Воздушные линии

При эксплуатации воздушных линий (ВЛ) электропередачи в ряде регионов возникает серьезная проблема – обледенение проводов в осенне-зимний период. Среднее время ликвидации гололедных аварий превышает среднее время ликвидации аварий, вызванных другими причинами, в 10 и более раз. Исследования показывают, что гололедные отложения на проводах ВЛ происходят при температуре воздуха около –5 °С и скорости ветра 5–10 м/с.
Наши авторы из Тольятти и из Москвы анализируют известные способы и устройства для удаления гололедных образований с проводов ВЛ.

УДАЛЕНИЕ ГОЛОЛЕДНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ С ПРОВОДОВ ВЛ
Преимущества современных полупроводниковых систем

Алексей Кувшинов, д.т.н., Тольяттинский государственный университет
Александр Хренников, д.т.н., АО «НТЦ ФСК ЕЭС», г. Москва
Владимир Карманов, генеральный директор
Нариман Ахметжанов, главный специалист ООО «Энергия Т», г. Тольятти

ПАССИВНЫЕ И АКТИВНЫЕ МЕРЫ

Допустимая толщина стенки гололедной муфты составляет от 5 до 20 мм для ВЛ с номинальным напряжением 3–330 кВ, расположенных в климатических районах по гололеду I–IV категорий [1].

В качестве пассивной меры по борьбе с гололедом могут использоваться различные провода повышенной прочности. Например, провод АССС (Aluminum Conductor Composite Core – алюминиевый проводниковый провод с композитным сердечником), который представляет собой набор алюминиевых проводов вокруг углеволоконного и стекловолоконного эпоксидного ядра [2]. Сердечник проводника ACCC стабилен по размерам, поскольку у него коэффициент термического расширения (1,6 • 10^–6 °С) почти на порядок меньше, чем у стали (11,5 • 10^-6 °С^–1 ). Поэтому провода ACCC позволяют длительное время выдерживать высокую температуру, предотвращая образование гололеда.

Следует также отметить провод Aero-Z^®, который состоит из одного или нескольких концентрических слоев круглых проволок (внутренние слои) и проволок в виде буквы Z (внешние слои). Каждый слой провода имеет скрутку по длине, выполненную с определенным шагом. Гладкая поверхность снижает ветровые нагрузки на 30–35% и препятствует налипанию снега и льда. Однако провод Aero-Z^® имеет ограничение на плавку гололеда, поскольку не допускает длительного повышения температуры свыше 80 °С.

В целом же практическая реализация пассивных методов борьбы с гололедом возможна только при проектировании и введении в строй новых линий электропередачи. Реконструкция старых ВЛ связана со значительными затратами.

Поэтому не теряет актуальности задача разработки активных методов борьбы с гололедными отложениями на проводах ВЛ. К числу традиционных методов можно отнести плавку гололеда на проводах ВЛ переменным током путем искусственного создания коротких замыканий (КЗ) или постоянным током с помощью неуправляемых или управляемых выпрямительных блоков [3, 4]. Однако в первом случае возможно повреждение проводов ВЛ, а во втором случае дорогостоящие выпрямительные блоки большую часть календарного года не используются.

Вместе с тем современное состояние элементной базы силовой электроники открывает дополнительные возможности и стимулирует разработку новых методов борьбы с гололедными отложениями, свободных от указанных недостатков. Вопросам исследования гололедообразования и борьбы с гололедными отложениями посвящено большое количество научных публикаций.

В данной работе ставится задача систематизации и сравнительного анализа существующих способов борьбы с гололедными отложениями, решение которой позволит выбрать из имеющегося множества технических решений наиболее рациональное для местных условий.

КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ БОРЬБЫ С ГОЛОЛЕДОМ

Для удаления гололедно-изморозевых отложений с проводов линий электропередачи известные устройства и способы используют следующие виды физического воздействия (рис. 1):

• термическое воздействие путем нагрева провода до температуры 120–130 °С, при котором происходит расплавление гололедной муфты, или путем профилактического нагрева проводов на 10–20 °С для предотвращения образования гололеда;
• термодинамическое воздействие путем предварительного разогревания провода до формирования подтопленной прослойки между проводом и ледяной муфтой и последующего «встряхивания» проводов силой Ампера, возникающей при пропускании мощного импульса тока;
• электромеханическое воздействие путем периодического пропускания импульсов тока, вызывающих механические колебания проводов и разрушение гололедной муфты. Эффективность электромеханических воздействий усиливается при таких параметрах импульсов тока, которые вызывают механический резонанс;
• механическое воздействие путем перемещения шнеков вдоль провода с использованием энергии ветра, энергии электромагнитного поля фазного тока ВЛ, постоянных магнитов, линейного асинхронного двигателя или создания вибраций проводов с помощью генератора механических колебаний. (В дальнейшем не рассматривается, поскольку практически не используют преобразовательную технику). Следует только отметить общий недостаток механических систем, который заключается в необходимости их ручной установки на провод, снятия с провода, а также перевешивания с одного провода на другой. Для этого необходима специальная техника (автовышка) и обслуживающий персонал, что повышает эксплуатационные затраты и затрудняет использование в труднодоступных районах.

