Автореферат (Определение наведенных напряжений и анализ их влияния на процессы плавки льда на проводах и тросах высоковольтных линий)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследованияОбеспечение надежного функционирования электроэнергетической системы (ЭЭС) – одна изглавных задач электроэнергетики. Оледенение представляет большую угрозу для стабильной работывысоковольтных линий (ВЛ). При переходе температуры через 0°C, высокой влажности и сильномветре на проводах и грозозащитных тросах (ГТ) образуется гололед. Наличие гололеда приводит кдополнительным нагрузкам на все элементы ВЛ, а также к повышенной восприимчивости к ветру, изза чего возникает раскачивание проводов. Под действием веса образовавшегося льда возможен обрывпроводов и ГТ ВЛ, разрушение гирлянд изоляторов и арматуры, повреждение опор.

Это приводит квынужденному отключению линии для вывода в ремонт, что влечет за собой дополнительныекапитальные вложения и трудозатраты.Аварии, спровоцированные погодными условиями в зимний период, происходят как в России,так и за рубежом. В 2001 году оледенение проводов привело к повреждению 2500 км ВЛ в Сочинскихэлектрических сетях. В 2008 году снежная буря в Китае привела к выводу из строя более 7541 ВЛ.Для снижения последствий аварий, связанных с образованием гололеда на проводах и тросахВЛ, производится профилактический прогрев проводов с помощью высоковольтных выпрямителей.Плавка льда осуществляется в соответствии со стандартом ФСК СТО 56947007-29.060.50.122-2012 иРуководящим документом 34.20.511.

Данные методики регламентируют, в частности, длительностьпроцедуры плавки, а также величину тока плавки.Вблизи прогреваемой линии, как правило, присутствуют иные линии, находящиеся в рабочемрежиме, которые являются источниками электромагнитного поля, индуцирующего ЭДС в контуреплавки. Таким образом, выпрямительные устройства испытывают влияние наведенных напряжений.Это приводит к нежелательному изменению режима работы выпрямителя. В отдельных случаяхнаведенные напряжения могут достигать величин, приводящих к выходу из строя выпрямителя.В ряде случаев контур плавки содержит в качестве обратного провода землю.

При этом напроцесс плавки оказывают влияние характеристики заземляющего устройства (ЗУ). Поскольку ЗУпостоянно подвержены влиянию окружающей среды, их свойства не постоянны. В связи с этимактуальна разработка методики, позволяющей в полевых условиях определить схему замещения ЗУдля последующего использования в расчетах режимов плавки.Как показывают расчеты, ток плавки содержит ряд высших гармоник, которые такжежелательно учитывать при рассмотрении процесса плавки для предотвращения перегрева провода илитроса. Методика ФСК не учитывает тепловое действие высших гармоник тока плавки, а такжеэффектов наведенных ЭДС и характеристик ЗУ, учет которых оптимизирует процесс плавки.

В связис этим актуальным является создание математической модели работы высоковольтного выпрямителя,учитывающей наличие наведенной ЭДС в контуре плавки, частотные характеристики (ЧХ) проводов,ГТ и ЗУ.1В направлении создания и совершенствования математических моделей по расчетуэлектрических цепей имеется значительный объем публикаций отечественных ученых, таких какЮ. Э. Адамьян, Л. Л.

Балыбердин, В. Н. Боронин, Ю. Н. Бочаров, П. А. Бутырин, К. С. Демирчян,В. Ф. Дмитриков, Б. В. Ефимов, Е. С. Колечицкий, М. В. Костенко, С. И. Кривошеев,М. Ш. Мисриханов, М. И. Михайлов, Л. С. Перельман, В. Н. Рябченко, Н. В. Силин, Ю. А. Шершнев,С. Л. Шишигин, Ю. П. Шкарин, а также иностранных, таких как M. Hayakawa, Z. Jie, X. Shukai, W. Xu.,W. Yang и L. Yuqing.Работа выполнена при поддержке ФЦП «Исследования и разработки по приоритетнымнаправлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы».Соглашениеопредоставлениисубсидии№14.584.21.0019от30.11.2015,УИпроектаRFMEFI58416X0019, тема «Влияние экспериментально полученных форм импульса тока молнии намеханические характеристики композитных структур».Цели и задачиЦелью работы является разработка и апробация универсальной математической модели длякомплекса технических устройств, входящих в контур плавки льда на проводах и ГТ ВЛ, с учетомнаводимых от параллельно работающих ВЛ напряжений, а также ЧХ проводов, ГТ и ЗУ.Для достижения поставленной цели необходимо:1Разработать методику оценки тока выпрямительного устройства с учетом ЭДС, наведеннойв контуре плавки от токов близко расположенных воздушных линий.2Разработать экспресс-метод по определению схемы замещения ЗУ и определению еепараметров по экспериментально определенным импульсным характеристикам.3Выполнить исследование гармонического состава тока плавки с учетом частотныххарактеристик ЗУ, проводов и ГТ.4Разработать методику оценки тепловыделения в проводах и тросах с учетом их частотныхсвойств, а также гармонического состава тока плавки.5Рассмотреть ряд практических задач, и применить разработанные в работе методы для ихрешения.Научная новизнаИсследовано влияние наведенных напряжений от токов близко расположенных воздушныхлиний на работу выпрямителей и разработана методика оценки изменения температуры провода.Разработан экспресс-метод решения задачи структурного и параметрического синтеза длявыбора схемы замещения ЗУ по имеющимся импульсным характеристикам в реальном масштабевремени.Получены схемы замещения ЗУ, ГТ и проводов ВЛ, учитывающие их частотныехарактеристики.Предложен способ учета высших гармоник на выбор величины тока плавки.2Теоретическая и практическая значимость работыПоказано, что в контурах плавки льда на проводах и тросах ВЛ могут наводиться напряжения,которые могут представлять угрозу для персонала и оборудования.Обоснована необходимость учета частотных характеристик ЗУ в задачах, где в качествеобратного провода используется земля.Разработанная экспресс-методика определения схемы замещения ЗУ может быть использованав задачах расчета стекания тока молнии с опор и получения уточненных оценок грозоупорности ВЛ.Методология и методы исследованияВ работе использовались теория цепей, методы оптимизации, методы цифровой обработкисигналов, генетический алгоритм.

