автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка методов управления терморезонансными колебаниями для защиты участков линий электропередачи

Введение.б

1. Аналитический обзор литературы.

1.1. Развитие задачи исследований.

1.2. Обзор литературных источников по оценке влияния пляски проводов на устойчивость системы "генератор-линия-нагрузка".

1.3. Обзор литературных источников по пляске проводов воздушных линий электропередачи

1.4. Обзор литературных источников по методике исследования колебательных систем.

1.5. Выводы по главе.

2. Терморезонансные колебательные системы. Методика их исследований

2.1. Построение математической модели системы

2.2. Построение структурной схемы математической модели

2.3. Исследование устойчивости покоя терморезонансных систем по первому приближению.

2.4. Устойчивость периодических решений. Методика решения уравнений, описывающих процессы в терморезонансных системах.

2.5. Выводы по главе.

3. Исследование терморезонансных моделей.

3.1. Вертикальные терморезонансные колебания струны.

3.1.1. Соотношение между параметрами системы.

3.1.2. Дифференциальное уравнение движения термомеханического звена

3.1.3. Дифференциальное уравнение, характеризующее процессы, происходящие в системе.

3.1.4. Определение коэффициента теплоотдачи.

3.1.5. Решение уравнения теплового баланса.

3.1.6. Определение периодических решений уравнения движения термомеханического звена и условий их устойчивости

3.1.7. Анализ результатов исследований.

3.1.8. Определение частоты OO(t) и амплитуды Qf(t)

3.1.9. Выводы.

3.2. Горизонтальные колебания терморезонансной модели

3.2.1. Дифференциальные уравнения, описывающие процессы в колебательной системе.

3.2.2. Анализ результатов исследований.

3.3. Терморезонансные колебания в системах с распределенными параметрами.

3.3.1. Дифференциальное уравнение движения провода в пролете

3.3.2. Дифференциальное уравнение, описывающее тепловые процессы в системе. Определение коэффициента теплоотдачи

3.3.3. Определение условий устойчивости периодических решений уравнения движения термомеханического звена

3.4. Анализ результатов исследований.

3.5. Выводы по главе

4. Колебания терморезонансных систем в восходящих тепловых потоках.

4.1. Дифференциальное уравнение движения термомеханического звена.

4.2. Определение коэффициента теплоотдачи.

4.3. Исследование устойчивости системы.

4.4. Температурные колебания.

4.5. Определение условий устойчивости стационарного режима и установившегося значения амплитуды колебаний термомеханического звена модели.

4.6. Определение установившегося значения амплитуды колебаний механического звена реального участка ЛЭП.

4.7. Методы управления процессом терморезонансных колебаний реальных участков ЛЭП.

4.8. Выводы по главе.

5. Экспериментальные исследования терморезонансных колебаний.

5.1. Экспериментальная установка для исследований

5.2. Эксперименты, выявляющие механизм возбуждения терморезонансных колебаний.

5.2.1. Экспериментальный анализ зоны установления температурных колебаний.

5.2.2. Экспериментальный анализ зоны квазиустановивпшхся температурных колебаний.

5.3. Эксперименты, направленные на выявление численных значений параметров и соотношений между ними.XI

5.3.1. Экспериментальное определение исходных параметров системы

5.3.1.1. Определение жесткости,собственной частоты "холодной" системы и коэффициента нелинейности

5.3.1.2. Измерение показателя затухания колебаний "холодной" системы.

5.3.1.3. Определение коэффициента теплоотдачи покоящегося провода.

5.3.2. Экспериментальное определение динамических характеристик системы.L

5.3.2.1. Зависимость провеса и частоты колебаний груза от разности температур нагрева провода модели и окружающей среды.

5.3.2.2. Построение резонансной характеристики модели

К--/КИ

5.4. Эксперименты, направленные на управление процессом колебаний.

5.4.1. Экспериментальные исследования факторов, определяющих срыв колебаний.

5.4.2. Мероприятия, обеспечивающие исключение терморезонансных колебаний на моделях.

5.5. Реализация результатов работы.

5.6. Выводы по главе.

