Плавка гололеда переменным током в сетях 220 кВ ОАО Таймырэнерго - Норильскэнерго
Попов А. И., Олефиров Г.А., Ландман А.К., Абраменкова Н. А., Павлова Е. А.
Схема сети 220 кВ энергосистемы Таймырэнерго - Норильскэнерго, расположенной на севере Красноярского края, за Полярным кругом, представлена на рис. 1. Она содержит две таймырские гидростанции: Курейскую и Усть-Хантайскую, связанные тремя цепями 220 кВ между собой и четырьмя цепями - с приемной энергосистемой соизмеримой мощности. Мощность обеих станций выдается в Норильскую энергосистему. Перетоки мощности по связям всегда направлены в одну сторону, ограничиваясь их пропускной способностью.
Вопросы борьбы с гололедными явлениями актуальны в связи с прохождением трасс ВЛ 220 кВ в четвертом и особом климатических районах по гололеду, третьем по ветру (ПУЭ, 1985 г.). Необходимость плавки гололеда обычно возникает в периоды осенне-весеннего межсезонья, в неустойчивых резкопеременных метеоусловиях, сопровождающихся осадками, усилением ветра и понижением температуры воздуха. Изменение погодных условий может происходить очень быстро, например, за 1 ч температура воздуха падает с 0 до -20°С, ветер усиливается от слабого до ураганного. Как правило, это происходит в часы минимума графика нагрузки, в сочетании со сниженной по сезону загрузкой связей, а, следовательно, пониженной температурой проводов, что способствует образованию на них гололеда.
Прохождение трасс ВЛ по пересеченной труднодоступной местности, на высоте до 500 м над уровнем моря на отдельных горных участках, способствует неравномерному обледенению линий. Преимущественное направление ветра по отношению к трассам ВЛ составляет примерно 90°, что также обусловливает неравномерное налипание гололеда на провода. Совокупность перечисленных условий предопределяет жесткие требования к временам подготовки и проведения мероприятий по предотвращению и ликвидации гололедных отложений.
Рис. 1. Схема сети 220 кВ
Запроектированная в свое время плавка гололеда (ПГ) на постоянном токе (УПГ) не отвечает требованиям эксплуатации ВЛ 220 кВ в условиях Заполярья по ряду причин. В зависимости от схемы УПГ ток в обогреваемом проводе ВЛ может регулироваться в диапазоне 1100 - 660 А, что позволяет осуществить ПГ при любых метеогололедных условиях. Однако наибольшие значения токов можно получить только в схемах пофазных ПГ, где одновременно обогреваются один или два провода, что приводит к недопустимому затягиванию времени ПГ всей линии и невозможности ее проведения в ряде случаев. А в схеме совмещенной ПГ, обеспечивающей одновременный прогрев трех проводов двух последовательно включенных ВЛ, значение тока близко к минимальному, что позволяет реализовать либо профилактический подогрев проводов (ПП), либо ПГ только при легких погодных условиях.
Кроме того, общим недостатком плавки от УПГ является необходимость предварительного отключения трансформаторов напряжения типа НКФ-220 от участка сети, обтекаемого постоянным током ПГ. Указанные трансформаторы напряжения включены по традиционной типовой схеме “наглухо”, без коммутационных аппаратов на стороне 220 кВ, что предопределяет необходимость привлечения к подготовке схемы сборки ПГ ремонтного персонала и механизмов, резко снижая оперативность ввода режима плавки в работу. При штормовых условиях отсоединить трансформаторы напряжения вообще нельзя из-за невозможности допуска персонала к работам по технике безопасности.
Учет частоты тяжелых гололедно-ветровых процессов, приводящих к повреждениям ВЛ 220 кВ (1 - 2 раза в год), ограниченности области использования имеющейся УПГ, положительного отечественного опыта применения ПГ для целей значительного снижения аварийности линий электропередачи вынуждает энергосистему рассмотреть возможность организации ПГ в сети 220 кВ Таймырэнерго - Норильскэнерго наименее затратным способом - путем использования переменного тока.
Предпосылки для этого есть, так как различные методы ПГ с успехом применяются во многих энергосистемах России. Например, в Башкирэнерго плавка переменным током получила наибольшее распространение на линиях 6-35-110 кВ, где она предусматривается на всех линиях, проходящих в четвертом и особом гололедных районах. На линиях более высоких классов напряжений ПГ производится постоянным током [1]. В Волгоградэнерго ПГ выполняется в основном на переменном токе трехфазным коротким замыканием (доклад Белоусова Ю. Ф., Санеева А. А. “Оценка эффективности схем плавки гололеда в условиях эксплуатации” на Всесоюзном совещании, проходившем во Львове в 1970 г.). В Ставропольэнерго устройствами ПГ оборудовано 83% общей длины ВЛ, причем на фазных проводах ВЛ 330 - 500 кВ она производится только постоянным током, на грозозащитных тросах - постоянным или переменным током [2].
Такое разнообразие обусловлено спецификой конкретной электрической схемы, параметрами линий электропередачи, на которых производится ПГ, и сочетанием определенных метеорологических условий, способствующих гололедообразованию в районе прохождения трасс воздушных линий. В то же время авторам не известны энергосистемы, в которых гололед на ВЛ 220 кВ и выше плавится переменным током.