Решение громоздких систем уравнений выполнялось в среде Maple.Моделирование работы выпрямительного моста выполнялось в среде Simulink. Решение задачиоптимизации выполнялась в среде Matlab (номер свидетельства о государственной регистрациипрограммы для ЭВМ №2018662772, выдано 15.10.2018 Федеральной службой по интеллектуальнойсобственности).Положения, выносимые на защиту1Алгоритм предварительной обработки экспериментально определенных импульсныххарактеристик ЗУ.2Экспресс-метод решения задачи структурного и параметрического синтеза при получениисхемы замещения ЗУ, основанный на предварительно разработанном наборе схем замещения игенетическом алгоритме.3Подход к сокращению числа переменных при решении задачи параметрического синтеза,основанный на предварительно выполненных аналитических исследованиях типичных частотныххарактеристик ЗУ.4Выполнение расчетов токов плавки для ряда практических задач с использованиемописанных в работе методик.Степень достоверности и апробация результатовДостоверностьполученныхрезультатовподтверждаютсякорректнымприменениемклассических методов теоретической электротехники и методов математического анализа, а такжерешением модельных задач.Основныеположениядиссертационнойработыдокладывалисьиосуждалисьнамеждународных конференциях, в том числе EMC Tokyo 2014, 2015, 2016, 2017 IEEE Conference ofRussian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, на семинаре в Доме ученых им.

М.Горького РАН в 2016 году, а также на кафедре «Теоретическая электротехника и электромеханика»СПбПУ.3Объем и структура работыДиссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературныхисточников, насчитывающего 78 наименований, и двух приложений. Общий объем работы – 162страницы. Диссертация содержит 85 рисунков и 44 таблицы.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении кратко обосновывается актуальность темы, сформулированы цели и задачиработы.Первая глава содержит примеры аварий в электроэнергетической отрасли, произошедших попричине образования льда на проводах и ГТ ВЛ.

Рассмотрена процедура плавки льда при помощивысоковольтныхвыпрямителей.Приведеныосновныеиспользуемыесхемыподключениявысоковольтных выпрямителей. Рассмотрена существующая методика расчета режима плавки,выявлены ее недостатки.Согласно Методическим указаниям по плавке гололеда постоянным током РД 34.20.511,профилактический нагрев провода рекомендуется производить при температуре воздуха около 0°C искорости ветра 1–2 м/с. По сравнению с переменным током, использование постоянного тока дляплавки гололеда открывает широкие возможности подбора величины тока плавки, например, припомощи тиристоров. Это облегчает контроль нагрева проводов и ГТ, что особенно актуально принагреве тросов со встроенным оптическим кабелем.

Простейшей схемой цепи для плавки льдаявляется схема «ГТ-земля», представленная на рисунке 1. Типичные схемы плавки гололеда на ГТ ипроводах ВЛ представлены в таблице 1.ВыпрямительКонтур плавки гололеда Выпрямитель+-ABCГТ-ABC+ОпораОпораРисунок 1 – Схема плавки гололеда «ГТ-земля»Желательно иметь возможность производить плавку льда на ГТ ВЛ без ее отключения. Токипроводов ВЛ, находящихся на одной опоре с тросом, а также токи соседних линий, наводят ЭДС вконтуре плавки, что может привести к повреждению выпрямителя.Ток плавки имеет сложный гармонический состав, поэтому для корректного моделированияработы выпрямляющего устройства требуется учесть ЧХ ЗУ, проводов и тросов.В ряде работ показано, что сопротивление ЗУ различно при различных частотах, чтоучитывается в настоящей работе использованием в расчетах схем замещения ЗУ с учетом его ЧХ.Разработана методика получения таких схем замещения в полевых условиях.

Достоверная расчетная4модель необходима для получения приемлемых результатов в задачах оценки теплового действиятока, создаваемого выпрямителями при плавке гололеда на тросах и проводах ВЛ, а также при оценкегрозоупорности ВЛ, эффективности работы ЗУ, а также при выработке мер по минимизации ущербаот воздействия ударов молнии в ВЛ.Таблица 1 – Схема плавки гололеда на проводах и грозозащитных тросахНазваниеСхемаГТГТ – земляГТ1ГТ1,2ГТ2ГТ1ГТ2ГТ1,2 – земляГТГТ – три фазыABCГТ1ГТ2ГТ1,2 – три фазыABC5Для получения схемы замещения ЗУ, отражающей его ЧХ, нужно решить задачи структурногои параметрического синтеза. Под задачей структурного синтеза мы понимаем выбор количества RLCэлементов схемы замещения ЗУ и способа их соединения между собой.