Анализ и устранение причин отказов установки плавки гололеда ВУПГ 1200–1400 в энергосистеме Сахалинской области



Термины, определения исокращения

АС — провод сталеаллюминиевый;

ВЛ — высоковольтная линия;

ВУКН — выпрямительная установка на кремниевых вентилях нагревательная;

ВУПГ — выпрямительная установка плавки гололеда;

ДГВН — датчик гололедно-ветровой нагрузки;

ИСКГ — информационная система контроля гололедообразования;

ПГ — плавка гололеда;

ДР — двухпозиционное регулирование;

ПС — подстанция;

РПГ — разъединитель плавки гололеда.

Необходимость борьбы с гололедом обычно возникает в периоды быстрого изменения температуры и вместе с ней — влажности воздуха, и часто связано с образованием осадков. Например, резкое повышение температуры из отрицательных значений и одновременное выпадение дождя, мороси или мокрого снега межсезонья, с неустойчивой температурой и влажностью воздуха, возникающих осадков, усиления ветра и, как следствие, понижения температуры. Также гололед возникает при резком понижении температуры переувлажненного воздуха, даже в условиях прозрачного воздуха [2]. По данным гидрометеослужбы, на территории юга Сахалина температура воздуха в холодное время года колеблется от 0ºС до –15ºС, при этом средняя температура декабря составляет –8.6ºС, января: –11.2ºС, февраля: –10,9ºС, марта –4,9ºС, что при средних значениях скорости ветра 3–7 м/с в значительной степени способствует образованию на ВЛ различных типов отложений [12].

В настоящее время принята следующая классификация видов гололедных осадков, отлагающихся на поверхности конструкций, в том числе на проводах и опорах ВЛ, сооружений и наземных предметов:

– гололед (стекловидный или матовый);

– зернистая (плотная) изморозь;

– кристаллическая изморозь (инеевидный осадок);

– отложение мокрого снега;

– различные смеси этих осадков (сложное отложение).

Плотность гололедных отложений ρг зависит от многих факторов, и в расчетах ее можно принять равной ρг = 0,9 г/см3 [8]. Процесс образования гололеда может длиться от нескольких часов или суток до 2–3 месяцев с колебаниями интенсивности или временным прекращением. При продолжительном процессе возникают особо опасные отложения на проводах и тросах массой 10–20 кг/м (удельная нагрузка 100–200 Н/м) и более. В некоторых районах опасные отложения мокрого снега могут возникать очень быстро — до 1 часа.

По применяемым в настоящее время картам гололедных и ветровых районов территории юга Сахалина по гололедной нагрузке в основном относятся к 6–7 районам (толщина стенки гололедной муфты 35 и более мм); по ветровой нагрузке — к 4–6 районам (скорость ветра достигает 36–45 м/с).

Основным техническим мероприятием по предотвращению гололедных аварий является плавка гололеда переменным или постоянным током. Также проводятся исследования по применению для плавки токов высокой частоты, но в связи с высокой стоимостью оборудования данный способ на практике не применяется [6].

В зависимости от схемы источника питания и схемы соединения проводов ВЛ ПГ на фазных проводах переменным током может производиться следующими способами:

– метод короткого замыкания, при котором обогреваемую линию закорачивают с одного конца, а с другого к ней подключают источник питания, мощность которого достаточна, чтобы обеспечить протекание требуемого тока плавки. Данный метод имеет наибольшее распространение как наиболее простой и эффективный, позволяющий максимально автоматизировать процесс сборки схемы плавки и восстановления нормальной работы электрической сети, что особенно важно при создании автоматизированных систем управления ПГ [4]. Достоинством плавки гололеда методом короткого замыкания также является простота схемы и минимальное количество оперативных переключений. Следовательно, не требуется значительных затрат времени на сборку и разборку схемы плавки. Для закорачивания фаз или установки заземлений при сборке схем плавки предусматриваются стационарные коммутационные аппараты;

