УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ОГРАНИЧЕНИЯ ПЕРЕГРУЗКИ ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
DEVICE FOR AUTOMATIC LIMITATION OF OVERHEAD POWER TRANSMISSION LINE OVERLOAD

Изобретение относится к противоаварийной автоматике электрических сетей напряжением 110 кВ и выше.
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 может привести (и 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 автоматического ограничения перегрузки ВЛ (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 А2, Н02Н 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 воздушной 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 КЗ, отключении ВЛ.
Получили распространение 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 диспетчерский персонал (ОП) 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 воздушной 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; JP 4317511 A, H02H 3/093, 09.11.1992 - прототип).
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 принимает 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.
Задача изобретения заключается в повышении эксплуатационной надежности устройств АОПЛ и эффективности ограничения перегрузки ВЛ за счет совершенствования контроля нагрева провода ВЛ и расширении функциональных возможностей устройства АОПЛ. Технический результат проявляется в повышении пропускной способности ВЛ в аварийных и послеаварийных режимах электрической сети, а также в снижении аварийности последней за счет исключения человеческого фактора.
Для решения поставленной задачи применительно к ВЛ предложено устройство АОПЛ, содержащее:
- последовательно включенные датчик температуры провода ВЛ и блок контроля температуры провода ВЛ, выполненный с возможностью определения повышения температуры провода до допустимого и предельного значений при нагреве, а также ее снижения до допустимого значения при остывании провода;
- блок расчетного определения температуры провода ВЛ, подключенный сигнальными входами к выходам измерителя величины тока ВЛ и датчика температуры воздуха окружающей среды;
- контроллер, подключенный выходами к задающим входам блока контроля температуры провода ВЛ и блока расчетного определения температуры провода ВЛ и выполненный с возможностью задания уставок превышения предельных температур нагрева и остывания до допустимого уровня температуры, а также передачи от ОП разрешения на конкретные УВ;
- коммутатор, подключенный входами к выходам блока контроля температуры провода ВЛ и блока расчетного определения температуры провода ВЛ и выполненный с обеспечением возможности приоритетного действия по сигналам от блока контроля температуры провода ВЛ, а при его выходе из строя или неисправности датчика температуры провода ВЛ - по сигналам от блока расчетного определения температуры провода ВЛ;
- блоки формирования команд УВ по разгрузке ВЛ, подключенные входами к выходу коммутатора;
- блок выдачи команды для автоматического включения нагрузок, отключенных при перегрузке ВЛ, подключенный сигнальным входом к выходу коммутатора, а разрешающим входом - к соответствующему выходу контроллера;
- блоки формирования команд УВ очередности автоматического включения нагрузок, подключенные к выходу блока выдачи команд.
Решению поставленной задачи способствуют также частные существенные признаки изобретения.
Блоки формирования команд УВ по разгрузке ВЛ могут быть выполнены с возможностью формирования предупредительных сигналов, команд на изменение конфигурации сети (например, включением/отключением шиносоединительного выключателя на энергообъекте), команд оптимальной очередности отключения нагрузок, допускающих перерыв питания, а также отключения ВЛ.
Датчик температуры провода ВЛ, измеритель величины тока ВЛ и датчик температуры воздуха окружающей среды могут быть выполнены дистанционными и установлены на ВЛ с возможностью передачи по каналам связи в блок контроля температуры провода ВЛ данных о температуре провода ВЛ, а в блок расчетного определения температуры провода ВЛ - данных о токе и температуре воздуха окружающей среды, вместе с данными GPS.
Блок контроля температуры провода ВЛ может быть подключен дополнительным выходом к информационному входу контроллера, при этом блок контроля температуры провода ВЛ выполнен с возможностью определения текущих значений температуры провода и времени, оставшегося до достижения допустимого и предельно допустимого значений температуры провода, а контроллер - с возможностью передачи этой информации ОП.
На чертеже представлена функциональная схема предложенного устройства АОПЛ.
Устройство АОПЛ содержит: датчик 1 температуры провода ВЛ, измеритель 2 величины тока ВЛ (датчик тока), датчик 3 температуры воздуха окружающей среды, блок 4 контроля температуры провода ВЛ, блок 5 расчетного определения температуры провода ВЛ (микропроцессор), контроллер 6, коммутатор 7, блоки 8.1-8.8n формирования команд УВ по разгрузке ВЛ, блок 9 выдачи команды для автоматического включения отключенных при перегрузке ВЛ нагрузок и блоки 10.1-10.m формирования команд УВ по очередности автоматического включения нагрузок.
Датчик 1 температуры провода ВЛ и блок 4 контроля температуры провода ВЛ включены последовательно. Блок 5 расчетного определения температуры провода ВЛ подключен сигнальными входами к выходам измерителя 2 величины тока ВЛ и датчика 3 температуры воздуха окружающей среды. Контроллер 6 подключен выходами к задающим входам блока 4 контроля и блока 5 расчетного определения температуры провода ВЛ. Коммутатор 7 подключен входами к выходам блока 4 контроля температуры провода ВЛ и блока 5 расчетного определения температуры провода ВЛ. Блоки 8.1-8.n формирования команд УВ по разгрузке ВЛ подключены входами к выходу коммутатора. Блок 9 выдачи команды для автоматического включения нагрузок, отключенных при перегрузке ВЛ, подключен сигнальным входом к выходу коммутатора, а разрешающим входом - к соответствующему выходу контроллера. Блоки 10.1-10.m формирования команд УВ по очередности автоматического включения нагрузок подключены к выходу блока 9 выдачи команд.