В соответствии с решениями ХХУ1 съезда КПСС^ IJ намечены основные направления развития энергетики в XI пятилетке. Планируется техническое перевооружение энергопромышленности, ввод новых энергетических мощностей, повсеместный режим экономии энергоресурсов. ".Какими бы темпами мы ни развивали энергетику,- отмечается в Отчетном докладе Центрального Комитета,- сбережение тепла и энергии и впредь будет важнейшей общегосударственной задачей. На экономию топлива и энергии должны быть направлены усилия каждого коллектива, каждого труженика". Ноябрьский (1982 г.) Пленум ЦК КПСС отмечает, что намеченная выработка электроэнергии по всем расчетам должна удовлетворить потребности в ней, но только при безусловном выполнении заданий по ее экономии. "Экономия только одного процента расходуемой электроэнергии снижает себестоимость и соответственно увеличивает прибыль индустрии примерно на полтораста миллионов рублей. При решении общих задач, направленных наэкономию электроэнергии, вопросы повышения надежности и бевперебойности всех звеньев энергосистемы выдвигаются на первый планОдним из факторов, определяющих надежность и бесперебойность работы энергосистемы,является состояние проводов линий электропередачи (ЛЭП). ЛЭП является одним из наиболее уязвимых звеньев в системе "иенератор-линия-нагрузка" в связи с большой протяженностью и воздействием различных атмосферных условий.

При эксплуатации ЛЭП более пятидесяти лет тому назад было обнаружено явление, названное "пляской проводов"£ 4J. Пляска проводов - низкочастотные автоколебания, возникающие на ЛЭП и вызывающие схлестывание фаз, повреждение изоляторов, проводов, а в некоторых случаях и опор линий.

Из опыта эксплуатации воздушных линий электропередачи следует:1. Аварийные ситуации, автоматические повторные включения, периодические изменения реактивных параметров линий, вызванные пляской проводов, могут являться причиной нарушения устойчивости системы "генератор-линия-нагрузка".

2. Современная теория пляски проводов является несовершенной и не может объяснить многие случаи колебаний, встречающихся в эксплуатации.

3. Защитные мероприятия, разработанные на основании современной теории пляски проводов, малоэффективны.

Эти обстоятельства определяют актуальность проведения работ, связанных со всесторонним изучением механизма возбуждения и поддержания автоколебаний проводов ЛЭП - важнейшего звена системы "генератор-линия-нагрузка"г, с разработкой мероприятий, направленных на исключение или снижение интенсивности этих колебаний.

Задачей диссертационной работы являются исследования автоколебаний и устойчивости анкерного участка ЛЭП с учетом тепловых процессов, происходящих в линии, определение источников, осуществляющих вклад энергии в колебательный процесс, экспериментальные исследования модели.

Целью исследовайий явилась разработка мероприятий по борьбе с вредными воздействиями этих колебаний в эксплуатации и на стадии проектирования.

Исследования производились на модели,представляющей собой провод, закрепленный на двух неподвижных опорах, имеющий разность температур с окружающей средой. Изменение температуры нагрева привело к возникновений колебаний провода модели, которые были названы терморезонансными,В процессе теоретических разработок были использованы асимптотические методы нелинейной механики. В результате для систем ссосредоточенными и распределенными параметрами получены критерии существования терморезонансных колебаний.

Тепловая часть задачи исследовалась путем решения уравнения теплового баланса колебательной системы.

Эксперименты проводились на моделях с записью на шлейфовый осциллограф.

Научная новизна характеризуется тем, что в результате диссертационной работы определен новый, терморезонансный механизм возбуждения колебаний проводов линий электропередачи и приведены методы его анализа.

Дальнейший анализ других терморезонансных колебательных систем можно проводить, используя методику, предложенную в диссертационной работе, с применением тепловых коэффициентов, определяемых для каждого конкретного случая.

Степень обоснованности научных положений, выводов и рекомендаций подтверждены экспериментальными исследованиями. Расхождение теоретических положений и экспериментальных исследований не превышает 10-15%.

Практическая ценность диссертационной работы состоит:- в разработанном инженерном методе прогнозирования возможных случаев терморезонансных колебаний на ЛЭП как в условиях эксплуатации, так и на стадии проектирования;- в разработанном технологическом способе управления процессом колебаний - выбор параметров технологического процесса передачи электроэнергии, исключающих возможность возникновения терморезонансных колебаний на ЛЭП;- в разработанных конструктивных способах управления процессом терморезонансных колебаний участков ЛЭП - пружинно-пневмати- -ческий демпфер и геометрически устойчивая, теплоизолированная конструкция провода - кабеля. На геометрически устойчивую конструкцию провода-кабеля получено авторское свидетельство.

Промышленное использование результатов работы проведено на базе НИР (хоздоговорная тема ЮЬ/77 "Исследование деформаций и напряженного состояния в конструктивных элементах кабелей (проводов) в условиях подвижной эксплуатации". Номер гос.регистрации 77055387) и ОКР (х/д тема № 80/79 "Разработка серии геометрически устойчивых кабелей (проводов)". Номер гос.регистрации 79003573).

