УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ОГРАНИЧЕНИЯ ПЕРЕГРУЗКИ КАБЕЛЬНО-ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Область техники
Полезная модель относится к устройствам противоаварийной автоматики (ПА) для автоматического ограничения перегрузки воздушной и/или кабельно-воздушной высоковольтной линии электропередачи и может быть использована в электрических сетях напряжением 110 кВ и выше.
Предшествующий уровень техники
В настоящее время режим работы электрических сетей энергосистем характеризуется ростом нагрузок, обусловленных как повышением энерговооруженности потребителей, так и подключением новых потребителей. Это приводит к увеличению нагрузки высоковольтных линий электропередачи (ВЛ), на которую могут накладываться также транзитные перетоки мощности.
В основу проектирования электрических сетей заложен принцип, по которому отключение одного сетевого элемента не должно приводить к недопустимым перегрузкам силового оборудования. В более тяжелых случаях, в частности при наложениях аварийного отключения на ремонтируемую схему, перераспределение перетоков мощности приводит к недопустимому увеличению загрузки отдельных электросетевых элементов и к их перегрузке.
В соответствии с действующими «Правилами устройств электроустановок» недопустимая перегрузка силового оборудования должна быть предотвращена автоматическими устройствами, если перегрузка оборудования допустима менее 10 минут.
Устройства ПА для автоматического ограничения перегрузки воздушной линии электропередачи (АОПЛ) в целях обеспечения надежной работы электрической сети, осуществляют противоаварийное управление: изменение конфигурации сети, отключение части потребителей, допускающих перерыв питания, отключение ВЛ.
Установленные в электрических сетях устройства АОПЛ в большинстве случаев базируются на токовых реагирующих органах, осуществляющих противоаварийное управление в зависимости от значения токовой загрузки ВЛ (SU, 1573500, A2, H02H 7/26, 23.06.1990); (WO, 0016459, A1, H02H 3/10, 23.03.2000), в том числе и с учетом изменения температуры окружающей среды (SU, 1585855, A1, H02H 3/08, 15.08.1990). В таких устройствах автоматика содержит две группы уставок по току. Условия нагрева провода учитываются дискретно, упрощенно - только выбором оперативным элементом (с положениями «Зима»/«Лето») сезонных уставок тока срабатывания автоматики.
В связи с этим известные устройства АОПЛ, выполненные по методу контроля тока ВЛ, приводят к неселективному и излишнему действию автоматики относительно нагрузочной способности ВЛ с неоправданным ограничением электроснабжения потребителей.
Важно отметить, что ограничение перегрузки ВЛ (и ее длительность) определяет текущая температура провода, которая зависит от протекающего по нему тока, от состояния поверхности провода, от состояния внешней окружающей среды (температура воздуха, скорость и направление ветра, солнечная радиация) и от других факторов, влияющих на скорость изменения и установившееся значение температуры провода при нагреве и остывании.
Опасность термической перегрузки ВЛ заключается, главным образом, в увеличении длины провода при нагревании, увеличении стрелы провеса, возможности перекрытия и последующего короткого замыкания (КЗ), отключении ВЛ.
Известны устройства АОПЛ, основанные на косвенном (расчетном) способе определения температуры провода ВЛ (Проект автоматики ограничения перегрузки оборудования (АОПО) подстанций Московской энергосистемы. ОАО «Энергосетьпроект», г.Москва, 2007 г., отчет №425-16-т3.1); (RU, 2157040, C1, H02H 5/04, 27.09.2004); (DE, 10351136, A1, H02H 7/22, 02.06.2005).
В устройствах АОПЛ с косвенным определением температуры провода термическая перегрузка ВЛ, т.е. ее перегрев, выявляется посредством моделирования и расчета. Однако, поскольку при расчете температуры провода принимаются некоторые допущения для наихудших условий охлаждения провода (например, отсутствие ветра), то действие автоматики по данному принципу может приводить к неоправданному ограничению электроснабжения потребителей еще до достижения условий для ограничения по пропускной способности ВЛ.
Наиболее прогрессивными являются устройства АОПЛ с непосредственным контролем температуры провода ВЛ с помощью датчиков температуры, поскольку в них используется достоверная информация о текущей, актуальной температуре провода ВЛ.
