Воздушные линии

Систематизация и сравнительный анализ существующих способов удаления гололедных отложений с проводов воздушных линий (ВЛ) электропередачи– такую задачу поставили перед собой авторы из Тольятти и Москвы. В первой части статьи («Новости ЭлектроТехники» № 4(100) 2016, с. 46–48) была приведена общая классификация способов борьбы с гололедом на ВЛ и рассмотрен метод плавки гололеда переменным током промышленной частоты.
Во второй части статьи авторы продолжают анализировать достоинства и недостатки имеющихся способов и устройств 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

КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ БОРЬБЫ С ГОЛОЛЕДОМ

Термическое воздействие постоянным током

Впервые плавка гололеда постоянным током в качестве перспективного направления борьбы с гололедными отложениями на фазных проводах ВЛ отмечалась в [7]. К числу первых серийных установок для плавки гололеда постоянным током можно отнести преобразователи ВУКН–16800-14000, выполненные по схеме Ларионова на базе кремниевых неуправляемых вентилей ВК-200 с выпрямленным напряжением 14 кВ, выпрямленным током 1200 А и выходной мощностью 16800 кВт [8]. Схемы плавки гололеда выпрямленным током детально рассмотрены в РД 34.20.511 (ч. 2).

Основные недостатки заключаются в том, что ВЛ необходимо отключать, а выпрямительный блок большую часть календарного года не используется, поскольку необходимость в плавке гололеда возникает только в зимний период.

Можно отметить предложение плавить гололед пульсирующим током без отключения ВЛ [9]. Выпрямительный блок включается в рассечку обогреваемого провода таким образом, чтобы постоянный ток не протекал по обмоткам силовых трансформаторов и трансформаторов тока. Обогрев проводов осуществляется пульсирующим током, содержащим переменную составляющую, определяемую нагрузкой ВЛ, и постоянную составляющую, определяемую выпрямленным напряжением и активным сопротивлением контура плавки. Однако такое предложение не увеличивает степень использования выпрямительных блоков, а для практической реализации требует применения дополнительного коммутационного оборудования.

В этой связи вполне оправданы попытки расширения функциональных возможностей путем совмещения в одной установке выпрямительного блока для плавки гололеда и устройства для компенсации реактивной мощности. Это открывает возможность круглогодичной эксплуатации установки, что существенно повышает ее экономическую эффективность.

В ОАО «НИИПТ» разработано преобразовательное устройство контейнерного типа для комбинированной установки для плавки гололеда и компенсации реактивной мощности (рис. 4) [10].

Рис. 4. Схема преобразовательного устройства контейнерного типа (а) и комбинированной установки (б) для плавки гололеда и компенсации реактивной мощности

а)	б)
1 – транспортные контейнеры; 2, 3 – тиристорные модули с блоками управления; 4 – система принудительного воздушного охлаждения; 5, 6, 11, 12 – разъединители с электромеханическим приводом; 7, 8, 9 – выводы преобразовательного моста: анодный, катодный и фазный соответственно; 10 – система управления, регулирования, защиты и автоматики (СУРЗА); 13 – конденсаторные батареи.

Силовое оборудование предназначено для эксплуатации в районах с умеренным и холодным климатом (исполнение УХЛ 1) и размещено в закрытом стальном контейнере, устанавливаемом на фундаменте на открытой части подстанции. Силовое питание осуществляется от обмотки 10 кВ выделенного трансформатора. Из преобразовательных устройств, изображенных на рис. 4а, собирается комбинированная установка, схема которой показана на рис. 4б.

В режиме плавки гололеда разъединители 11, 12 замкнуты (рис. 4б), разъединители 5 (рис. 4а) разомкнуты. Собирается схема трехфазного мостового выпрямителя, который обеспечивает номинальное выпрямленное напряжение 14 кВ, номинальный ток плавки 1400 А и регулирование тока плавки в диапазоне 200–1400 А.

В режиме компенсации реактивной мощности разъединители 11, 12 разомкнуты, а разъединители 5 замкнуты. Собирается схема конденсаторных батарей 13, управляемых встречно-параллельно соединенными тиристорными модулями 2. Однако в режиме компенсации возможно только ступенчатое регулирование реактивной мощности.

Последнего недостатка удается избежать в комбинированной установке для плавки гололеда и компенсации реактивной мощности, схема которой представлена на рис. 5 (разработка ОАО «НИИПТ») [11].

