема, обеспечивающая эффективную плавку гололёда на ВЛ района электрических сетей. Предложен способ оценки эффективности схем плавки гололёда на проводах воздушных линий электропередачи и введён новый показатель, который позволяет объективно сравнивать эффективность СПГ при различных погодных условиях. Предложен табличный способ, позволяющий с приемлемой точностью рассчитывать параметры режима плавки гололёда методом линейной интерполяции, в том числе без использования ЭВМ.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием математических моделей и методов, приемлемой сходимостью результатов лабораторного и компьютерного экспериментов, положительными результатами промышленных испытаний. Использованные в диссертации допущения не противоречат физике рассматриваемых процессов.

Соответствие паспорту специальности: в соответствии с формулой специальности 05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические системы в диссертационной работе целью исследования является совершенствование теоретической и технической базы одной из областей электроэнергетики с целью обеспечения надёжной транспортировки электроэнергии.

Отражённые в диссертации научные положения соответствуют областям исследования специальности 05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические системы, а именно:

- к п. 5 «Разработка методов диагностики электрооборудования электроустановок» паспорта специальности 05.14.02 относится разработанный способ выявления отказов отключения или включения тиристорных плеч дискретно управляемой выпрямительной установки плавки гололёда;

- к п. 6 «Разработка методов математического и физического моделирования в электроэнергетике» относится предложенная методика построения имитационной модели плавок гололёда в районе электрических сетей в зависи-

мости от величины интегрального показателя эффективности схем плавки гололёда;

- к п. 8 «Разработка методов статической и динамической оптимизации для решения задач в электроэнергетике» относится предложенная методика определения параметров настройки системы оптимального дискретного управления трёхфазно-трёхфазным тиристорным выпрямителем;

- к п.13 «Разработка методов использования ЭВМ для решения задач в электроэнергетике» относится разработанная программа для ЭВМ, предназначенная для расчёта настроечных данных (продолжительности токовых импульсов и бестоковых пауз) программируемого логического контроллера в составе системы управления дискретно управляемой выпрямительной установки плавки гололёда.

Теоретическая значимость результатов работы:

1. Классификация схем дискретно управляемых выпрямительных установок плавки гололёда, созданных с участием автора на базе трёхфазно-трёхфазных тиристорных преобразователей, и предложенные релейно-контактные модели обеспечивают анализ структуры и функционирования установок в множестве рабочих режимов.

2. Новый интегральный показатель эффективности схем плавки гололёда позволяет оптимизировать централизованную плавку гололёда в районе электрических сетей.

3. Предложенная методика проверки допустимости использования земли в качестве токопровода решает задачу эквивалентирования сети с бесконечным числом заземлённых нейтралей.

Практическая значимость результатов работы:

1. Сокращение времени плавки гололёда на проводах воздушной линии электропередачи и расхода электроэнергии за счёт применения и оптимизации управления дискретно управляемой выпрямительной установкой.

2. Упрощение определения параметров режима плавки гололёда на ста-леалюминиевых проводах в зависимости от толщины стенки гололёда и погодных условий с использованием разработанных автором расчётных таблиц.

3. Предложенная граф-схема плавки гололёда в районе электрических сетей позволяет оптимизировать очерёдность применения схем плавки гололёда на воздушных линиях электропередачи района электрических сетей.

4. Способ выявления отказов отключения и включения тиристорных плеч дискретно управляемой выпрямительной установки повышает аппаратную надёжность установки плавки гололёда.

Реализация работы (практическое внедрение). Диссертация выполнена по заказу и в сотрудничестве с «Федеральной сетевой компанией Единой энергетической системы» (ОАО «ФСК ЕЭС»), ОАО «МРСК Северного Кавказа». Результаты диссертационных исследований прошли промышленную проверку в ходе испытаний макета дискретно управляемой выпрямительной установки на подстанции 110 кВ «Ессентуки-2». С участием автора было разработано и внедрено в учебный процесс учебно-методическое пособие «Расчётные таблицы для выбора и анализа схем плавки гололёда на воздушных линиях электропередачи».

Положения, выносимые на защиту:

- схемы установок на базе трёхфазно-трёхфазных преобразователей, обеспечивающих плавку гололёда управляемыми импульсами постоянного тока;

- методика определения параметров настройки системы оптимального дискретного управления трёхфазно-трёхфазным выпрямителем;

- расчётные таблицы, составленные для сталеалюминиевых проводов, и использующиеся для определения параметров режима плавки гололёда в зависимости от толщины стенки гололёда и погодных условий;

- методика определения зон плавки от дискретно управляемой выпрямительной установки плавки гололёда;

- способ оценки эффективности схем плавки гололёда на проводах воздушных линий электропередачи;

- имитационная модель плавки гололёда от дискретно управляемой установки в районе распределительных электрических сетей.