– метод встречного включения фаз, при котором фазные провода на противоположных концах ВЛ подключаются к различным по величине или (и) по фазе напряжениям источников питания. Схемы плавки гололеда, реализующие этот метод, обеспечивают одновременную плавку гололеда уравнительными токами во всех трех фазах за один цикл и могут применяться на ВЛ, соединяющих две подстанции, имеющие мощные связи по линиям высокого напряжения или параллельные линии, а также в кольцевой схеме электрической сети;

– метод перераспределения нагрузок вэлектрической сети спомощью специальных схемно-режимных мероприятий сцелью повышения токовой нагрузки ВЛ, провода которой подлежат обогреву, до необходимой величины. Плавка гололеда способом перераспределения нагрузок не получила широкого распространения в электрических сетях, так как ток плавки, зависящий от режима энергосистемы, и необходимые схемно-режимные мероприятия, с помощью которых он достигается, нельзя однозначно определить заранее. Этот способ не всегда может гарантированно обеспечить плавку гололеда из-за возможных в процессе эксплуатации электрических сетей схемных или режимных ограничений. Его использование более целесообразно для профилактического обогрева фазных проводов ВЛ при сохранении обогреваемой линии в эксплуатации;

– метод наложения токов, при котором спомощью специально устанавливаемого оборудования, например, вольтодобавочного трансформатора, на рабочий ток накладывается дополнительный ток, создаваемый в контуре, частью которого является обогреваемая ВЛ. Способ плавки наложением токов практического применения не получил.

При организации плавки постоянным током на подстанциях устанавливаются выпрямительные установки. Для их питания обычно используется напряжение от специально выделенной обмотки трансформатора. Для проплавления ВЛ обычно применяются следующие схемы плавки [17, 18]:

Схема плавки «Провод— земля», при котором один полюс выпрямительной установки подключается к проводу ВЛ, второй полюс и противоположный конец провода закорачиваются на землю. Плавка осуществляется последовательно на каждом из проводов ВЛ, при этом, используя возможности коммутационной аппаратуры и схем подключения, не задействованные в плавке провода можно применять для передачи электроэнергии потребителям в неполнофазном режиме. Применение такого варианта подключения также позволит осуществлять профилактический обогрев проводов ВЛ, не задействованных в плавке.

Схема плавки «3 провода— земля», при котором один полюс выпрямительной установки подключается к трем проводам ВЛ параллельно, второй полюс и противоположные концы проводов закорачиваются на землю. Плавка осуществляется одновременно на всех фазных проводах ВЛ. Преимущество данного способа — минимальное количество оперативных переключений, но такой способ применим при небольших гололедных и ветровых нагрузках, так как по каждому из проводов будет течь ток плавки, не превышающий трети номинального тока ВУПГ, то есть около 400 А.

Схема плавки «Провод— провод», при котором полюса выпрямительной установки подключаются к двум проводам ВЛ, противоположные концы этих проводов закорачиваются. Плавка осуществляется сначала на двух проводах, затем вместо одного из проводов подключается оставшийся.

Схема плавки «Провод— 2 провода», при котором один полюс выпрямительной установки подключается к проводу ВЛ, второй полюс подключается к параллельно соединенным остальным двум проводам ВЛ, противоположные концы всех проводов закорачиваются. Плавка осуществляется на одном проводе, в это время два других проплавляются частично. Затем схему поочередно переключают таким образом, чтобы проплавить два оставшихся провода.

Схема плавки «Змейка», при котором один полюс выпрямительной установки подключают к проводу ВЛ, второй закорачивают на землю, концы проводов ВЛ соединяют последовательно, конец последнего провода закорачивают на землю. Плавка осуществляется одновременно на всех проводах ВЛ. Данный способ применим на коротких ВЛ, так как при значительной длине ВЛ суммарное сопротивление проводов ограничивает ток плавки.

Причины выхода из строя тиристоров установки плавки гололеда способ их устранения

В настоящее время в системе электроснабжения Сахалина применяется установка плавки гололеда типа ВУПГ-1200–14000 на ПС «Южно-Сахалинская» и ВУКН-1200–14000 на ПС «Ильинская».

Технические характеристики ВУПГ-1200–14000:

– питающее напряжение — переменное 10 кВ;

– выходное напряжение — постоянное 14 кВ;

– номинальный выходной ток — 1200 А;

– мощность — 16,8 МВт.

