30 лет на рынке силовой электроники и электротехники
КУВШИНОВ А. А., доктор техн. наук
Тольяттинский государственный университет
КАРМАНОВ В. Ф., АХМЕТЖАНОВ Н. Г., ООО «Энергия Т», г. Тольятти
РАДИН П. С., Южно-Якутский РЭС Филиала ОАО «ФСК ЕЭС» МЭС Востока
АЛЕКСАНДРОВ Н. М., НПП «Динамика», г. Чебоксары
ХРЕННИКОВ А. Ю., доктор техн. наук., АО «НТЦ ФСК ЕЭС», Москва;
Показано, что при эксплуатации воздушных линий электропередачи в ряде регионов возникает серьёзная проблема обледенения проводов в осенне-зимний период.
В качестве пассивной меры борьбы с гололёдом могут использоваться различные провода повышенной прочности. К числу традиционных активных методов
можно отнести плавку гололёда на проводах ВЛ переменным током путём искусственного создания коротких замыканий или постоянным током с использованием
неуправляемых или управляемых выпрямительных блоков. Новые средства борьбы с гололёдными отложениями на проводах ВЛ предусматривают использование
комбинированных преобразовательных установок, способных при необходимости осуществлять плавку гололёда, а всё остальное время — компенсацию реактивной мощности.
Наиболее перспективной следует признать плавку гололёда током ультранизкой частоты, который сочетает достоинства плавки переменным током промышленной частоты (на трёх проводах одновременно) и плавку постоянным током (ограничена только активным сопротивлением, плавное регулирование тока плавки).
При эксплуатации воздушных линий (ВЛ) электропередачи в ряде регионов возникает серьезная проблема обледенения проводов в осенне-зимний период. Среднее время ликвидации гололёдных аварий превышает среднее время ликвидации аварий по другим причинам в 10 и более раз. Исследования показывают, что гололёдные отложения возникают на проводах ВЛ при температуре воздуха около минус 5 °C и скорости ветра 5 – 10 м/с. Допустимая толщина стенки гололёдной муфты составляет от 5 до 20 мм для ВЛ напряжением 3 – 330 кВ, расположенных в климатических районах по гололёду I – IV категорий [1].
В качестве пассивной меры борьбы с гололёдом можно использовать различные провода повышенной прочности. Например, провод АССС (Aluminum Conductor Composite Core — алюминиевый провод с композитным сердечником из различных материалов [2]. Сердечник проводника ACCC стабилен по размерам, поскольку коэффициент его термического расширения (1,6 · 10–6 °C–1) почти на порядок меньше, чем у стали (11,5 · 10–6 °C–1). Провода ACCC способны в течение длительного времени выдерживать высокую температуру без образования наледи.
Следует также отметить провод Aero-Z®, который состоит из одного или нескольких концентрических слоёв проволок круглого сечения (внутренние слои) и проволок сечением в виде буквы «Z» (внешние слои). Каждый слой провода имеет скрутку по длине, выполненную с определённым шагом. Гладкая поверхность снижает ветровые нагрузки на 30 – 35 % и препятствует налипанию снега и льда. Однако провод Aero-Z® имеет ограничение на плавку гололёда, поскольку не допускает длительного повышения температуры сверх 80 °C.
В целом же практическая реализация пассивных методов борьбы с гололё- дом возможна только при проектировании и введении в строй новых линий электропередач. Реконструкция старых ВЛ связана со значительными затратами. Поэтому задача разработки активных методов борьбы с гололёдными отложениями на проводах ВЛ не теряет актуальности.
К числу традиционных методов можно отнести плавку гололёда на проводах ВЛ переменным током путём искусственного создания коротких замыканий или постоянным током с использованием неуправляемых или управляемых выпрямительных блоков [3, 4]. Однако в первом случае возможно повреждение проводов ВЛ, а во втором 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 гололёдными отложениями, свободных от указанных недостатков. Вопросам исследования гололёдообразования и борьбы с голол ёдными отложениями посвящено большое число научных публикаций. В данной работе ставится задача систематизации и сравнительного анализа существующих способов борьбы с голол ёдными отложениями, решение которой позволит выбирать из имеющегося множества технических решений наиболее рациональное для местных условий.