Автоматика обеспечивает также оперативный персонал (ОП) диспетчерского пункта (ДП) дополнительной информацией, которую полезно учитывать при управлении, особенно в аварийном и послеаварийном электроэнергетических режимах.
Известны устройства, предопределяющие управляющие воздействия (УВ) на ВЛ с использованием непосредственного контроля температуры провода ВЛ для различных систем:
- для систем дистанционного мониторинга состояния провода ВЛ (RU, 2222858, C1, H02J 13/00, 27.01.2004);
- для систем релейной защиты (SU, 1781760, A1, H02H 5/04, 15.12.1992); (RU, 2020681, C1, H02H 5/04, 30.09.1994); (EP, 0923180, A2, H02H 5/04, 16.06.1999); (WO, 0008733, A1, H02H 5/04, 17.02.2000); (CN, 1280410, A, H02H 5/04, 17.01.2001).
Однако системы релейной защиты, фиксируя предельные возможности термической стойкости провода ВЛ, действуют на отключение ВЛ, что снижает надежность работы электрической сети и электроснабжение потребителей. Системы же мониторинга лишь информируют ОП о состоянии ВЛ. На основании полученной информации ОП с задержкой по времени и в условиях действия человеческого фактора принимаются решения по управлению режимом электрической сети, руководствуясь действующими правилами управления в энергетике, нормативными и техническими требованиями к оборудованию. Добавим также, что технические требования к системам противоаварийной автоматики существенно отличаются от требований к системам релейной защиты и системам мониторинга.
Наиболее близким к заявленному устройству является устройство для автоматического ограничения перегрузки воздушной линии электропередачи, содержащее датчик температуры провода высоковольтной линии, измеритель тока высоковольтной линии, датчик температуры воздуха окружающей среды, контроллер, устройство управления отключением нагрузки (JP 4317511 A, H02H 3/093, 09.11.1992).
В этом устройстве датчик температуры провода выполнен из двух датчиков - постоянной допустимой температуры и кратковременной допустимой температуры. Контроллер регистрирует температуру проводов, а когда температура превышает предельно допустимую, то устанавливается соответствующее управляющее воздействие прекращения (отключения) нагрузки, и сигнал от контроллера направляется устройству отключения нагрузки. Ограничением этого устройства является обеспечение только защиты ВЛ путем отключения нагрузки при превышении заданной температуры провода контроллером, отсутствует мониторинг и анализ разветвленных сетей, а также воздействие автоматики на включение ранее отключенных нагрузок.
Раскрытие полезной модели
Решаемая полезной моделью задача - улучшение технико-эксплуатационных возможностей АОПЛ кабельно-воздушной линии (KBЛ).
Технический результат, который получен при выполнении заявленной полезной модели - повышение эксплуатационной надежности и эффективности ограничения перегрузки КВЛ за счет совершенствования контроля нагрева провода КВЛ, повышение пропускной способности КВЛ в аварийных и послеаварийных режимах электрической сети, а также расширение функциональных возможностей.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном устройстве для автоматического ограничения перегрузки линии электропередачи (воздушной), содержащем датчик температуры провода высоковольтной линии, измеритель тока высоковольтной линии, датчик температуры воздуха окружающей среды, контроллер, устройство управления отключением нагрузки, согласно заявленному техническому решению в него введены блок контроля температуры провода высоковольтной линии, блок расчетного определения температуры провода высоковольтной линии, коммутатор, блок формирования команды автоматического включения отключенных при перегрузке высоковольтных линий нагрузок, устройство автоматического включения нагрузок, блок контроля термической перегрузки и элемент ИЛИ, при этом выход датчика температуры провода высоковольтной линии соединен с входом блока контроля температуры провода высоковольтной линии, выход измерителя тока высоковольтной линии соединен с первым входом блока расчетного определения температуры провода, а выход датчика температуры воздуха окружающей среды - с вторым входом блока расчетного определения температуры провода, первый выход контроллера соединен с задающим входом блока контроля температуры провода высоковольтной линии, а второй выход контроллера - с задающим входом блока расчетного определения температуры провода высоковольтной линии, блок контроля температуры провода высоковольтной линии снабжен информационным выходом, соединенным с информационным входом контроллера, выход блока контроля температуры провода высоковольтной линии соединен с первым