Апробация работы. Основные результаты научных исследований, представленные в диссертации, были доложены на научных конференциях: Межрегиональная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных Южного федерального округа «Студенческая научная весна», Новочеркасск, 2009, 2011 г.г.; всероссийский научный семинар «Кибернетика энергетических систем», Новочеркасск, 2011, 2012, 2013, 2014 г.г.; XXI конференция «Релейная защита и автоматика энергосистем», Москва, 2012 г.; IV международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодё-

жи», Новочеркасск, 2013 г.; Региональная научно-техническая конференция (конкурс научно-технических работ) студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области «Студенческая научная весна-2014», Новочеркасск, 2014 г.; Итоговая сессия по Программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса 2014» («УМНИК») Ростовской области, Ростов-на-Дону, 2014г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, в том числе 14 статей в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК РФ, 1 патент на полезную модель. Подана 1 заявка об официальной регистрации программы для ЭВМ и 2 заявки на получение патента на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 105 наименований и 5 приложений. Полный объём работы составляет 239 страниц: 176 страниц основного текста, иллюстрированного рисунками и таблицами на 78 страницах, и 63 страниц приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснованы актуальность диссертационной работы, определены её цели и задачи.

Глава 1. Трёхфазно-трёхфазиые преобразователи для плавки гололёда на проводах воздушных линий электропередачи. В главе приведено описание нового способа плавки гололёда на проводах воздушных линий электропередачи (ВЛ) импульсами постоянного тока, позволяющего добиться одновременного окончания плавки на всех трёх фазах ВЛ. Проанализированы схемы дискретно управляемых выпрямительных установок плавки гололёда (ДУ ВУПГ) на базе однооперационных тиристоров, реализующие новый способ плавки: с 6, 5, 4 тиристорными полюсами; с тиристорным коммутатором; с одним и двумя источниками питания; с последовательным и параллельным соединением преобразователей. Дана классификация схем ДУ ВУПГ в зависимости от их структуры и функциональных возможностей.

В предлагаемом способе плавки гололёда управление ДУ ВУПГ для одновременной плавки гололёда на трёх фазах ВЛ осуществляется следующим образом:

— непрерывное управление, обеспечивающее формирование последовательности импульсов постоянного тока и бестоковых пауз одновременно в трёх фазах ВЛ. Схема соединения фаз ВЛ после каждого импульса изменяется. Дли-

телыюсть 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 СПГ: длины проплавляемой В Л, числа источников питания ДУ ВУПГ (1 или 2), числа фаз трёхфазного источника питания (3 или 2).

На рисунке 1, а изображена схема ДУ ВУПГ с 6-полюсным преобразователем и приняты следующие обозначения: ИП - трёхфазный источник питания; БУ - блок управления тиристорными полюсами; ВЛ - три фазы проплавляемой ВЛ.

а) б)

Рисунок 1. Схема ДУ ВУПГ с 6-полюсным преобразователем (а) и релейно-контактная

модель (б)

Для более удобного анализа схемы ДУ ВУПГ автором предложено экви-валентирование её релейно-контактной моделью. Схема с 6-полюсным преобразователем (рисунок 1, а) преобразуется в релейно-контактную схему, изображённую на рисунке 1, б. Каждый контакт в этой схеме моделирует соответствующий катодный или анодный полюс ДУ ВУПГ. Источник питания ИП с функцией выпрямления эквивалентирован ЭДС Ес1 и внутренним сопротивлением Явн, фаза ВЛ-сопротивлением /?л.

Путём анализа релейно-контактной модели было показано, что ДУ ВУПГ может находиться в одном из следующих состояний: 1 - состояние «отключено», которому, кроме отключения всех контактов, соответствует отключение контактов - полюсов одной полярности; 2 - состояние «запрещено», которому соответствуют сочетания включённых контактов, создающих короткое замыка-

ние (с одинаковым номером без штриха и со штрихом); 3 - состояние «рабочий интервал». В диссертации было показано, что схема ДУ ВУПГ может быть упрощена путём исключения одного полюса без потери функциональности (на рисунке 1, а полюс 1 выделен штриховой линией).