Известные устройства и способы используют следующие виды физического воздействия для удаления гололёдно- изморозевых отложений с проводов линий электропередач (рис. 1):
Рис 1. Классификация способов удаления гололедных отложений с проводов ВЛ: УВ - управляемый выпрямитель; СТК - статический тиристорный компенсатор; ПЧ - преобразователь частоты; НПЧ - непосредственный преобразователь частоты; УПК - устройство продольной компенсации;
Следует только отметить общий недостаток механических систем, который заключается в необходимости ручной установки на провод, снятия с провода, а также перевеса с одного провода на другой. Для этого необходима специальная техника (автовышка) и обслуживающий персонал, что повышает эксплуатационные затраты и затрудняет использование в труднодоступных районах.
Плавка гололёда переменным током применяется на ВЛ напряжением ниже 220 кВ с проводами сечением менее 240 мм2 [3]. Источником питания служат, как правило, шины 6 – 10 кВ подстанций или отдельный трансформатор. Схема плавки гололёда 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 (примерно 1 ч), а также более интенсивным охлаждением провода в зимний период. Для сталеалюминиевых проводов типа АС сечением 50 – 185 мм2 ориентировочный уровень одночасового тока плавки гололёда лежит в пределах 270 – 600 А, а тока, предупреждающего образование гололёда на проводах, — в пределах 160 – 375 А.
Только за счёт выбора схемы плавки гололёда зачастую невозможно подобрать необходимый уровень тока короткого замыкания. Превышение указанных значений тока плавки может привести к отжигу проводов с последующей необратимой потерей прочности. При меньших значениях однократного пропускания тока короткого замыкания для полного удаления гололёда может оказаться недостаточно. Тогда короткие замыкания приходится неоднократно повторять, что дополнительно утяжеляет последствия.
Избежать указанных негативных последствий можно при использовании тиристорного регулятора переменного напряжения, схема которого представлена на рис. 2 [5]. В режиме плавки гололёда выключатель 7 выключен, выключатель 8 включен. Возможные способы регулирования тока плавки — импульсно-фазовый посредством изменения углов включения силовых тиристоров 1 – 3 или широтно-импульсный — посредством изменения числа периодов подачи напряжения.
В режиме компенсации реактивной мощности выключатель 7 включен, а выключатель 8 выключен. В этом случае силовые тиристоры 1 – 3 и реакторы 4 – 6 образуют тиристорно-реакторную группу, соединённую в треугольник, которая представляет собой элемент 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 гололёда осуществляется переменным током промышленной частоты и требует значительных мощностей источника питания (десятки МВ · А), поскольку активное сопротивление проводов воздушной линии значительно меньше индуктивного сопротивления. Полная мощность источника увеличивается за счёт большой и бесполезной для плавки гололёда реактивной нагрузки. Повысить эффективность плавки можно путём продольной ёмкостной 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 голол ёда, схема которой представлена на рис. 3 [6]. В режиме плавки голол ёда выключатель 7, шунтируюший реактор 6, включён, выключатель 9 отключает конденсаторную батарею 8, выключатель 10 включён. При этом возможна плавка на всех проводах воздушной линии одновременно.
В режиме компенсации реактивной мощности выключатели 7 и 10 отключены, а выключатель 9 включён. В результате образуется типовая схема статического компенсатора на базе транзисторных модулей 1 – 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.
Рис 2. Установка для компенсации реактивной мощности и плавки гололеда.
Рис 3. Комбинированная установка для компенсации реактивной мощности и плавки гололеда.
Существенный недостаток установки, изображённой на рис. 3, — неполное использование вентильной части в режиме плавки. Это объясняется тем, что ток плавки протекает только через «нижние» ключи фаз 1 – 3 преобразовательного моста. Для преобразования мостовой схемы в три ключа переменного тока потребуется дополнительное коммутационное оборудование и существенное усложнение силовой схемы.