Рис. 1. Классификация известных способов удаления гололедных отложений с проводов воздушных ЛЭП

УВ – управляемый выпрямитель;
СТК – статический тиристорный компенсатор;
ПЧ – преобразователь частоты;
НПЧ – непосредственный преобразователь частоты;
УПК – устройство продольной компенсации

Термическое воздействие переменным током промышленной частоты

Плавка гололеда переменным током применяется только на линиях с напряжением ниже 220 кВ с проводами сечением меньше чем 240 мм² [3]. Источником питания служат, как правило, шины 6–10 кВ подстанций или отдельный трансформатор. Схема плавки гололеда должна выбираться таким образом, чтобы обеспечить протекание по проводам ВЛ тока, в 1,5–2 раза превышающего длительно допустимый ток. Такое превышение оправдано кратковременностью процесса плавки (~1 ч), а также более интенсивным охлаждением провода в зимний период. Для стандартных сталеалюминиевых проводов типа АС сечением 50–185 мм² ориентировочная величина одночасового тока плавки гололеда лежит в пределах 270–600 А, а тока, предупреждающего образование гололеда на проводах, – в пределах 160–375 А.

Однако только за счет выбора схемы плавки гололеда зачастую невозможно подобрать необходимую величину тока КЗ. Превышение указанных выше значений тока плавки может привести к отжигу проводов с последующей необратимой потерей прочности. При меньших значениях тока плавки однократного пропускания тока КЗ может оказаться недостаточно для полного удаления гололеда. Тогда КЗ приходится неоднократно повторять, что дополнительно утяжеляет последствия.

Избежать указанных негативных последствий позволяет использование тиристорного регулятора переменного напряжения, схема которого представлена на рис. 2 [5]. В режиме плавки гололеда выключатель 7 выключен, выключатель 8 включен. Возможные способы регулирования тока плавки – импульсно-фазовый путем изменения углов включения силовых тиристоров 1, 2, 3 или широтно-импульсный путем изменения количества периодов подачи напряжения.

Рис. 2. Установка для компенсации реактивной мощности и плавки гололеда

1, 2, 3 – силовые тиристоры;
4, 5, 6 – реакторы;
7, 8 – выключатели

В режиме компенсации реактивной мощности выключатель 7 включен, а выключатель 8 выключен. В этом случае силовые тиристоры 1, 2, 3 и реакторы 4, 5, 6 образуют тиристорно–реакторную группу, соединенную в треугольник, которая является элементом статического тиристорного компенсатора. Авторы допускают также возможность использования конденсаторов вместо реакторов. В этом случае компенсация реактивной мощности будет осуществляться с помощью регулируемой конденсаторной батареи.

Однако независимо от способа регулирования плавка гололеда осуществляется переменным током промышленной частоты и требует значительной мощности источника питания (десятки MBА), поскольку активное сопротивление проводов ВЛ значительно меньше индуктивного. Полная мощность источника увеличивается за счет большой и бесполезной для плавки гололеда реактивной нагрузки. Повысить эффективность плавки можно путем продольной емкостной компенсации индуктивного сопротивления в случае использования конденсаторов в составе предлагаемой установки. Однако авторы такую возможность не рассматривали.

Заслуживает внимания комбинированная установка для компенсации реактивной мощности и плавки гололеда, схема которой представлена на рис. 3 [6]. В режиме плавки гололеда выключатель 7 включен, шунтируя реактор 6, выключатель 9 отключает конденсаторную батарею 8, а выключатель 10 включен. При этом возможна плавка на всех проводах ВЛ одновременно.

В режиме компенсации реактивной мощности выключатели 7 и 10 отключены, а выключатель 9 включен. В результате образуется типовая схема статического компенсатора на базе транзисторных модулей 1, 2 и 3, реакторов 5, 6 на стороне переменного тока и конденсаторной батареи 8 на стороне постоянного тока. Такая структура может работать как в режиме генерации, так и в режиме потребления реактивной мощности.

Существенным недостатком установки, изображенной на рис. 3, является неполное использование вентильной части в режиме плавки. Это объясняется тем, что ток плавки протекает только через «нижние» ключи фаз 1, 2 и 3-го преобразовательного моста. Для преобразования мостовой схемы в три ключа переменного тока потребуется дополнительное коммутационное оборудование и существенное усложнение силовой схемы.

Рис. 3. Комбинированная установка для компенсации реактивной мощности и плавки гололеда

1, 2, 3 – транзисторные модули;
4, 7, 9, 10 – выключатели;
5, 6 – реакторы;
8 – конденсаторная батарея

Продолжение материала – в следующем номере.

ЛИТЕРАТУРА

1. Электротехнический справочник: в 3 т. Т. 3 в 2 кн. Кн. 1. Производство и распределение электрической энергии. Под общ. ред. И.Н. Орлова (гл. ред.) и др. – 7-е изд., испр. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1988.
2. Алексеев Б.А. Повышение пропускной способности воздушных линий электропередачи и применение проводов новых марок // ЭЛЕКТРО. 2009. № 3.
3. РД 34.20.511 (МУ 34-70-027-82). Методические указания по плавке гололеда переменным током. Ч. 1. М.: Союзтехэнерго, 1983.
4. РД 34.20.511 (МУ 34-70-027-82). Методические указания по плавке гололеда постоянным током. Ч. 2. М.: Союзтехэнерго, 1983.
5. Патент РФ 2505898 МКИ H02G7/16, H02J3/18. Установка для компенсации реактивной мощности и плавки гололеда / Ю.П.Сташинов, В.В. Конопелько. Опубл. 27.01.2014.
6. Патент РФ 2505903 МКИ H02J3/18, H02G7/16. Комбинированная установка для компенсации реактивной мощности и плавки гололеда / Ю.П. Сташинов, В.В. Конопелько. Опубл. 27.01.2014.