На рисунке 2 показаны модули токов, протекающих в трёх фазах воздушной линии в течение рабочих интервалов времени г=Н-6 (направление тока не влияет на тепловыделение). Период повторяемости Т должен быть меньше времени плавки гололёда /1Ш примерно в 10 раз ( Т ~ 0,1 ■ /пл) и составляет от нескольких десятков секунд до нескольких минут. Минимальная длительность бестоковой паузы Л/ между рабочими интервалами «запрещённых состояний» не должна быть меньше 5т (Л? > 5т), где т - постоянная времени затухания тока

воздушной линии (5т<1с). Увеличение Д? приводит к уменьшению |/с| с сохранением соотношения между ними. /

«Ф — 2Ф» в 3 рабочих интервалах «Ф - Ф» в 3 рабочих интервалах

14>1

|/с!

0,5/,

0,5/,

Л/

0,5/,

0,5/,

0,5/,

0,5/,

мяв

аи

ДI Ь Ни Ц Д/ /5 ДI ¿6

к

Рисунок 2. Временная диаграмма токов в фазах ВЛ для 6 рабочих интервалов времени за период повторяемости Т

На рисунке 2 использованы следующие обозначения: /| — ток в особой фазе ВЛ, включенной по схеме «фаза - две фазы» («Ф - 2Ф»); 12 - ток в фазе ВЛ, включенной по схеме «фаза - фаза» («Ф - Ф»):

где ЕС1 -1,35 ■ ип - среднее значение выпрямленной ЭДС на выводах мостового выпрямителя; С/л- линейное напряжение трёхфазного ИП до подключения ВЛ;

3

Лл- активное сопротивление В Л; /?р|1 = — Хк- эквивалентное внутреннее сол

противление ИП; Хк - реактивное сопротивление ИП (сопротивление фазы контура коммутации преобразователя).

Глава 2. Оптимизация плавки гололёда от дискретно управляемой выпрямительной установки. Во второй главе рассмотрена оптимизация управления различными схемами ДУ ВУПГ, позволяющая добиться минимизации времени плавки гололёда и расхода электроэнергии. Исследована возможность снижения числа коммутаций полюсов ДУ ВУПГ.

Временной диаграмме токов на рисунке 2 соответствует система уравнений интеграла Джоуля в фазах А, В и С в зависимости от длительности рабочих интервалов времени и бестоковых пауз:

/2 + 0.25-/2 -/2 + 0.25-/2 -?3 +/| +0-^5 + /2 -¿6 =1д-Т;

0,25 • /]2 • /] + /|2 • /2 + 0,25 • /(2 • ?з + /| • + • /5 + 0• /6 = • Г = А:в • ■ Г;

/1+'2+<з+>4+'5+'б = I2 I2

где кв = > 0, кс - -Ц- > 0 - коэффициенты неравномерности токов в фазах

1а П

воздушной линии, изменяемые в зависимости от толщины стенки гололёда на проводе каждой фазы и погодных условий. Примем значение тока /, в качестве базисного, тогда относительные значения токов /|»=1, /2* = /2 / /, . Для /Т 0, получим систему уравнений в относительных единицах:

¿1* + 0,25 • /2* + 0,25 • /3* +12* ■ V + 0 • /5* +12* ■ /б* = I2 *; 0,25•/!» +/2» +0,25-<з» -/4* + /2» - /5» + 0-Г6* = кв-12А* ; 0,25 • /р + 0,25 • ¡2* + /3. + 0 • /4* +12* ■ Ц* +12* ■ = кс ■ 12л*;

1\* + <2* + '3* + <4* + (5* + <6* = 1,

где I,* = / Г > 0. Значения ^ = /,» -Т являются параметрами настройки системы управления ДУ ВУПГ. В системе из четырёх уравнений (1) неизвестных семь, то есть система является недоопределённой.

Сформулируем решение системы уравнений (1) как задачу линейной оптимизации: требуется найти значения переменных t,, /=1^6, которые обращают

в max линейную функцию — первое уравнение в (1), и которые удовле-

творяют системе ограничений в канонической форме линейных равенств - другие 3 уравнения. Цель оптимизации: обеспечение максимально возможного значения токов в фазах ВЛ — критерий оптимальности, что приводит к минимизации времени плавки гололёда и расхода электроэнергии.

Результаты расчёта с помощью стандартной надстройки программы Microsoft Excel 2007 — «Поиск решения» отражены на рисунке 3 тонкими сплошными линиями для равных значений тока 1гА* = 0,4 + 0,9 при /2* = 0,75 -ь 0,77 .