Впервые плавка гололёда постоянным током в качестве перспективного направления борьбы с гололёдными отложениями на фазных проводах ВЛ отмечена в [7]. К числу первых серийных установок плавки гололёда 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 16 800 кВт [8]. Схемы плавки гололёда выпрямленным током детально рассмотрены в [4].
Рис 4. Схема преобразовательного устройства контейнерного типа (а) и комбинированной установки (б) плавки гололеда и компенсации реактивной мощности.
К недостаткам метода следует отнести то, что ВЛ необходимо отключать, а выпрямительный блок большую часть календарного года не используется, поскольку необходимость плавки гололёда возникает только в зимний период. Можно отметить предложение плавки гололёда 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 дополнительного коммутационного оборудования.
В этой связи вполне оправданы попытки расширения функциональных возможностей оборудования путём совмещения в одной установке выпрямительного блока для плавки гололёда и устройства для компенсации реактивной мощности. Это открывает возможность круглогодичной эксплуатации оборудования, что существенно повышает его экономическую эффективность.
В ОАО «НИИПТ» разработано преобразовательное устройство контейнерного типа для комбинированной установки плавки гололёда и компенсации реактивной мощности (рис. 4) [10].
В состав преобразовательного устройства входят: транспортный контейнер 1; тиристорные модули 2 с блоками управления 3; система принудительного воздушного охлаждения 4; разъединитель 5 с электромеханическим приводом 6; анодный 7, катодный 8 и фазный 9 выводы преобразовательного моста; система управления, регулирования, защиты и автоматики 10; разъединители 11, 12 и конденсаторные батареи 13.1, 13.2 и 13.3.
Силовое оборудование предназначено для эксплуатации в районах с умеренным и холодным климатом (исполнение УХЛ 1), оно размещено в закрытом стальном контейнере, устанавливаемом на открытой части фундамента подстанции. Силовое питание осуществляется от обмотки 10 кВ выделенного трансформатора. Из преобразовательных устройств, изображённых на рис. 4, а, собирается комбинированная установка, схема которой показана на рис. 4, б.
В режиме плавки гололёда разъединители 11, 12 замкнуты (рис. 4, б ), разъединители 5 (рис. 4, а) разомкнуты. Собирается схема трёхфазного 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 и 12 разомкнуты, а разъединители 5 замкнуты. Собирается схема конденсаторной батареи 13.1, 13.2 и 13.3, управляемой тиристорными модулями 2, соединёнными встречно-параллельно. Однако в режиме компенсации возможно только ступенчатое регулирование реактивной мощности.
Последнего недостатка удаётся избежать в комбинированной установке для плавки гололёда и компенсации реактивной мощности, схема которой представлена на рис. 5 (разработка ОАО «НИИПТ») [11].
В состав комбинированной установки входят питающий трансформатор 1, трёхфазные разъединители 2 и 16, трёхфазные реакторы 3 и 15, высоковольтный мостовой преобразователь 4, конденсаторная батарея постоянного тока 5, однофазные разъединители 6 и 7, система управления 8, сборки 9 – 14 полностью управляемых приборов с обратными диодами и резонансный трансформатор 17.
В режиме плавки гололёда разъединители 6, 7 и 16 включены. Плавка осуществляется постоянным током. Регулирование тока плавки ведётся 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 короткого замыкания 9 – 10 или 13 – 14. Нагрузка шунтируется, и ток плавки регулируется. Скорость нарастания тока короткого замыкания ограничивается реактором 3. За счёт выбора частоты и коэффициента модуляции ШИМ запирание тиристора происходит раньше увеличения тока короткого замыкания до опасного уровня. При этом интервал проводимости тиристора меньше, чем в режиме компенсации реактивной мощности. В названном режиме разъединители 6, 7 и 16 выключены. Высоковольтный мостовой преобразователь 4 работает в режиме «СТАТКОМ».