входом коммутатора, а выход блока расчетного определения температуры провода высоковольтной линии - с вторым входом коммутатора, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ, вход блока контроля термической перегрузки соединен с выходом измерителя тока высоковольтной линии, а выход блока контроля термической перегрузки - с вторым входом элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом устройства управления отключением нагрузки и с входом блока формирования команды автоматического включения отключенных при перегрузке высоковольтных линий нагрузок, контроллер снабжен управляющим выходом, соединенным с управляющим входом блока формирования команды автоматического включения отключенных при перегрузке высоковольтных линий нагрузок, выход которого соединен с входом устройства автоматического включения нагрузок, причем контроллер снабжен входом задания установок, входом команд управляющих воздействий и выходом данных текущих значений температуры провода и времени.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- блок контроля температуры провода высоковольтной линии был выполнен с возможностью определения текущих значений температуры провода и времени, оставшегося до достижения допустимого и предельно допустимого значений температуры провода;
- устройство управления отключением нагрузки было выполнено из блоков формирования команд управляющих воздействий по разгрузке высоковольтной линии, а устройство автоматического включения нагрузок - из блоков формирования команд управляющих воздействий по очередности автоматического включения нагрузок.
Указанные преимущества полезной модели, а так же ее особенности поясняются с помощью прилагаемого чертежа.
Краткий перечень чертежей
Фиг.1 изображает функциональную схему заявленного АОПЛ.
Осуществление полезной модели
Устройство для автоматического ограничения перегрузки воздушно-кабельной линии электропередачи (АОПЛ) содержит (фиг.1): датчик 1 температуры провода высоковольтной линии, измеритель 2 тока, датчик 3 температуры воздуха окружающей среды, контроллер 4, устройство 5 управления отключением нагрузки. В АОПЛ введены блок 6 контроля температуры провода, блок 7 расчетного определения температуры провода высоковольтной линии, коммутатор 8, блок 9 формирования команды автоматического включения нагрузок, отключенных АОПЛ при перегрузке высоковольтной линии, устройство 10 автоматического включения нагрузок, блок 11 контроля термической перегрузки кабельного участка линии (или другого оборудования линии) и элемент 12 ИЛИ. Блоки 4, 6, 7, 8, 11, 12 могут быть выполнены на базе одного или двух микропроцессоров (в зависимости от размещения оборудования).
Выход датчика 1 соединен с входом блока 6 контроля температуры провода высоковольтной линии, выход измерителя 2 тока соединен с первым входом блока 7 расчетного определения температуры провода, а выход датчика 3 температуры воздуха окружающей среды - с вторым входом блока 7 расчетного определения температуры провода. Первый выход контроллера 4 соединен с задающим входом блока 6 контроля температуры провода, а второй выход контроллера 4 - с задающим входом блок 7 расчетного определения температуры провода. Блок 6 контроля температуры провода высоковольтной линии снабжен информационным выходом, соединенным с информационным входом контроллера 4. Выход блока 6 контроля температуры провода соединен с первым входом коммутатора 8, а выход блока 7 расчетного определения температуры провода - со вторым входом коммутатора 8. Выход коммутатора 8 соединен с первым входом элемента 12 ИЛИ. Вход блока 11 контроля термической перегрузки соединен с выходом измерителя 2 тока. Выход блока 11 контроля термической перегрузки соединен с вторым входом элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом устройства 5 управления отключением нагрузки и с входом блока 10 формирования команды автоматического включения отключенных при перегрузке высоковольтных линий нагрузок. Контроллер 4 снабжен управляющим выходом, соединенным с управляющим входом блока 9 формирования команды автоматического включения отключенных при перегрузке высоковольтных линий нагрузок. Выход блока 9 соединен с входом устройства 10 автоматического включения нагрузок. Контроллер 4 снабжен входом задания установок, входом команд управляющих воздействий (УВ) и выходом данных текущих значений температуры провода и времени, который предназначен для передачи информационных данных в диспетчерский пункт (ДП).
Блоки 6 и 7 выполнены с возможностью определения времени, оставшегося до достижения допустимого и предельно допустимого значений температуры провода ВЛ.