Рисунок 3. Линии равных значений тока ¡\. в зависимости от коэффициентов неравномерности кв и кс

Анализ полученных результатов показал, что оптимальное управление ДУ ВУПГ во всём реально возможном диапазоне погодных условий, определяющих значения коэффициентов неравномерности кв и кс, реализуется только

тремя рабочими интервалами, а, следовательно, тремя параметрами настройки. Поскольку искомых интервалов только три, то система уравнений (1) решается аналитически.

На рисунке 3 показаны границы областей в пространстве коэффициентов неравномерности кв и кс для временных диаграмм:

- «Ф - 2Ф»: (/¡», /2*> 'з«) - штрихпунктирными полужирными линиями (2), (3);

- «Ф — 2Ф» (i, /2*);«Ф — Ф»: (/4*)—тонкими штриховыми линиями (4),

(5), (3);

- «Ф - 2Ф» (/р, ty)\ «Ф - Ф»: (/6») - тонкими штриховыми линиями (6), (7), (2).

Рабочие интервалы I,* соответствуют приведённым на рисунке 2.

В диссертации приведены методика и формулы определения параметров настройки системы оптимального управления ДУ ВУПГ.

Глава 3. Способы плавки гололёда на проводах BJI от дискретно управляемой выпрямительной установки. В третьей главе предложена методика определения зон плавки от дискретно управляемой выпрямительной установки плавки гололёда. Разработаны способы и схемы плавки гололёда от ДУ ВУПГ, позволяющие существенно увеличить диапазон длин проплавляемых BJI. Предложена методика оценки допустимой длительности периода повторяемости импульсов постоянного тока, формируемых ДУ ВУПГ, по условию допустимого нагрева провода на участках BJI, свободных от гололёда.

Диапазон длин проплавляемых BJI от одной ДУ ВУПГ предложено разбить на три зоны, отличающиеся по способу плавки гололёда: 1) одновременно на трёх фазах; 2) пофазно поочередно; 3) с удлинителем. Предыдущий способ имеет преимущество перед последующим в перечне по времени плавки гололёда и расходу электроэнергии, но охватывает меньшую зону.

Наибольший диапазон длин BJI, проплавляемых от одной ДУ ВУПГ, обеспечивает схема плавки гололёда (СПГ) с «удлинителем». Схема с удлинителем показана на рисунке 4.

ип

ДУ ВУПГ

ВТ

£Е

кт

I' /[ • 1 • • ь—н

7

¿(\ II, ^^зрпг-1 ^

ЗУ2

ЗРПГ-2

ГЗУ1

Рисунок 4. Схема плавки гололёда с удлинителем

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 закорачивающий разъединитель плавки гололёда ЗРПГ-1, соединяющий параллельно три фазы ВЛ на участке /|, один разъединитель ЗРПГ-2, а затем ДУ ВУПГ. Включение следующего ЗРПГ-2 выполняется при отключённой ДУ ВУПГ.

На втором этапе гололёд плавится на участке /| одновременно на трёх фазах при включённом ЗРПГ-1 и отключённых ЗРПГ-2 путём автоматического переключения схем «фаза - две фазы» от ДУ ВУПГ.

Одним из преимуществ ДУ ВУПГ является расширение области применения по сравнению с другими установками плавки гололёда. Область применения определяется возможным диапазоном длин (максимальная — минимальная) проплавляемых ВЛ, зависящим от марки провода и основных влияющих факторов: погодных условий (температура воздуха Эв, "С, скорость ветра уг, м/с и его направление), толщины стенки гололёда Ьг, мм и его плотности рг, г/см3. В качестве альтернативы для сравнения с ДУ ВУПГ приведена неуправляемая выпрямительная установка (ВУ) с теми же номинальными параметрами. Результаты сравнения диапазонов проплавляемых ВЛ со сталеалюминиевыми проводами (АС) показаны на рисунке 5. Черными прямоугольниками на рисунке 5 обозначен диапазон длин ВЛ, проплавляемых от ДУ ВУПГ одновременно и пофазно поочерёдно, серыми - от ВУ. Применение СПГ с удлинителем для

плавки гололёда на длинных линиях обеспечивает существенное увеличение максимально возможных длин проплавляемых ВЛ (белые прямоугольники на рисунке 5).