Блок 4 контроля температуры провода ВЛ выполнен с возможностью определения повышения температуры провода до допустимого и предельного значений при нагреве, а также ее снижения до допустимого значения при остывании провода. Контроллер 6 выполнен с возможностью задания уставок превышения предельных температур нагрева и остывания до допустимого уровня температуры, а также передачи от ОП разрешения на конкретные УВ. Коммутатор 7 выполнен с обеспечением возможности приоритетного действия по сигналам от блока контроля температуры провода ВЛ, а при его выходе из строя или неисправности датчика температуры провода ВЛ - по сигналам от блока расчетного определения температуры провода ВЛ.
Блоки 8.1-8.n формирования команд УВ по разгрузке ВЛ выполнены с возможностью выдачи предупредительных сигналов, команд на изменение конфигурации сети (например, включением/отключением шиносоединительного выключателя на энергообъекте), команд оптимальной очередности отключения нагрузок, допускающих перерыв питания, а также отключения ВЛ. Датчик 1 температуры провода ВЛ, измеритель 2 величины тока ВЛ и датчик 3 температуры воздуха окружающей среды выполнены дистанционными и установлены на ВЛ с возможностью передачи по каналам связи в блок 4 контроля температуры провода ВЛ данных о температуре провода ВЛ, а в блок 5 расчетного определения температуры провода ВЛ - данных о токе и температуре воздуха окружающей среды, вместе с данными GPS. Блок 4 контроля температуры провода ВЛ подключен дополнительным выходом к информационному входу контроллера 6, при этом блок 4 контроля температуры провода ВЛ выполнен с возможностью определения текущих значений температуры провода и времени, оставшегося до достижения допустимого и предельно допустимого значений температуры провода, а контроллер 6 - с возможностью передачи этой информации ОП.
Устройство АОПЛ работает 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.
Входной сигнал от датчика 1 температуры провода ВЛ поступает в блок 4 контроля температуры провода ВЛ. Блок 4 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 4 могут также подводиться, кроме температуры провода, еще и другие параметры, например значения влажности. Эти параметры могут быть важными для анализа массива данных. В частности, при большом токе с учетом дождя или ветра температура провода может быть меньше. В промежутках от допустимой до предельной температур провода блок 4 выявляет путем расчета по постоянной времени конкретного провода и контролируемому темпу нагрева, т.е. по степени перегрузки провода, время, оставшееся до начала формирования УВ.
Входные сигналы от измерителя 2 величины тока ВЛ и датчика 3 температуры воздуха окружающей среды подводятся к блоку 5 расчетного определения температуры провода ВЛ. Блок 5 выделяет максимальный фазный ток ВЛ и выполняет расчет температуры провода ВЛ по измеренным значениям тока ВЛ и температуре воздуха окружающей среды. Кроме того, в блоке 5 осуществляется вычисление допустимого тока по ВЛ при измеренной температуре воздуха окружающей среды.
Контроллер 6 предусмотрен для обеспечения возможности задания ОП параметров, характеризующих ВЛ, и условий действия устройства АОПЛ. Контроллер 6 вводит в блок 4 контроля температуры провода ВЛ и блок 5 расчетного определения температуры провода ВЛ заданные значения допустимой и предельной температур провода. Принято, что при превышении температурой провода допустимого и предельного значений в процессе нагрева, а также при снижении температуры до допустимого значения в процессе остывания провода устройство АОПЛ должно формировать команды для соответствующих УВ.
Кроме того, с помощью контроллера 6 в блок 5 априорно заносятся параметры провода ВЛ, необходимые для расчета температуры провода по измеренным значениям тока ВЛ и температуре воздуха окружающей среды. В блок 6 для передачи ОП передается полученная информация от блока 4 контроля температуры провода ВЛ о текущих значениях температуры провода и времени, оставшегося до достижения допустимого и предельно допустимого значений температуры провода, а также сообщения об оставшемся времени до начала формирования УВ в промежутках от допустимой до предельной температур. Эту информацию полезно учитывать при управлении, особенно в аварийных и послеаварийных режимах с тем, чтобы принимать упреждающие, оптимальные решения для нормализации режима сети.
Коммутатор 7 обеспечивает выбранную приоритетность действия устройства АОПЛ. Если устройство функционирует нормально, то для действия выходных устройств определяющими являются сигналы от датчика 1 температуры провода ВЛ через блок 4 контроля температуры провода ВЛ. При неисправности датчика 1 температуры провода ВЛ или блока 4 контроля температуры провода ВЛ, а также при потере связи между датчиком 1 и блоком 4 контроля ограничение перегрузки ВЛ производится с использованием сигналов от блока 5 расчетного определения температуры провода ВЛ. Тем самым реализуется надежное резервирование по ограничению перегрузки.
Блоки 8.1-8.8n осуществляют формирование и выдачу необходимых управляющих команд для автоматического предотвращения перегрузки ВЛ при перегреве проводов (предупредительные сигналы; изменение конфигурации сети, очереди отключения нагрузок; отключение ВЛ и др.).
Блок 9 обеспечивает выдачу команды на автоматическое включение отключенных от устройства АОПЛ нагрузок (действует при остывании до допустимого уровня температуры провода ВЛ и получении разрешения от контроллера 6).
Блоки 10.1-10.m формируют команды УВ по заданной очередности автоматического включения нагрузок, отключенных устройством АОПЛ.
Внедрение предложенного устройства АОПЛ, использующего в реальном масштабе времени непосредственный контроль температуры провода ВЛ, позволит существенно повысить пропускную способность ВЛ электропередачи в нормальных и аварийных режимах сети.