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

ОглавлениеВведение ................................................................................................................... 41 Актуальность рассматриваемых в работе проблем ........................................ 91.1 Актуальность плавки гололеда на проводах и тросах ВЛ ......................

91.2 Актуальность задачи учета наведенных напряжений при расчетережимов плавки льда ........................................................................................ 101.3 Актуальность проблемы учета ЧХ проводов и грозозащитных тросовВЛ........................................................................................................................

121.4 Актуальность проблемы учета ЧХ ЗУ .................................................... 131.5 Выводы по главе........................................................................................ 152 Составление схем замещения ЗУ, проводов и тросов поэкспериментальным частотным характеристикам ............................................ 172.1 Определение схемы замещения заземляющего устройства ................. 172.1.1 Получение и обработка экспериментальных данных, полученныхпри исследовании заземляющих устройств ............................................... 172.1.2 Решение задачи структурного синтеза при определении схемызамещения заземляющего устройства.........................................................

272.1.3 Решение задачи параметрического синтеза .................................... 292.2 Получение схем замещения проводов и тросов ВЛ .............................. 502.2.1 Получение ЧХ проводов и тросов ВЛ ............................................. 502.2.2 Решение задачи синтеза .................................................................... 592.2.3 Определение эквивалентных индуктивностей контуров плавкигололеда.......................................................................................................... 622.3 Выводы по главе........................................................................................ 643 Методика учета наведенных напряжений при работе инвертора и ЧХпроводов и тросов ВЛ ...........................................................................................

663.1 Проблема учета наведенных напряжений при расчете режимов работывыпрямляющих устройств для плавки льда на проводах и грозозащитныхтросах ВЛ ........................................................................................................... 663.2 Расчет наведенных напряжений для параллельных проводников ....... 673.3 Расчет наведенных напряжений для скрещивающихся проводников.

843.4 Выводы по главе........................................................................................ 964 Методика расчета режимов плавки льда с учетом ЧХ ЗУ и проводов итросов ВЛ ............................................................................................................... 9724.1 Описание режима работы инвертора, создающего ток плавки ............ 974.2 Исследование работы инвертора ........................................................... 1014.3 Выводы по главе...................................................................................... 115Заключение ..........................................................................................................

116Список сокращений и условных обозначений ................................................. 118Список литературы ............................................................................................. 119Приложение А Типовые ЧХ ЗУ и их схемы замещения (обязательное) ....... 126Приложение Б Выражение значений реактивных элементов типовых схемчерез резонансные частоты (обязательное) ...................................................... 1333ВведениеОбеспечение надежного функционирования электроэнергетической системы (ЭЭС) – одна из главных задач электроэнергетики.

Данный вопросостро стоит в регионах с холодным климатом, и особенно – в приморскихрегионах, таких как Сахалин, Камчатка и Чукотка. При переходе температурычерез 0°C, высокой влажности и сильном ветре на проводах и грозозащитныхтросах образуется гололед. Наличие гололеда приводит к дополнительнымнагрузкам на все элементы воздушных линий (ВЛ), а также к повышеннойвосприимчивости к ветру, из-за чего возникает раскачивание проводов. Поддействием веса образовавшегося льда возможен обрыв проводов игрозозащитных тросов (ГТ) воздушных линий, разрушение гирляндизоляторов и арматуры, повреждение опор.

Это приводит к вынужденномуотключению линии для вывода в ремонт, что влечет за собой дополнительныекапитальные вложения и трудозатраты.Для снижения последствий аварий, связанных с образованием гололедана проводах и тросах ВЛ, производится профилактический прогрев проводовс помощью высоковольтных выпрямителей. Плавка льда осуществляется всоответствии со стандартом ФСК СТО 56947007-29.060.50.122-2012 иРуководящим документом 34.20.511. Данные методики регламентируют, вчастности, длительность процедуры плавки, а также величину тока плавки.Вблизи прогреваемой линии, как правило, присутствуют иные линии,находящиесяврабочемрежиме,которыеявляютсяисточникамиэлектромагнитного поля, индуцирующего ЭДС в контуре плавки.

Такимобразом, выпрямительные устройства испытывают влияние наведенныхнапряжений. Это приводит к нежелательному изменению режима работывыпрямителя. В отдельных случаях наведенные напряжения могут достигатьвеличин, приводящих к выходу из строя выпрямителя. В ряде случаев контурплавки содержит в качестве обратного провода землю. При этом на процессплавки оказывают влияние характеристики ЗУ. Поскольку ЗУ постоянно4подвержены влиянию окружающей среды, их свойства не постоянны. В связис этим актуальна разработка методики, позволяющей в полевых условияхопределить схему замещения ЗУ для последующего использования в расчетахрежимов плавки.Как показывают расчеты, ток плавки содержит ряд высших гармоник,которые также желательно учитывать при рассмотрении процесса плавки дляпредотвращения перегрева провода или троса.