Рисунок 5. Диапазон длин проплавляемой линии

Глава 4. Разработка общей схемы плавки гололёда от дискретно управляемой выпрямительной установки. В четвертой главе предложен интегральный показатель эффективности схем плавки гололёда, позволяющий объективно сравнивать эффективность СПГ при различных погодных условиях:

Испг

^'спг

IV

" тах

где «спг= — объём пространства погодных параметров,

(5)

при которых СПГ обеспечивает плавку гололёда за время, не превышающее 40 мин, без перегрева проводов на каком-либо участке, свободном от гололёда. При определении №спг параметры Ьг, V, , Эв не должны превышать максимально возможные значения; Жтах = 6Гтах'угтах '(~&втах) ~ расчётный (базовый) объём пространства параметров (&втах<0°С) Для района электрических сетей.

Расчёт /Сспг представляет трудоёмкую задачу, поскольку требует вычисления интеграла для определения ^спг. Для практических расчётов доказана

допустимость использования ступенчатой аппроксимации с ограниченным числом расчётных точек (рисунок 6), обеспечивающая погрешность до 5%.

Рисунок 6. Ступенчатая аппроксимация поверхности 40-минутной плавки

В четвёртой главе предложен табличный способ определения параметров режима плавки гололёда, отличающийся простотой и приемлемой точностью. Таблицы построены с использованием программы «ГОЛОЛЕД» и позволяют получать достоверные результаты без использования ЭВМ: максимально допустимый ток, ток профилактического подогрева, ток 40-минутной плавки, время плавки, расход электроэнергии, интегральный показатель эффективности (для участка ВЛ, для ВЛ, состоящей из участков с разными марками проводов, для электрической сети или отдельного района).

Предложенная в диссертации методика определения зон плавки гололёда от ДУ ВУПГ была применена для района ПС 110/35/10кВ Александровская «Ставропольэнерго». Фрагмент общей схемы плавки гололёда для рассматриваемого района сети 1 ЮкВ (граф-схема) представлен на рисунке 7.

I IoBommuKuM

Александровская Журавска* \2.1/ Новоулиновская

.о,,__

:0,05) 4.4У V^T

AC-120 0,56 1 AC-120 0,56

31,7(31,7) 7,11116,94(16,94) 3,8

20,05(20,05) 4.49 WT Б;в1

ода|)пая

Ставропольская

AC-95 0,58 АС-120 0,36] AC-95 0,58 1AC-120 0,36V

15,19(12,02) 4,19 2,15(2,15) 0,481 110,40(8,23) 2,87 1 125,3 (25,3) 5,68 Т

Круглолссская V /

А.С-120__0;56|АС-П0_ _0,56 YAC

7,87 (17,87) 4,01175,03(45.03) 10,1 I 19,

Т-302

С олуно-

Дмитрнсвская Кинжал Т-303

АС-120_ 0,56IAC-120 0,56 Y АС 150 0.53IA.C-150 0,53 IAC-150 0,531 AC-150 0,53

17,87(17,87) 4,01145,03(45.03) 10,1 I 19,17 (23,96) 3,61119,06(23,82) 3,58 118,98(23,72 ) 3,57» 14,10 (17,62) 2,65

Рисунок 7. Фра! мент общей схемы плавки гололёда в сети 110 кВ ПС Александровская

На рисунке 7 показаны:

— сплошными линиями — зона одновременной плавки гололёда на трёх фазах ВЛ;

— штриховыми линиями - зона поочерёдной плавки гололёда на фазах ВЛ;

— пунктирными линиями — зона плавки гололёда по схеме с удлинителем;

— кругами с вписанными внутрь цифрами - номер СПГ без удлинителя;

— треугольниками с вписанными внутрь цифрами - подстанции, на которых необходима установка ЗРПГ-1 и ЗРПГ-2.

Для каждого участка ВЛ с проводами одного сечения 5 на рисунке 7 приведены: сверху - марка провода, значение интегрального показателя эффективности — ^СПГ6'> снизу - км — фактическая длина участка ВЛ с проводом сечения Я, в скобках — /пр5, км - приведённая к базисному сечению длина

участка ВЛ с проводом сечения 5, активное сопротивление участка ВЛ, Ом при 9В = 0 °С.