Установка представляет собой управляемый выпрямитель, который обеспечивает необходимый ток плавки для проводов и грозозащитных тросов ВЛ класса 35, 110, 220 кВ в районах с умеренным гололедообразованием. Отличительными особенностями данной установки являются:

– возможность плавного регулирования тока плавки от 100 до 1200 А, в том числе и по сигналам с датчиков гололеда;

– плавный пуск и отключение выпрямителя, что позволяет избежать перенапряжений и облегчает работу коммутационной аппаратуры;

– поддержание постоянства тока плавки;

– наличие цифровой микропроцессорной СУРЗА.

Указанная установка позволяет осуществлять надежную плавку гололеда на участках высоковольтной линии протяженностью до 100 км, что соответствует протяженности реально используемых ВЛ, отходящих от ПС «Южно-Сахалинская»:

– минимальная протяженность ВЛ — 1,26 км (С18, С19, участок ПС «Южно-Сахалинская» — ПС «Луговая»);

– максимальная протяженность ВЛ — 116,51 км (Д9 + С21 + С22, участок ПС «Южно-Сахалинская» — ПС «Холмская» — ПС «Холмск-Южная» — ПС «Невельская»).

Технические характеристики ВУКН-1200–14000 идентичны характеристикам ВУПГ-1200–14000. Принципиальным отличием является невозможность регулирования тока плавки, что не позволяет устанавливать токи плавки в соответствии с расчетами, учитывающими погодные условия.

Рис. 1. Схема замещения установки плавки гололеда ВУПГ-1200–14000 после обрыва провода

Как показал опыт эксплуатации указанных установок, установка ВУПГ-1200–14000 выходит из строя во время плавки во время обрыва провода линии, в котором в настоящее время происходит плавка. ВУКН-1200–14000, выполненная на неуправляемых вентилях-диодах, в подобных случаях остается в исправном состоянии. Для анализа причин подобного явления проанализируем переходный процесс, возникающий при обрыве провода в линии, в которой происходит плавка.

Эквивалентная схема замещения линии после обрыва провода представляет собой активное сопротивление RЛ и индуктивноcть LЛ линии, сопротивление дуги RД и три параллельные пары последовательных вентилей моста. Проанализировать переходный процесс можно методами ТОЭ [1]. Уравнение, описывающее изменение тока провода I(t) во времени после обрыва:

I(t) = I(0)∙,(1)

где RVA и RVK — сопротивления вентилей анодной и катодной групп рассматриваемого контура;

После обрыва индуктивность линии генерирует ЭДС самоиндукции, которая в схеме замещения направлена вверх (рисунок 21) и по отношению к парам вентилей является напряжением прямого направления. Максимальное значение ЭДС самоиндукции определяется отношением суммарного сопротивления контура к сопротивлению провода до разрыва:

E(0) = Um∙ ,(2)

где E(0) — максимальное значение импульса ЭДС самоиндукции в момент разрыва цепи;

Um — амплитуда линейного напряжения на входе выпрямителя.

В установке ВУКН-1200–14000 вентили представляют собой диоды, и приложенное к ним прямое напряжение сразу вызывает их открытие. Схема замещения установки плавки гололеда на неуправляемых вентилях представлена на рисунке 2. Напряжение на диоде UVD будет равно:

UVD = UV0∙,(3)

где UV0∙- падение напряжения на открытом диоде.

Рис. 2. Схема замещения одного контура установки плавки гололеда типа ВУКН-1200–14000 при обрыве линии

Согласно справочным данным диодов и тиристоров, UV0 варьируется от десятых долей до единиц вольт. Следовательно, при обрыве провода установка плавки гололеда, собранная на неуправляемых вентилях-диодах, не испытывает перенапряжений, способных вывести вентили из строя.