Блок 11 выполнен с возможностью определения времени, оставшегося до достижения допустимого значения термической перегрузки кабельного участка линии (или другого оборудования линии).
Устройство 5 управления отключением нагрузки выполнено из блоков 5.1-5.n формирования команд управляющих воздействий по разгрузке высоковольтной линии, а устройство 10 автоматического включения нагрузок из блоков 10.1-10.n формирования команд управляющих воздействий по очередности автоматического включения нагрузок (фиг.1).
Работает АОПЛ (фиг.1) следующим образом.
Для получения данных о температуре провода ВЛ в предложенном техническом решении используются одновременно расчетное определение температуры провода и ее непосредственное измерение на проводе. Датчик 1 температуры провода высоковольтной линии, измеритель 2 величины тока высоковольтной линии и датчик 3 температуры воздуха окружающей среды могут быть выполнены дистанционными и установлены на ВЛ с возможностью передачи по каналам связи в блок 6 контроля температуры провода данных о температуре провода ВЛ, а в блок 7 расчетного определения температуры провода высоковольтной линии - данных о токе и температуре воздуха окружающей среды.
Контроллер 4 подключен первым задающим выходом к задающему входу блока 6 контроля температуры провода, а вторым задающим выходом - к задающему входу блока 7 расчетного определения температуры провода. Уставки на эти задающие выходы осуществляются с входа задания установок контроллера 4, и он выполнен с возможностью задания уставок предельных температур нагрева и остывания до допустимого уровня температуры. Уставки могут быть выполнены различными в зависимости от конкретного вида ВЛ и КЛ, а также другого используемого оборудования линии. Контроллер 4 также служит для приема от диспетчерского пункта (ДП) команд разрешения конкретных УВ и передачи информации в ДП.
Входной сигнал от датчика 1 температуры провода поступает в блок 6 контроля температуры провода. Блок 6 отслеживает текущую температуру провода, сравнивает с заданными значениями и определяет повышение температуры провода до допустимого и предельного значений при нагреве, а также ее снижение до допустимого значения при остывании провода. От датчика 1 в блок 6 могут также передаваться, кроме значений температуры провода, еще и значения других параметров, например значения влажности от датчика влажности (на фиг.1 не показан). Эти параметры могут быть полезны при анализе массива данных, зарегистрированного при аварии. В частности, при большом токе с учетом дождя или ветра температура провода может быть меньше. В промежутках от допустимой до предельной температур провода блок 6 выявляет путем расчета по контролируемому темпу нагрева, т.е. по степени перегрузки провода, время, оставшееся до начала формирования УВ.
Входные сигналы от измерителя 2 величины тока и датчика 3 температуры воздуха окружающей среды подводятся к блоку 7 расчетного определения температуры провода высоковольтной линии. Блок 7 выделяет максимальный фазный ток высоковольтной линии и выполняет расчет температуры провода по измеренным значениям тока высоковольтной линии и температуре воздуха окружающей среды. Кроме того, в блоке 7 осуществляется вычисление допустимого тока при измеренной температуре воздуха окружающей среды. Блок 7 выявляет путем расчета по постоянной времени конкретного провода и по степени перегрузки провода время, оставшееся до начала формирования УВ.
Контроллер 4 служит для приема заданий установок и команд разрешения УВ от ДП. Контроллер 4 вводит в блок 6 контроля температуры провода и блок 7 расчетного определения температуры провода заданные значения установок допустимой и предельной температур провода. При превышении температурой провода допустимого и предельного значений в процессе нагрева, а также при снижении температуры до допустимого значения в процессе остывания провода высоковольтной линии устройство АОПЛ обеспечивает формирование и передачу команд соответствующих УВ.
При наладке с помощью контроллера 4 в блок 7 заносятся параметры провода высоковольтной линии, необходимые для расчета температуры провода по измеренным значениям тока и температуре воздуха окружающей среды. В блок 11 заносятся уставки по допустимой термической перегрузке КВЛ.