Дальнейшее внедрение предусматривает применение теплоизолированных, геометрически устойчивых проводов (кабелей) на длиннопро-летных антенных устройствах, работающих в режиме 'ЛЭП, с целью исключения на них терморезонансных колебаний (ОКР №416/83 "Разработка конструктивных и технологических решений по выбору и использованию стальных канатов и сталеалюминиевых проводов в большепролетных антенных конструкциях" с Государственным союзным проектным институтом, Главсвязьпроект).

Внедрение результатов работы и доля участия диссертанта подтверждена справкой о внедрении, выданной ХИИКСом на основании подлинных актов о внедрении №35/77 от 4.12.81 и 80/79 от 19.11.83 г., выданных опытно-конструкторским бюро кабельной промышленности, (ОКБ КП).

Общий годовой экономический эффект от внедрения разработок составил 200 (двести) тысяч рублей.

Работа состоит из введения, пяти глав,и общих выводов.

В первой главе проведен аналитический обзор литературы, в которой освещаются вопросы оценки влияния пляски проводов на устойчивость системы "генератор-линия-нагрузка", анализируется опыт эксплуатации линий электропередачи, приводится методика исследований колебательных систем.

Во второй главе дано определение терморезонансных систем, рассмотрен механизм возбуждения и поддержания терморезонансных колебаний, изложена общая методика их исследования.

В третьей главе приведены методы исследования терморезонансных моделей с соредоточенными и распределенными параметрами без учета влияния восходящих тепловых потоков. Определены значения амплитуды и частоты колебаний.

Четвертая глава посвящена изучению автоколебаний терморезонансной модели в восходящих тепловых потоках. Определены зоны динамической неустойчивости колебательной системы, амплитуда и частота колебаний.

В пятой главе описана методика экспериментальных исследований терморезонансных моделей. Проведен сравнительный анализ результатов экспериментов и теоретических предпосылок для исследуемой модели. Приведены результаты экспериментальных исследований.

В общих выводах подведены итоги работы и предложены мероприятия по снижению интенсивности терморезонансных колебаний для реальных участков ЛЭП.

Исследования проводились на следующих действующих моделях:1. Терморезонансная модель с сосредоточенными параметрами, работающая от стабилизированных источников переменного и выпрямленного напряжения. В системе наблюдались как вертикальные, так и горизонтальные колебания;2. Модель анкерного участка ЛЭП с равновысоким подвесом проводов - терморезонансная система с распределенными параметрами. На модели получены вертикальные и горизонтальные колебания. Расхождение экспериментальных результатов и теоретических препосылокнаходится в пределах 10-15%.

Основные результаты работы изложены в б статьях, 2 авторских свидетельствах.

Научные итоги диссертации докладывались: на Всесоюзной конференции по проблемам прочности и долговечностистальных канатов, Одесса, 1979;на научно-технических семинарах кафедры электроснабжения городов ХИИКСа, 1980 и 1982;на научной конференции профессорско-преподавательского состава ХИИКСа, 1981;на республиканском научном семинаре АН УССР по проблеме "Кибернетика" на секции "Управление сложными технико-экономическими системами", Харьков, 1984.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. В результате обзора литературных источников выявлено, что пляска проводов, являющаяся одной из насущных проблем электроэнергетики, не имеет совершенной, стройной теории, раскрывающей механизм этого явления. Средства борьбы с пляской проводов малоэффективны. Анализ литературных источников показал актуальность проведения работ, направленных на выявление механизма пляски проводов в новом, ранее не рассматриваемом аспекте с учетом влияния тепловых процессов, происходящих в проводе при колебаниях и разработку мероприятий, определяющих возможность управления процессом колебаний.

2. Осуществленно построение математической модели нагретой колебательной системы, определи передаточные функции динамических звеньев, построена структурная схема модели. Из анализа структурной схемы определено понятие "терморезонансные системы", предложена методика оценки устойчивости линеаризированных терморезонансных систем.

3. Проведены аналитические исследования терморезонансных моделей, терморезонансные колебания на которых возникают за счет теплообмена нагретого провода с окружающей средой. В результате исследований выявлено, что механизм возбуждения терморезонансных систем обусловлен наличием демультипликадионного параметрического резонанса с резонанса на второй гармонике ) . Определены условия возбуждения тер-шрезонансных моделей, ширина резонансной зоны, построены кривые троцесса колебаний.

4. Иеследован механизм возбуждения терморезонансных колебаний в юбственных восходящих тепловых потоках с резонанс на основной час-?оте ). Определены зоны возбуждения, разработана методика прогнози-ювания и управления процессом колебаний в условиях эксплуатации '.ЭП и на стадии проектирования.