В установке ВУПГ-1200–14000, собранной на тиристорах, в случае обрыва возникают значительные перенапряжения. Поясним это. Схема замещения контура с закрытым тиристором установки ВУПГ-1200–14000 представлена на рисунке 3:

Рис. 3. Схема замещения одного контура установки плавки гололеда типа ВУПГ-1200–14000 при обрыве линии

К закрытому тиристору установки ВУПГ-1200–14000 приложено напряжение:

Uзакр = E(0) — (RЛ + RД) — UV0= Um∙ ,(4)

Сопротивление закрытого вентиля RVЗ составляет сотни кОм, тогда как сопротивление линии в сотни тысяч раз меньше, в результате напряжение на закрытом вентиле достигает теоретически бесконечной величины. На практике происходит выход тиристора из строя в результате пробоя.

Для борьбы с данным явлением можно использовать включение на выходе моста одного дополнительного обратного вентиля, как показано на схеме, приведенной на рисунке 4.

Рис. 4. Способ устранения импульса перенапряжения на закрытом тиристоре при обрыве линии

В приведенной схеме в случае обрыва возникающая ЭДС самоиндукции создает возрастающее напряжение, которое приложено к вентилю V0 в прямом направлении. Вентиль V0 открывается и рост напряжения прекращается. Все напряжение, создаваемое ЭДС самоиндукции, оказывается приложенным к дуговому промежутку и энергия магнитного поля, запасенная индуктивностью, рассеивается в дуговом промежутке до гашения дуги и окончательного разрыва тока. Схема силовой части установки ВУПГ-1200–14000, дополненная ограничивающим вентилем, приведена на рисунке 5.

Рис. 5. Схема силовой части установки ВУПГ-1200-14000, дополненная ограничивающим вентилем

Предлагаемая в данной работе тиристорно-диодная схема с двухпозиционным регулированием является устойчивой к воздействию перенапряжений, возникающих при обрыве провода во время плавки, так как при двухпозиционном регулировании тиристоры работают в режиме неуправляемых вентилей, и поэтому в любой момент работы можно считать, что все тиристоры гарантированно открываются при подаче на них напряжения прямой полярности, так как импульсы управления подаются одновременно на все тиристоры с большой частотой. Но существует вероятность прихода импульса перенапряжения именно в тот момент, когда открытое состояние тиристоров изменяется на закрытое. Вероятность данного совпадения, очевидно, очень мала и близка к нулю, но следует предусмотреть меры по устранению влияния даже столь маловероятного совпадения, тем более, что большого усложнения схемы это не повлечет. В приведенной на рисунке 26 схеме предусмотрена защита от перенапряжения, возникающего при обрыве линии в маловероятном режиме обрыва линии и прекращения подачи отпирающих импульсов на выпрямительную установку.

Заключение

Для дальнейшего развития предложенной идеи потребуются незначительные изменения в применяемую в настоящее время установку. В работе также предложена принципиально новое техническое решение. Применение двухпозицнонного регулирования позволяет предельно упростить структуру схемы управления выпрямительной установкой, а также достичь максимальной линейности ее выходкой характеристики по мощности. Также известно, что двенадцатипульсный выпрямитель имеет значительно лучший гармонический состав потребляемого тока, чем применяемая в настоящее мостовая схема выпрямления. Предложенная схема также обладает свойством живучести, то есть сохраняет работоспособность даже после выхода из строя основных ее элементов — тиристоров или диодов выпрямительной установки Структура системы управления построена так, чтобы ее работа не была привязана к системе датчиков фазы входного напряжения, и при этом можно с высокой точно задавать текущий режим работы установки плавки гололеда. Внедрение предлагаемой системы потребует научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы, так как особенности применения двухпозиционного управления в установках плавки гололеда в настоящее время не изучены.

Литература:

1. Бессонов, Л. А. Теоретические основы электротехники. Т.1 Электрические цепи. — М.: Высшая школа, 1978.Дьяков, А. Ф. Системный подход к проблеме предотвращения и ликвидации гололедных аварий в энергосистемах. — М.:Энергоатомиздат, 1987.-160с.
2. Дьяков, А. Ф. Предотвращение и ликвидация гололедных аварий в электрических сетях энергосистем / А. Ф. Дьяков, А. С. Засыпкин, И. И. Левченко. — Пятигорск: РП «Южэнерготехнадзор», 2000. — 284с.
3. Левченко, И. И. Модели и методы расчета установок плавки гололеда постоянным током: учебное пособие /И. И. Левченко, А. А. Аллилуев, Е. И. Сацук. — Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001. — 210с.
4. Левченко, И. И. Программа расчета параметров плавки гололеда постоянным током на воздушных линиях электропередачи с землей в качестве обратного провода («ГОЛОЛЕД-Z») / И. И. Левченко, Е. И. Сацук, Е. В. Рябуха — Свидет. об офиц. регистр. программы для ЭВМ 2001610877. Зарегистр. в Реестре программ для ЭВМ 24.07.01.– РОСПАТЕНТ, г.Москва.
5. Левченко, И. И. Расчет параметров плавки гололеда на воздушных линиях электропередачи / И. И. Левченко, А. А. Аллилуев, Е. В. Рябуха: учебное пособие / Новочеркасск: ЮРГТУ, 2002. — 76с.
6. Левченко, И. И. Новые установки плавки гололеда постоянным током на воздушных линиях электропередачи / VII симпозиум «Электротехника 2010 год». Перспективные виды электротехнического оборудования для передачи и распределения электроэнергии / И. И. Левченко, А. С. Засыпкин, А. Д. Лейдман. — Москва: Ассоциация ТРАВЭК, 2003. — Т.1.
7. Левченко, И. И. Система телеизмерения гололедных нагрузок на воздушных линиях электропередачи 330–500 кВ / Электрические станции. –1999.– 12. — С.39–43.
8. Левченко И. И. Диагностика, реконструкция и эксплуатация воздушных линий электропередачи в гололедных районах: Учеб. пособие / И. И. Левченко, А. С. Засыпкин, А. А. Аллилуев, Е. И. Сацук. — М.: Издательский дом МЭИ, 2007. — 494 с.
9. Охрана труда в электроустановках: учеб. под ред. Б. А. Князевского — 3-е изд. перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1983. — 336с.
10. Методические указания по плавке гололеда постоянным током — режим доступа http://pandia.ru/text/78/058/94483.php
11. РД 34.20.511. Методические указания по плавке гололеда переменным током. Часть I — режим доступа http://snipov.net/database/c_4294966491_doc_4294817249.html
12. Микроконтроллер ATMEGA8515 — режим доступа http://www.atmel.com/ru/ru/devices/ATMEGA8515.aspx
13. ГОСТ 839–80 — режим доступа: http://www.elec.ru/viewer?url=/library/gosts_e41/gost_839–80.pdf
14. Аналитические материалы Сахалинской гидрометеослужбы — режим доступа: http://sakhmeteo.ru/climat/analytics2012.php
15. Как расплавить лед на проводах ЛЭП — Наука и жизнь — режим доступа — http://www.nkj.ru/archive/articles/14553
16. Методические указания по применению сигнализаторов гололёда и прогнозированию гололёдоопасной обстановки — режим доступа: http://www.fsk-ees.ru/upload/docs/STO56947007–29.240.55.113–2012.pdf
17. Охрана окружающей среды — режим доступа: http://www.stroitelstvo-new.ru/elektromonter/ohrana-okruzhajushhej-sredy.shtml
18. Правила устройства электроустановок 7 — режим доступа: http://base.garant.ru/3923095/
19. Типовая инструкция по эксплуатации высоковольтных линий электропередачи напряжением 35–800 кВ РД 34.20.505–94 — режим доступа: http://www.gosthelp.ru/text/RD342050494Tipovayainstru.html
20. Характеристики тензометрических датчиков гололедно-ветровых нагрузок — режим доступа: http://www.elna-severplus.ru/tenzometricheskie_datchiki.html
21. Шершнев, А. Ю. Опыт введения в эксплуатацию установки плавки гололеда на проводах ВЛ ВУПГ-14/1200 на ПС 220 кВ Тымовская ОАО «Сахалинэнерго» — СПб.: ОАО «НИИПТ» — режим доступа: http://libed.ru/knigi-nauka/547099–6-nauchno-issledovatelskiy-institut-peredache-elektroenergii-postoyannim-tokom-visokogo-napryazheniya-izvestiya-nii-po.php
22. ЭнергоСофтПроект, программные продукты — режим доступа: http://www.energosoftpro.ru/page.cshtml?id=price