Рис. 5. Комбинированная установка для плавки гололеда и компенсации реактивной мощности

1 – питающий трансформатор; 2, 16 – трехфазные разъединители; 3, 15 – трехфазные реакторы; 4 – высоковольтный мостовой преобразователь; 5 – конденсаторная батарея постоянного тока; 6, 7 – однофазные разъединители; 8 – система управления; 9–14 – сборки полностью управляемых приборов с обратными диодами; 17 – резонансный трансформатор.

В режиме плавки гололеда разъединители 6, 7 и 16 включены. Плавка осуществляется постоянным током. Регулирование тока плавки осуществляется способом высокочастотной ШИМ. Например, при прохождении тока нагрузки через диоды сборок 13 и 10 полностью управляемый прибор из сборки 9 или 14 подключается в режиме ШИМ. При этом кратковременно образуется контур двухфазного КЗ 9–10 или 13–14. Нагрузка шунтируется, и ток плавки регулируется. Скорость нарастания тока КЗ ограничивается реактором 3. За счет выбора частоты и коэффициента модуляции ШИМ запирание тиристора происходит раньше увеличения тока КЗ до опасного уровня. При этом интервал проводимости тиристора меньше, чем в режиме компенсации реактивной мощности. В режиме компенсации реактивной мощности разъединители 6, 7 и 16 выключены. Высоковольтный мостовой преобразователь 4 работает в режиме «СТАТКОМ».

По мнению ряда авторов, которые опираются на собственный опыт работы, только от 7 до 30% длины нагреваемого провода во время плавки действительно покрыто гололедом. Это объясняется тем, что отдельные участки ВЛ за счет углов поворота и невозможности предсказать направление ветра в момент образования гололеда оказываются в различных климатических условиях. Соответственно значительная часть электроэнергии расходуется впустую. В связи с этим предложена передвижная мобильная установка, которая позволяет выезжать на те участки ВЛ, где обнаружено обледенение проводов.

Мобильный генератор для плавки гололеда на проводах ВЛ [12] выполняется на автомобильной платформе, питание (0,4 кВ) трехфазного выпрямительного моста осуществляется от двух дизель-генераторов ADV320 по 320 кВт каждый. Предусмотрены проводники с клеммами для подключения к проводам ВЛ и электрические шины для соединения проводов на пролете между опорами по схеме плавки гололеда. Рассмотренное техническое решение обеспечивает плавку гололеда на длине двух пролетов ВЛ на фазных проводах и грозозащитном тросе.

Общим недостатком всех устройств, реализующих термическое воздействие постоянным током, является необходимость применения схемы плавки гололеда «провод – провод» или «провод – два провода». В любом случае увеличивается время плавки и соответственно затраты электроэнергии. Для уменьшения времени плавки предпочтение следовало бы отдать схеме плавки «три провода – земля», однако заземляющие устройства подстанций не рассчитаны, как правило, на сравнительно длительное протекание постоянного тока величиной до 2000 А.

Термическое воздействие током ультранизкой частоты

Данный вид воздействия заключается в том, что плавку производят током низкой частоты, формируемым трехфазным автономным инвертором напряжения, а эффективное значение тока плавки задают и поддерживают на требуемом уровне изменением величины напряжения питания [13].

При частоте выходного напряжения автономного инвертора в десятые доли Гц и ниже величина тока в проводах линии ограничивается практически только активным сопротивлением. В результате увеличивается допустимая длина ВЛ по сравнению с плавкой переменным током промышленной частоты, упрощается организации плавки, сокращается продолжительность процесса плавки гололеда, уменьшается количество дополнительного коммутационного оборудования.

Схема комбинированной установки для плавки гололеда и компенсации реактивной мощности, реализующей предложенный способ, представлена на рис. 6.

Рис. 6. Комбинированная установка для плавки гололеда и компенсации реактивной мощности

1, 7 – трехфазные мостовые преобразователи на полностью управляемых полупроводниковых ключах; 2, 5, 8, 9 – трехполюсные выключатели; 3, 4 – трехфазные дроссели; 6 – конденсаторная батарея; 10 – система управления.

В режиме плавки гололеда выключатели 5 и 8 включены, а выключатель 9 отключен. Мостовой преобразователь 1 работает в режиме управляемого выпрямителя, а мостовой преобразователь 7 работает в режиме трехфазного автономного инвертора напряжения. Плавка осуществляется одновременно на трех проводах воздушной линии.

В режиме компенсации реактивной мощности выключатели 5 и 8 выключены, а выключатель 9 включен. Мостовые преобразователи 1 и 7 работают параллельно.

Угол включения α выбирается несколько меньше 180 эл. гр. Из сети потребляется небольшая активная мощность, необходимая для поддержания напряжения на конденсаторной батарее 6. На стороне переменного тока мостовых преобразователей 1, 7 формируется переменное напряжение, первая гармоника которого сдвинута по отношению к фазным напряжениям источника питания на угол β = 180 – α.