В контроллер 4 для передачи в ДП (с информационного выхода блока 4) в цифровой форме передаются данные от блоков 6, 7 и 11 о текущих значениях контролируемых параметров линии и времени, оставшегося до достижения допустимого и предельно допустимого значений, а также сообщения об оставшемся времени до начала формирования УВ. Эту информацию полезно учитывать при управлении, особенно в аварийных и послеаварийных режимах с тем, чтобы принимать упреждающие, оптимальные решения для нормализации режима сети.
Коммутатор 8, обеспечивающий по своим первому и второму входам коммутацию сигналов с выхода блока 6 и блока 7, соответственно, кроме того, обеспечивает выбранную приоритетность действия устройства АОПЛ. Если устройство функционирует нормально, то для действия выходных устройств определяющими являются сигналы от датчика 1 температуры провода высоковольтной линии через блок 6 контроля температуры провода. При неисправности датчика 1 температуры провода высоковольтной линии или блока 6 контроля температуры провода высоковольтной линии, а также при потере связи между датчиком 1 и блоком 6 контроля производится ограничение перегрузки с использованием сигналов от блока 7 расчетного определения температуры провода высоковольтной линии. Тем самым реализуется надежное резервирование по ограничению перегрузки.
Отключения нагрузок осуществляют блоки 5.1-5.n устройства 5 управления отключением нагрузки, подсоединенного к выходу коммутатора 8 через элемент 12 ИЛИ. Они производят формирование и выдачу необходимых управляющих команд для автоматического предотвращения перегрузки высоковольтных линий при перегреве проводов (изменение конфигурации сети, очереди отключения нагрузок; отключение КВЛ и др.).
Контроллер 4 снабжен управляющим выходом, соединенным с управляющим входом блока 9 формирования команды автоматического включения отключенных при перегрузке ВЛ нагрузок. Сигнальный вход блока 9 через элемент 12 (ИЛИ) соединен с выходом коммутатора 8 и блока 11 для передачи блоку 9 информации о действии данного устройства АОПЛ на разгрузку линии. Выход блока 9 соединен с входом устройства 10 автоматического включения нагрузок.
После исправления аварийной ситуации блок 9 обеспечивает выдачу команды на автоматическое включение отключенных от устройства АОПЛ нагрузок (действует при остывании до допустимого уровня температуры провода высоковольтной линии и получении цифровых данных команд разрешения от контроллера 4). Блоки 10.1-10.n устройства 10 формируют команды УВ по заданной очередности автоматического включения нагрузок, ранее отключенных АОПЛ устройством 5.
Кроме того, вход блока 11 контроля термической перегрузки соединен с выходом измерителя 2 тока, а его выход - с вторым входом элемента 12 ИЛИ. Элемент 12 ИЛИ обеспечивает выходной сигнал при появлении сигнала на одном из его входов, ограничивающего перегрузку высоковольтной линии: или по предельной температуре воздушного участка линии, или по превышению значения и времени протекания тока высоковольтной линии. Это позволяет дополнительно повысить надежность АОПЛ за счет контроля термической перегрузки, например, кабельного участка высоковольтной линии, ВЧ заградителя, ошиновки и др.
Для разветвленных сетей высоковольтных линий передачи различной конфигурации возможно использование аналогичных АОПЛ (фиг.1) с заданием разных параметров установок в зависимости от их оборудования.
За счет введения в АОПЛ блока 6 контроля температуры провода ВЛ, блока 7 расчетного определения температуры провода высоковольтной линии, коммутатора 8, блока 9 формирования команды автоматического включения отключенных при перегрузке высоковольтных линий нагрузок, устройства 10 автоматического включения нагрузок, блока 11 контроля термической перегрузки и элемента 12 ИЛИ связанных по функциональной схеме (фиг.1), в заявленном техническом решении обеспечивается повышение эксплуатационной надежности и эффективности ограничения перегрузки КВЛ за счет совершенствования контроля нагрева провода высоковольтной линии, повышения пропускной способности КВЛ в аварийных и послеаварийных режимах электрической сети, а также расширяются функциональные возможности АОПЛ.
Промышленная применимость
Наиболее успешно заявленное устройство для автоматического ограничения перегрузки кабельно-воздушной линии электропередачи, использующее в реальном масштабе времени непосредственный контроль тока и температуры провода высоковольтной линии, промышленно применимо в противоаварийной автоматике электрических сетей напряжением 110 кВ и выше.