Все выкладки и оценки производились с точностью до величин порядка jS (р - температурный коэффициент линейного расширения материала провода) .

5. Разработана экспериментальная установка для исследования процесса возбуждения терморезонансных колебаний и методов управления шли.

Экспериментально подтвержден терморезонансный механизм возбуждения незатухающих колебаний на модели,определены зоны возбуждения и срыва колебаний модели.

Экспериментально показано,что применение теплоизолированных проводов и пружинно - пневматического демпфера исключает возможность возникновения колебаний на модели.Сравнение теоретических и экспериментальных результатов показало,что расхождение между ними не превышает 15%.

1. Материалы ХХУ1 съезда КПСС.- М.: Политиздат, 1981.- с. 32-35, 38.

2. Материалы Ноябрьского (1982 г.) Пленума ЦК КПСС.- М.: Политиздат, 1982.- с. 8.

3. Михайлов Б.С. Экономить электроэнергию.- Агитатор, 1983, №5, с. 11-12.

4. Da и(SOn А. В. Poncing Conductors, ЪаШ АТЕЕ^.^/ЯЗО^./^

5. Пеннер Д.И., Дубошинский Д.Б., Козаков М.И., Вермель А.С., Галкин Ю.В. Асинхронное возбуждение незатухающих колебаний.-УФН АН СССР, т. 109, 1973, с. 402-406.

6. Галкин Ю.В., Дуйошинский Д.Б., Вермель А.С., Пеннер Д.И. Вертикальные термомеханические колебания,- В сб.: Некоторые вопросы возбуждения незатухающих колебаний. Владимир, 1974,с. 150-158.

7. Вермель А.С. К вопросу о терморезиетивных колебаниях.- В сб.: Некоторые вопросы возбуждения незатухающих колебаний. Владимир, 1974, с. 159-167.

8. Пеннер Д.И., Дубошинский Я.Б., Дубошинский Д.Б., Петросов В.А., Поротников А.А. Параметрические термомеханические колебания.-В сб.: Некоторые вопросы возбуждения незатухающих колебаний. Владимир, 1974, с. 168-183.

9. Вермель А.С. Вертикальные терморезонансные колебания струны.-В сб.: Вопросы возбуждения незатухающих колебаний. Владимир, 1974, с.90-103.

10. Вермель А.С. К вопросу о горизонтальных термомеханических колебаниях.- В сб.: Вопросы возбуждения незатухающих колебаний. Владимир, 1974, с. I04-III.

11. Вермель А.С., Гаваза А.Н. О некоторых термомеханических колебательных системах.- В сб.: Вопросы возбуждения незатухающих колебаний. Владимир, 1974, с.112-118.

12. Вермель А.С. Терморезонансные колебания упругих систем с распределенными параметрами.- В сб.: Математические методы анализ за динамических систем. Харьков, 1979, с.54-60.

13. Ратковский Р. Опыты с пляской проводов.- Электрические системы и электротехническое оборудование, 1963, J£68, с .124-126.

14. Яковлев Л.В. Изучение пляски проводов.- Электрические станции, 1970, Й7, с. 55-58.

15. Керимов Ю.М., Еганов Б.Н. Пляска проводов на ЛЭП и мероприятия по борьбе с ней.- Электрические станции, 1975, 116, с.46-49.

16. Вермель А.С. Колебания механических систем в восходящих тепловых потоках.- Харьков, 1983.- Рукопись представлена Харьковским ин-том инженеров коммунального строительства. Деп. в ВИНИТИ 14 окт. 1983. М270эн-Д83.

17. Феодосьев В.И. О колебаниях и устойчивости трубы при протекании через нее жидкости,- Инженерный сборник АН СССР, т.Х, 1951, с. 91-92.

18. Мухин 0„В. Динамический критерий устойчивости трубопровода с протекающей жидкостью.- Изд. АН СССР, Механика, 1965, Ш,с. 70-71.

19. Мовчан А.А. Об одной задаче устойчивости трубы при протекании через нее жидкости.-Прикладная математика и механика, вып.4, 1965, с. 156.

20. Флоринский Ф.В., Колосов Л.В., Обухов А.Н. О поперечных колебаниях струны подъемной установки.- В сб.: Стальные канаты, Киев, 1971, №8. с. 106-108.

21. Роуботтон М.Д., Алдгем-Хюгхес P.P. Колебания проводов в пролете между распорками.- В кн.: Воздушные линии электропередачи. М., 1975, с. 184-190.

22. Ясицкий 3. Качание генераторов, вследствие изменения реактивных параметров проводов воздушных линий.- Энергетика за рубежом. Доклад Ш-08 на сессии СИГРЭ, 1974, с.224.