В диссертации предложен алгоритм построения имитационной модели плавок гололёда в районе электрических сетей. В качестве критерия, определяющего очерёдность применения СП!" на ВЛ района электрических сетей, предложено применять значение интегрального показателя эффективности СПГ ^спг вл- Плавка в районе электрических сетей должна начинаться с СПГ, имеющей минимальное значение ^СПГВЛ ■ ® диссертации представлена имитационная модель плавки гололёда в районе электрических сетей 110, 35, ЮкВ от ДУ ВУПГ на ПС Александровская «Сгавропольэнерго». Для использования в имитационной модели разработана методика определения максимального зна-

чения интенсивности гололёдообразования, соответствующего нормативной толщине стенки гололёда в районе электрической сети, на основе статистической обработки опытных данных за ограниченное число лет.

Глава 5. Автоматизированная система управления дискретно управляемой выпрямительной установкой плавки гололёда. В пятой главе приведены результаты работы по созданию автоматизированной системы управления ДУ ВУПГ. В составе системы управления ДУ ВУПГ для обеспечения необходимой последовательности импульсов постоянного тока во всех фазах BJI с заданной длительностью предлагается применить программируемый логический контроллер (ПЛК) Mitsubishi ALPHA XL. Автором были созданы и протестированы алгоритмы управления ДУ ВУПГ с помощью программы AL-PCS/WIN.

Работа системы управления ДУ ВУПГ была успешно протестирована в ходе промышленных испытаний макета ДУ ВУПГ на ПС 110 кВ «Ессентуки-2» филиала ОАО «МРСК Северного Кавказа» - «Ставропольэнерго». На рисунке 8 представлены фотография макета ДУ ВУПГ, установленного на ПС «Ессенту-ки-2», и фотография ПЛК Mitsubishi ALPHA XL в составе макета.

Рисунок 8. Фотографии макета ДУ ВУПГ на ПС «Ессентуки-2» и ПЛК Mitsubishi ALPHA XL

На рисунке 9 приведены осциллограммы токов в трёх фазах воздушной линии при пробной плавке гололёда по схеме «фаза - две фазы» с равномерным распределением токов по фазам.

■ п ИЯНГГЛ1 I Vin-ix ■ Viln' I.:- ■ . . . . у - Н ИЗщРГ!! Vniuv i Vi:i — тт-тгш V. H., : 'Л:|1.....

\iiiiii. — —- — . j tiff 'la t«»a

rv : O' 14 -Л . »CHI Лл. О I' 7> ■■■.. uchi : • *

¿л 'д /'с

Рисунок 9. Осциллограммы токов в трёх фазах воздушной линии

С участием автора была разработана программа для ЭВМ, предназначенная для расчёта настроечных данных (продолжительности токовых импульсов и бестоковых пауз) 1IJIK в составе системы управления ДУ ВУ1ТГ. Расчёт выполняется с учётом изменяющихся условий окружающей среды, для разных схем и способов плавки гололёда.

В приложениях приведены примеры расчётных таблиц для проводов АС 70/11, АС 120/19, АС 240/39, конфигурации распределительных сетей и варианты размещения ДУ ВУПГ, алгоритм управления ПЛК Mitsubishi ALPHA XL, установленным в макете ДУ ВУПГ, пояснения к алгоритму программы «Расчёт настроек контроллера плавки гололёда (IceMelting)», фрагмент листинга программы и акты внедрения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения работы были получены следующие результаты:

1. Предложены и проанализированы с использованием релейно-контактных моделей схемы ДУ ВУПГ на базе однооперационных тиристоров, реализующие способ плавки гололёда управляемыми импульсами постоянного тока. Предложена классификация схем ДУ ВУПГ по их структуре и функциональным возможностям.

2. Предложена методика определения параметров настройки системы оптимального дискретного управления трёхфазно-трёхфазным тиристорным выпрямителем. Доказано, что во всем реально возможном диапазоне погодных условий достаточно трёх параметров настройки системы управления ДУ ВУПГ, которые определяются аналитически в соответствующих диапазонах.

3. Предложены способы и схемы плавки гололёда от ДУ ВУПГ, обеспечивающие существенное увеличение диапазона длин проплавляемых BJI по сравнению с неуправляемой ВУ и с плавкой гололёда переменным током.

4. Разработана методика, позволяющая проверить допустимость использования земли в качестве токопровода в схеме плавки гололёда на ВЛ при штатном заземляющем устройстве на подстанции, или принять решение о сооружении выносного заземлителя.

5. Предложен интегральный показатель эффективности схемы плавки гололёда, позволяющий объективно сравнить эффективность нескольких СПГ при различных погодных условиях и толщине стенки гололёдной муфты на проводах ВЛ. Обоснован практический способ определения интегрального показателя эффективности с помощью ступенчатой аппроксимации с погрешностью не более 5%. Предложены способы повышения эффективности схем плавки гололёда.