Методика ФСК не учитываеттепловое действие высших гармоник в токе плавки, а также эффектовнаведенных ЭДС и характеристик ЗУ, учет которых оптимизирует процессплавки. В связи с этим актуальным является создание математической моделиработы высоковольтного выпрямителя, учитывающей наличие наведеннойЭДС в контуре плавки, частотные характеристики проводов, ГТ и ЗУ.В направлении создания и совершенствования математических моделейпо расчету электрических цепей имеется значительный объем публикацийотечественных ученых, таких как Ю. 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. Yangи L. Yuqing.Работа выполнена при поддержке ФЦП «Исследования и разработки поприоритетным направлениям развития научно-технологического комплексаРоссии на 2014 – 2020 годы». Соглашение о предоставлении субсидии №14.584.21.0019 от 30.11.2015, УИ проекта RFMEFI58416X0019, тема «Влияниеэкспериментально полученных форм импульса тока молнии на механическиехарактеристики композитных структур».Цели и задачиЦелью работы является разработка и апробация универсальнойматематической модели для комплекса технических устройств, входящих в5контур плавки льда на проводах и ГТ ВЛ, с учетом наводимых от параллельноработающих ВЛ напряжений, а также ЧХ проводов, ГТ и ЗУ.Для достижения поставленной цели необходимо:1Разработать методику оценки тока выпрямительного устройства сучетом ЭДС, наведенной в контуре плавки от токов близко расположенныхвоздушных линий.2Разработать экспресс-метод по определению схемы замещения ЗУ иопределению ее параметров по экспериментально определенным импульснымхарактеристикам.3Выполнить исследование гармонического состава тока плавки сучетом частотных характеристик ЗУ, проводов и ГТ.4Разработать методику оценки тепловыделения в проводах и тросахс учетом их частотных свойств, а также гармонического состава тока плавки.5Рассмотреть ряд практических задач, и применить разработанные вработе методы для их решения.Научная новизнаИсследовано влияние наведенных напряжений от токов близкорасположенных воздушных линий на работу выпрямителей и разработанаметодика оценки изменения температуры провода.Разработанэкспресс-методрешениязадачиструктурногоипараметрического синтеза для выбора схемы замещения ЗУ по имеющимсяимпульсным характеристикам в реальном масштабе времени.Получены схемы замещения ЗУ, ГТ и проводов ВЛ, учитывающие ихчастотные характеристики.Предложен способ учета высших гармоник на выбор величины токаплавки.Теоретическая и практическая значимость работыПоказано, что в контурах плавки льда на проводах и тросах ВЛ могутнаводиться напряжения, которые могут представлять угрозу для персонала иоборудования.6Обоснована необходимость учета частотных характеристик ЗУ взадачах, где в качестве обратного провода используется земля.Разработанная экспресс-методика определения схемы замещения ЗУможет быть использована в задачах расчета стекания тока молнии с опор иполучения уточненных оценок грозоупорности ВЛ.Методология и методы исследованияВ работе использовались теория цепей, методы оптимизации, методыцифровой обработки сигналов, генетический алгоритм.

Решение громоздкихсистем уравнений выполнялось в среде Maple. Моделирование работывыпрямительного моста выполнялось в среде Simulink. Решение задачиоптимизациивыполняласьвсредеMatlab(номерсвидетельстваогосударственной регистрации программы для ЭВМ №2018662772, выдано15.10.2018 Федеральной службой по интеллектуальной собственности).Положения, выносимые на защиту1Алгоритмпредварительнойобработкиэкспериментальноопределенных импульсных характеристик ЗУ.2Экспресс-метод решения задачи структурного и параметрическогосинтеза при получении схемы замещения ЗУ, основанный на предварительноразработанном наборе схем замещения и генетическом алгоритме.3Подход к сокращению числа переменных при решении задачипараметрического синтеза, основанный на предварительно выполненныханалитических исследованиях типичных частотных характеристик ЗУ.4Выполнение расчетов токов плавки для ряда практических задач сиспользованием описанных в работе методик.Степень достоверности и апробация результатовДостоверность полученных результатов подтверждаются корректнымприменением классический методов теоретической электротехники и методовматематического анализа, а также решением модельных задач.Основные положения диссертационной работы докладывались иосуждались на международных конференциях, в том числе EMC Tokyo 2014,72015, 2016, 2017 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical andElectronic Engineering, на семинаре в Доме ученых им.

М. Горького РАН в 2016году, а также на кафедре «Теоретическая электротехника и электромеханика»СПбПУ.Объем и структура работыДиссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения,списка литературных источников, насчитывающего 78 наименований, и двухприложений. Общий объем работы – 162 страницы. Диссертация содержит 85рисунков и 44 таблицы.81 Актуальность рассматриваемых в работе проблемДанная глава содержит примеры аварий в электроэнергетическойотрасли, произошедших по причине образования льда на проводах и ГТ ВЛ.Рассмотренапроцедураплавкильда,выполняемаяприпомощивысоковольтных выпрямителей. Приведены основные используемые схемыподключения высоковольтных выпрямителей. Рассмотрена существующаяметодика расчета режима плавки, выявлены ее недостатки.1.1 Актуальность плавки гололеда на проводах и тросах ВЛОледенение представляет большую угрозу для стабильной работы ЭЭС.Оно может привести к обрыву проводов и даже повреждению опор.