23. Лукашов Э.С. Управление малых колебаний дальних электропередач и исследования их на устойчивость.- Новосибирск: 1966.-237 с.

24. Жданов П.С. Устойчивость электрических систем.- М.: ГЭИД948.-388 с.

25. Дабагян А.В. Некоторые колебательные процессы в роторах турбо-и гидрогенераторных установок,- Труды Всесоюзного научно-исследовательского института электромеханики, т.1. М.:ЦИНТИ электротехнической информации и приборостроения, I960, с. 192.

26. Веников В.А., Цукурник Л.В. Развитие методов исследования устойчивости электрических систем.- Электричество, 1978, $2,с1-7.

27. Усманов Ф.Х., Байрамгулов Ю.Ж., Кабанов В.Ю. Испытание гасителей пляски проводов на ВЛ 6-10 кВ.- Электрические станции, 1981, F7, с.56-60.

28. Ден-Гартог Дж.П. Теория колебаний.- М.: 1942.- с.352-360.

29. Вислоух Л.А., Воронин А.В. Пляска проводов контактной сети электрифицированных железных дорог,- Электричество, 1940, №, с. 7.

30. Den Paztog 7,/? Transmission Line Viiration Due to ' S tee if. Tzans. AfEE, v.S/9 '932.

31. PichaZdson A. S, Design and performance of an Aeeo-dgnamic Anti-gof/oping Devise:Study fhpez

32. С/г ad/г а У A. A dynamic Model! Investigation of Conductor Catfopmg. IEEE, Pap её С 74059-2, /974.

33. Бургсдорф В.В., Муретов Н.С. Гололедные нагрузки воздушных линий электропередачи в СССР.- Труды/ВШИЭ, вып.Х, ГЭИ, 1967,с. 123.

34. Глазунов А.А. Основы механической части воздушных линий электропередачи.- ГЭИ, 1956.- 196 с.

35. EdvaZds /), Т., fiode£sci A. A Progzesi on the Investigation of Qa£'toping Transmission Line Conductors, AfEE. Pas. August,

36. Aiigof O.f С загсе G. У, Conductor GaMoping and Controi Based on To'asiona£ Mecknism. IEEE, paper. " С 74-0/6-2, 1974.

37. Ржевский С.С. Критерий пляски проводов ВЛ с крутильными колебаниями.- Изв. вузов, Энергетика, 1975, Ш, с. 5-7.

38. Ржевский С.С. Физико/математическая модель пляски проводов воздушных линий электропередачи без крутильных колебаний.- Изв.вуз он, Энергетика, 1975, $7, с. 3-7.

39. Ржевский С.С. К теории квазилинейного метода расчета параметров пляски проводов воздушных линий без крутильных колебаний.-Электричество, 1975, Л9, с. 13-16.

40. Наумовский Л.Д. Необычайная пляска проводов.- Электрические станции, 1975, №4, с. 72-74.

41. Дьяков А.Ф., Кузнецов В.А. Опыт эксплуатации ВЯ-ПО и 220 кВ в районах Крайнего Севера.- Электрические станции, 1983, ЖЗ, с. 84-85.

42. Коутс Р.Х., Джексон Ж.Б., Дэвис Д.А., Эрскин А. Главные переходы линий электропередачи через реки в Великобритании.- В кн.: Воздушные линии электропередачи, М., 1965, с. 187-193.

43. Кузнецов В.В. Учет особенностей климатических условий при проектировании воздушных линий электрон ере дачи. В сб.: Надежность и электробезопасность электрооборудования в районах Крайнего Севера, Норильск, 1977, с.23.

44. Ржевский С.С. По поводу статьи Я.Д.Наумовского "Необычайная пляска проводов".- Электрические станции, 1975, Й12, с.72.

45. Либерман Л.Я. По поводу статьи Л.Д.Наумовского "Необычайная пляска проводов" и отклика на нее С.Ржевского.- Электрические станции, 1976, №7, с. 68.

46. Папалекси Н.Д. Собрание трудов АН СССР, 1948, 395 с.

47. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний.- М.: Физматгиз, 1959,- 915 с.

48. Булгаков Б.В. Колебания.- М.: Гостехиздат, 1954.- 485 с.

49. Бутенин Н.В. Теория колебаний.-Л.: Судпромгиз, 1963.- 327 с.

50. Мак-Лахлан Н.В. Теория и приложения функции Матье.- М.: 1953.- 203 с.

51. Кононенко В.О. Колебательные системы с ограниченным возбуждением.- М.: Наука, 1964.--196 с.56