6. Разработан табличный способ определения параметров режима плавки гололёда на сталеапюминиевых проводах в зависимости от толщины стенки гололёда и погодных условий. Созданы расчётные таблицы для проводов марки АС от АС-35 до АС-500.

7. На основании опытных данных была исследована интенсивность го-лолёдообразования на воздушных линиях с номинальным напряжением 35 кВ и 110 кВ. Проведено исследование связи максимальной интенсивности гололёдо-образования в районе электрической сети с толщиной стенки гололёда. Доказано, что в рассматриваемом районе электрических сетей максимальная интенсивность образования гололёда с нормативной толщиной составляет 1 мм/ч.

8. Предложена методика построения имитационной модели плавок гололёда в районе электрических сетей. Даны рекомендации по очерёдности применения СПГ в районе электрических сетей в порядке увеличения интегрального показателя эффективности СПГ.

9. Разработана и прошла промышленную проверку на ПС 110 кВ «Ес-сентуки-2» филиала ОАО «МРСК Северного Кавказа» - «Ставропольэнерго» система управления ДУ ВУПГ на базе ПЛК Mitsubishi ALPHA XL. Реализованы в микропроцессорном контроллере алгоритмы управления ДУ ВУПГ в режиме плавки гололёда импульсами постоянного тока на трёх фазах ВЛ.

10. Разработана программа для ЭВМ «Расчёт настроек контроллера плавки гололёда («1сеМеИ^»)», предназначенная для расчёта настроечных данных (продолжительности токовых импульсов и бестоковых пауз) ПЛК в составе системы управления ДУ ВУПГ. Подана заявка на регистрацию программы.

11. Предложен способ выявления отказов отключения или включения ти-ристорных плеч дискретно управляемой выпрямительной установки плавки гололёда, основанный на контроле значений информативных гармоник 50, 100 и 300 Гц в выходном напряжении, использование которого повышает аппаратную надёжность ДУ ВУПГ.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в ведущих изданиях, рекомендованных ВАК

1. Трёхфазно-трёхфазные тиристорные преобразователи для плавки гололёда на воздушных линиях электропередачи / А. С. Засыпкин, И. И. Левченко, Е. И. Сацук, С. С. Шовкопляс, А. Н. Щуров // Изв. вузов. Электромеханика. 2012. №2. С. 50-52.

2. Щуров А. Н. Снижение расхода электроэнергии на плавку гололёда применением трёхфазно-трёхфазных тиристорных преобразователей // Изв. вузов. Электромеханика. 2012. №2. С. 52 - 54.

3. Оптимальное управление трёхфазно-трёхфазным тиристорным выпрямителем плавки гололёда на воздушных линиях электропередачи / А. С. Засыпкин, И. И. Левченко, Е. И. Сацук, С. С. Шовкопляс, А. Н. Щуров // Изв. вузов. Электромеханика. 2012. №4. С. 35-40.

4. Щуров А. Н. Оптимальное управление четырёхполюсным трёхфазно-трёхфазным тиристорным выпрямителем плавки гололёда на воздушных линиях электропередачи // Изв. вузов. Электромеханика. 2012. №5. С. 64 - 68.

5. Контроль отказов дискретно управляемой выпрямительной установки плавки гололёда / А. С. Засыпкин, О. Ю. Новиков, С. С. Шовкопляс, А. Н. Щуров // Изв. вузов. Электромеханика. 2013. №1. С. 19 - 23.

6. Сравнение способов плавки гололёда в распределительных сетях 10 — 110 кВ / А. С. Засыпкин, И. И. Левченко, Е. И. Сацук, С. С. Шовкопляс, А, Н. Щуров // Изв. вузов. Электромеханика. 2013. №1. С. 23 - 28.

7. Совместное использование стационарных и мобильных установок плавки гололёда / А. С. Засыпкин, И. И. Левченко, Е. И. Сацук, С. С. Шовкоп-ляс, А. Н. Щуров//Изв. вузов. Электромеханика. 2013.№1. С. 28 — 33.

8. Щуров А.Н. Система управления четырёхполюсным тиристорным выпрямителем плавки гололёда на воздушных линиях электропередачи // Изв. вузов. Электромеханика. 2013. №1. С. 63 — 65.