С точки зрения ПГ, спецификой данной сети является большая длина ВЛ, не имеющих промежуточных отборов мощности, оборудование которых можно было бы использовать для организации более коротких участков плавки, отсутствие подпора реактивной мощности на приемной ПС РПП-220. Грозозащитные тросы имеются только на подходах к подстанциям, в связи с чем организация ПГ на тросах не так актуальна. В то же время, стоит проблема разработки для каждой ВЛ схем и режимов, в которых фазные токи будут достаточны для плавки возникающих отложений.
Организовать это возможно, так как все линии электропередачи отходят непосредственно от шин
ГЭС, потоки мощности по ним всегда направлены в сторону приемной системы. Суммарный переток мощности от шин Усть-Хантайской ГЭС в Норильск в режиме зимнего максимума составляет 450 - 550 МВт.
Для решения поставленной задачи необходимо:
- Определить параметры, характеризующие метеорологические условия, при которых необходима плавка.
- Найти допустимые значения токов и затраты времени на обогрев проводов для выбранных расчетных условий.
- Исследовать возможность плавки или профилактического подогрева проводов переменным током для целей предупреждения гололедообразования путем специальных схемно-режимных мероприятий.
- Проработать вопросы эффективной организации плавок.
Для обеспечения высокой результативности процесса плавки требуется правильно определить значение тока и длительность плавки, существенно зависящих от ряда факторов: размера и плотности отложения на проводе, условий охлаждения (температуры воздуха и скорости ветра).
Поскольку обобщенные фактические данные о значениях этих параметров, характерных для рассматриваемой климатической зоны, отсутствуют, было решено воспользоваться результатами многолетних наблюдений организаций, систематически занимающихся ПГ [1]. Согласно выполненной ими классификации все гололедные отложения, имеющие практическую значимость для эксплуатации ВЛ, по внешнему виду и плотности условно делятся на следующие категории: гололед, зернистая и кристаллическая изморозь, мокрый снег и сложные отложения, каждая из которых формируется при определенных погодных условиях.
К рассмотрению были приняты гололед, зернистая и кристаллическая изморозь как наиболее характерные отложения для рассматриваемого климатического района. Так как диапазон изменения факторов, сопутствующих образованию каждого вида отложения, достаточно широк, предложено разбить его на три интервала, соответствующие худшим, средним и легким метеоусловиям. Это позволило определить возможность выполнения плавки при погодных условиях, появляющихся с различной частотой.
Для оценки эффективности мероприятий по борьбе с гололедными явлениями выбрано девять вариантов сочетаний параметров, представленных в табл. 1. Они характеризуют условия плавки от самых тяжелых (гололед при сильном ветре и температуре воздуха от 0 до -5°С) до самых легких (кристаллическая изморозь при температуре -10°С и слабом ветре). Нормируемые для рассматриваемых климатических районов параметры (ПУЭ, 1985) отличаются от худших, принятых для условий гололедообразования, только несколько меньшей скоростью ветра.
При отсутствии ограничений диапазон приемлемых для плавки токов определяется наибольшим допустимым по механической прочности провода током, характеризующим условия нагрева свободного от гололеда провода, и наименьшим током, который необходим для плавки гололеда в течение часа при тяжелых метеоусловиях, т.е. при больших размерах отложения, скоростях ветра и низких температурах [1, 3]. Использование такого диапазона обеспечивает условия, при которых для данной марки провода в любых погодных условиях каждый вид отложения будет расплавлен за время, не превышающее 1 ч.
Расчеты максимального и минимального токов плавки, а также ее длительности произведены по формулам [1] при условиях равенства допустимой температуры нагрева провода 100°С согласно рекомендациям [4], а коэффициента угла атаки ветра - единице с учетом реального расположения трассы ВЛ поперек преимущественного направления ветра*. Токи профилактического подогрева проводов (ПП) должны быть достаточны для поддержания положительной температуры на поверхности провода при наихудших условиях его охлаждения. Они определяются по тем же формулам, что и токи плавки, при подстановке допустимой температуры нагрева провода, равной +1°С.
* Авторами проведено сравнение результатов по формулам, приведенным в [1] и [4]. Некоторое отличие величин, полученных по различным вариантам эмпирических выражений, несущественно с точки зрения решаемой задачи, характеризуемой большим разбросом данных о фактических параметрах метеогололедных условий при плавке.
Результаты расчетов токов для предложенных вариантов метеоусловий приведены в табл. 2. Диапазон токов плавки, которые могут быть использованы для каждой ВЛ в конкретных погодных условиях, достаточно велик и составляет 945 - 300 А для АС-240 и 1345 - 430 А для АС-400. Из сопоставления токов ПГ и ПП следует, что ПП целесообразен при погодных условиях, характерных для образования гололеда, поскольку токи для его реализации существенно меньше требуемых для ПГ. При образовании кристаллической изморози ПП противопоказан, поскольку при сочетании низких температур воздуха и сильного ветра для поддержания положительной температуры на поверхности провода требуются большие значения токов, чем для ПГ. Полученные токи использованы для оценки эффективности различных схем ПГ и выбора наиболее приемлемых для практической реализации.