Если амплитуда первой гармоники формируемого напряжения превышает амплитуду напряжения источника питания, то мостовые преобразователи 1, 7 генерируют реактивную мощность, а если меньше – то потребляют реактивную мощность. Изменением коэффициента модуляции высокочастотной ШИМ регулируют амплитуду первой гармоники формируемого напряжения, а следовательно, величину и направление реактивной мощности.

Термическое воздействие током высокой частоты

Воздействие заключается в том, что без отключения ВЛ от потребителей на фазные провода через согласующее устройство и высоковольтные конденсаторы связи подается высокочастотный (ВЧ) ток от генератора (от 50 до 500 МГц) [14].

В однородном проводнике переменный ток концентрируется в поверхностном слое, утончение которого с ростом частоты ведет к увеличению сопротивления той части проводника, по которой течет ток. Это означает, что при одинаковой величине тока, протекающего по проводу, чем выше значение частоты сигнала, тем больше рассеиваемая на проводнике тепловая мощность. Например, при f ≥ 100 МГц сопротивление алюминиевых проводов возрастает в 600 раз и более.

Мощности ВЧ-генератора в несколько десятков кВт достаточно для нагрева провода на 10–20 °С, что должно предотвратить образование гололедных отложений. Для устранения уже образовавшейся ледяной шубы потребуется нагрев не на 10–20 °С, а до температуры 100–180 °С, необходимой для плавки гололеда. Соответственно потребуются значительно большие затраты электроэнергии и более длительная процедура.

Поэтому данный способ наиболее целесообразно применять в профилактических целях для предотвращения гололедообразования, поскольку он реализуется без отключения потребителей. Однако использование генераторов с диапазоном частот 87,5–108 МГц чревато опасностью создания интенсивных радиопомех в УКВ-диапазоне.

Термодинамическое воздействие

Подогрев провода током высокой частоты может не только препятствовать образованию гололедных отложений, но и использоваться для облегчения процедуры удаления уже образовавшейся гололедной муфты. Это, в частности, использовано в устройстве, схема которого представлена на рис. 7 [15].

Рис. 7. Устройство для удаления снежно-ледового покрытия с проводов линий электропередачи

1 – коммутатор силовой электроники;
2 – рефлектор;
3 – генератор ВЧ-импульсов тока, инвертор 150 кГц;
4.1, 4.2 – генераторы мощных импульсов тока;
5 – контроллер;
6 – АРМ диспетчера;
7 – световое табло;
8 – блок питания.

Импульсный рефлектометр 2 осуществляет непрерывное зондирование ЛЭП-1 и ЛЭП-2 по величине суммарного времени распространения импульсного сигнала в прямом и обратном направлении после отражения от конца линии. Время распространения зависит от наличия и параметров гололедной муфты.

Генератор ВЧ-импульсов тока 3 осуществляет предварительное разогревание и формирование подтопленной прослойки между проводом и ледяной муфтой. Последующее воздействие мощного импульса тока генератора 4 формирует термодинамический удар, который в совокупности с предварительно подогретой прослойкой осуществляет сброс гололедных образований с проводов ЛЭП.

Автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера 6 и контроллер 5 обеспечивают бесперебойную работу подстанции с отображением оперативной информации на световом табло 7.

Электромеханическое воздействие

Известно, что при протекании тока параллельные провода притягиваются или отталкиваются под действием возникающей между ними силы Ампера. При периодическом пропускании импульсов тока провода ВЛ будут совершать механические колебания, разрушающие гололедно-изморозевые отложения. Частота импульсов тока должна быть близкой к механическому резонансу, а амплитуда – достаточной для преодоления внешних и внутренних сил трения. Изменение пропускаемого тока может быть строго периодическим, он должен иметь качающуюся частоту, изменяться по гармоническому закону, иметь форму пачек импульсов с заданными законами изменения частоты, амплитуды и скважности [16]. На рис. 8 приведен один из возможных вариантов автоматизированной системы удаления гололеда, реализующей предлагаемый способ.

Рис. 8. Система электромеханического воздействия на провода ВЛ для удаления гололеда

1 – силовой трансформатор;
2 – провода ВЛ;
3 – внешние датчики гололедно-ветровых нагрузок;
4 – внешние датчики влажности;
5 – внешние датчики температуры.