9. Засыпкин А. С., Щуров А. Н., Шовкопляс С. С. Схема с удлинителем для плавки гололёда на воздушных линиях электропередачи // Изв. вузов. Электромеханика. 2013. №3. С. 61 —63.

10. Засыпкин А. С., Щуров А. И. Интегральная оценка эффективности схем плавки гололёда на воздушных линиях электропередачи // Изв. вузов. Электромеханика. 2013. №4. С. 42-45.

11. Засыпкин А. С., Щуров А. И. Разработка общей схемы плавки гололёда от ДУ ВУПГ на ВЛ района электрических сетей // Изв. вузов. Электромеханика. 2014. №.1 С. 76 - 82.

12. Засыпкин А. С., Щуров А. Н. Использование земли в качестве токо-провода при плавке гололёда импульсами постоянного тока // Изв. вузов. Электромеханика. 2014. №2. С. 73 - 77.

13. Щуров А. Н., Титов Д. Е. Исследование интенсивности гололёдооб-разования на проводах ВЛ с использованием опытных данных // Изв. вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2014. №3. С. 25 — 29.

14. Засыпкин А. С., Шовкопляс С. С., Щуров А. Н. Управление током универсальной установки плавки гололёда // Изв. вузов. Электромеханика. 2014. №3. С. 86-90.

Патенты

15. Пат. 142064 РФ, МПК H02G7/16. Установка для плавки гололёда на воздушных линиях электропередачи / Левченко И.И., Засыпкин A.C., Иванченко П. А., Сацук Е. И., Шовкопляс С. С., Щуров А. И. - Опубл. 20.06.14. Бюл. №17.

Публикации в других изданиях

16. Релейная защита дискретно управляемой выпрямительной установки плавки гололёда на ВЛ / А. С. Засыпкин, И. И. Левченко, Е. И. Сацук, С. С. Шовкопляс, А. И. Щуров // Релейная защита и автоматика энергосистем:

Сборник докладов XXI конференции (Москва, 29-31 мая 2012). - М: ВВЦ, 2012. С. 108-111.

17. Александров А. А., Щуров А. Н. Повышение эффективности схемы плавки гололёда в сети 110 кВ Центральных электрических сетей «Ставрополь-энерго» // Материалы докладов международной научно-технической конференции «Энергетика глазами молодёжи». В 2 т. - 14-18 октября 2013 г., Новочеркасск: ЮРГПУ, Том 1. 610 е., с. 279-283.

18. Щуров А. Н. Алгоритм управления дискретно управляемой выпрямительной установкой плавки гололёда на воздушных линиях электропередачи // Студенческая научная весна - 2014: материалы Регион, науч.-техн. конф. студ., асп. и молодых ученых вузов Ростовской области / Юж. - Рос. гос. политехи, ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ), 2014. С. 161 - 162.

19. Универсальная установка плавки гололёда на воздушных линиях электропередачи / А. С. Засыпкин, И. И. Левченко, Е. И. Сацук, С. С. Шовкопляс, А. Н. Щуров // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение. 2014. №6 (27). С. 64-71.

20. Титов Д. Е., Щуров А. Н. Анализ статистических данных о результатах работы систем мониторинга гололёдообразования // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2014. №4 (том 10). С. 12 - 17.

Личный вклад соискателя в работы, опубликованные в соавторстве: [1, 15] - участие в разработке схем дискретно управляемых выпрямительных установок плавки гололёда; [3] - разработка методики определения параметров настройки системы оптимального дискретного управления трёхфазно-трёхфазным тиристорным выпрямителем; [5, 6, 7, 9, 12, 16] - численная обработка результатов исследований; [10] - разработка способа оценки эффективности схем плавки гололёда на проводах воздушных линий электропередачи; [11, 17] - разработка методики построения граф-схемы плавки гололёда в районе электрических сетей; [13, 20] - статистическая обработка данных; [14, 19] -разработка способа управления импульсами постоянного тока универсальной установки плавки гололёда.

Щуров Артем Николаевич

ОБЩАЯ СХЕМА ПЛАВКИ ГОЛОЛЁДА В РАЙОНЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ НА БАЗЕ ДИСКРЕТНО УПРАВЛЯЕМОЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЙ

УСТАНОВКИ

Автореферат

Подписано в печать 27.04.2015. Формат 60x84 Vis. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1.0. Уч.-изд. л. 1.5. Тираж 100 экз. Заказ № 46-0620.

Отпечатано в ИД «Политехник» 346400, г. Новочеркасск, ул. Первомайская, 166 idp-npi@mail.ru