Силовой трансформатор 1 преобразует питающее напряжение до нужной величины. Блок силовой электроники выпрямляет полученное от силового трансформатора 1 напряжение и формирует импульсы тока требуемой величины, формы и частоты, пропускаемые через провода 2 ВЛ. Система управления, представляющая собой программируемый логический контроллер, обрабатывает информацию с внешних датчиков гололедно-ветровых нагрузок 3, влажности 4 и температуры 5, задает требуемую форму и частоту импульсов тока для блока силовой электроники и управляет работой системы в целом.

При практическом использовании данного способа необходим тщательный и точный расчет величины и частоты импульсов тока для исключения возможных негативных последствий резонанса. Для повышения эффективности разрушения гололедных отложений следует пропускать импульсы тока по проводам, лежащим на разных уровнях. Это позволяет использовать инерцию льда и силу тяжести как дополнительный разрушающий фактор, но, так же как и плавка, требует отключения ВЛ. Однако время механического разрушения льда существенно меньше времени, затрачиваемого на плавку. Поэтому затраты электроэнергии на очистку будут ниже, чем при плавке гололедных отложений.

ВЫВОДЫ

Доминирующий тренд в области разработки новых средств борьбы с гололедными отложениями на проводах ВЛ состоит в использовании комбинированных преобразовательных установок, способных осуществлять при возникновении необходимости плавку гололеда, а всё остальное время – компенсацию реактивной мощности.

Наиболее перспективным следует признать способ плавки гололеда током ультранизкой частоты, который сочетает достоинства плавки переменным током промышленной частоты (на трех проводах одновременно) и плавки постоянным током (ограничен только активным сопротивлением, отличается плавным регулированием тока плавки). Дополнительное преимущество данной технологии заключается в том, что установка для плавки гололеда током ультранизкой частоты легко трансформируется в статический компенсатор реактивной мощности. Это позволяет эксплуатировать дорогостоящее преобразовательное оборудование в течение календарного года. Тем не менее сохраняется такой недостаток, как необходимость отключения ВЛ для проведения очистки.

Полностью освободиться от этого недостатка может позволить технология гибких электропередач переменного тока [17], в составе которых используется преобразовательное оборудование, теоретически способное обеспечить профилактический прогрев проводов, препятствующий образованию гололедных отложений.

ЛИТЕРАТУРА

7. Бургсдорф В.В. Плавка гололеда постоянным током без отключения линии // Электрические станции. 1945. № 11.
8. Высоковольтная выпрямительная установка типа ВУКН-16800-14000 // Аннотированный перечень основных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, выполненных в Мордовском научно-исследовательском электротехническом институте (1965–1968 гг.). М.: Информэлектро, 1970.
9. Генрих Г.А., Денисенко Г.И., Мишин В.В., Стряпан В.Н. Особые режимы работы мощных статических преобразователей установок плавки гололеда на линиях электропередач. Львов: Изд. «Вища школа», 1975.
10. Патент РФ 2390895 МКИ H02G7/16, H02J3/18. Преобразовательное устройство контейнерного типа для комбинированной установки плавки гололеда и компенсации реактивной мощности / М.К. Гуревич, М.А. Козлова, А.В. Лобанов, А.В. Репин, Ю.А. Шершнев. Опубл. 27.05.2010.
11. Патент РФ 2376692 МКИ H02G7/16, H02J3/18. Комбинированная установка для плавки гололеда и компенсации реактивной мощности / М.К. Гуревич, А.В. Репин, Ю.А. Шершнев. Опубл. 20.12.2009.
12. Патент РФ 2522423 МКИ H02G7|16. Мобильный генератор тока для плавки гололеда на проводах воздушных линий электропередач / А.В. Козлов, А.Н. Чулков, А.В. Шурупов, А.А. Виноградов. Опубл. 10.07.2014.
13. Патент РФ 2505897 МКИ H02G7/16. Способ управляемой плавки гололеда на воздушных линиях электропередачи переменным током / Ю.П. Сташинов, В.В. Конопелько. Опубл. 31.05.2012.
14. Патент РФ 2356148 МКИ H02G7/16. Способ и устройство для борьбы с гололедом на линиях электропередачи / В.И. Каганов. Опубл. 20.05.2009.
15. Патент РФ 2520581 МКИ H02G7/16. Устройство для удаления снежно-ледового покрытия с проводов линий электропередачи / Н.Д. Шелковников, Д.Н. Шелковников. Опубл. 27.06.2014.
16. Патент РФ 2166826 МКИ H02G7/16, B60M1/12. Способ удаления гололеда с проводов контактной сети и линий электропередачи / А.В. Ефимов, А.Г. Галкин. Опубл. 10.05.2001.
17. Кочкин В.И. Новые технологии повышения пропускной способности ЛЭП. Управляемая передача мощности // Новости ЭлектроТехники. 2007. № 4(46).