Рис 5. Комбинированная установка для плавки гололеда и компенсации реактивной мощности (разработка ОАО НИИПТ)
По мнению ряда авторов, которые опираются на собственный опыт работы, только от 7 до 30 % длины нагреваемого провода во время плавки действительно покрыто гололёдом. Это объясняется тем, что отдельные участки ВЛ за счёт углов поворота и непредсказуемости направления ветра в момент образования гололёда оказываются в различных климатических условиях. Соответственно значительная часть электроэнергии расходуется впустую. В этой связи, предложена мобильная установка, которая позволяет выезжать на участки ВЛ, в которых обнаружено обледенение проводов.
Мобильный генератор для плавки гололёда на проводах ВЛ [12] выполняется на автомобильной платформе, питание (0,4 кВ) трёхфазного выпрямительного моста осуществляется от двух дизель-генераторов ADV320 мощностью 320 кВт каждый. Предусмотрены проводники с клеммами для подключения к проводам ВЛ и электрические шины для соединения проводов на пролёте между опорами по схеме плавки гололёда. Рассмотренное техническое решение обеспечивает плавку гололёда на длине двух пролётов воздушной линии на фазных проводах и грозозащитном тросе.
Общим недостатком всех устройств, реализующих термическое воздействие постоянным током, представляется необходимость применения схемы плавки гололёда «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, достигающего 2000 А.
Техническое содержание данного вида воздействия заключается в том, что плавку проводят током низкой частоты, формируемым трёхфазным автономным инвертором напряжения, а эффективное значение тока плавки задают и поддерживают на требуемом уровне изменением напряжения питания [13].
При частоте выходного напряжения автономного инвертора в десятые доли Гц и менее ток в проводах линии ограничивается практически только активным сопротивлением. В результате увеличивается допустимая длина воздушной линии по сравнению с плавкой переменным током промышленной частоты, упрощается организации плавки, сокращается продолжительность процесса плавки гололёда, уменьшается количество дополнительного коммутационного оборудования.
Схема комбинированной установки для плавки гололёда и компенсации реактивной мощности, реализующей предложенный способ, представлена на рис. 6.
Рис 6. Комбинированная установка для плавки гололеда током ультранизкой частоты и компенсации реактивной мощности.
В состав комбинированной установки входят трёхфазные мостовые преобразователи на полностью управляемых полупроводниковых ключах 1 и 7, трёхполюсные выключатели 2, 5, 8, 9, трёхфазные дроссели 3, 4, конденсаторная батарея 6 и система управления 10.
В режиме плавки гололёда выключатели 5 и 8 включены, а выключатель 9 отключен. Мостовой преобразователь 1 функционирует в режиме управляемого выпрямителя, а мостовой преобразователь 7 — в режиме трёхфазного автономного инвертора напряжения. Плавка осуществляется одновременно на трёх проводах воздушной линии. В режиме компенсации реактивной мощности выключатели 5 и 8 выключены, а выключатель 9 включен. Мостовые преобразователи 1 и 7 работают параллельно.
Рис 7. Устройство для удаления снежно-ледового покрытия с проводов линий электропередачи.
Рис 8. Система электромеханического воздействия на провода воздушной линии для удаления гололеда.
Угол включения α выбирается несколько меньше 180°. Из сети потребляется активная мощность, необходимая для поддержания напряжения на конденсаторной батарее 6. На стороне мостовых преобразователей 1 и 7 переменного тока формируется переменное напряжение. Фаза первой гармоники 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 и 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.
Метод заключается в том, что без отключения ВЛ от потребителей на фазные провода через согласующее устройство и высоковольтные конденсаторы связи подаётся от генератора ток частотой 50 – 500 МГц [14]. В однородном проводнике переменный ток концентрируется в поверхностном слое, утонение которого с ростом частоты ведёт к увеличению сопротивления той части проводника, по которой проходит ток. Это означает, что при одинаковом токе, протекающем 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 даже более.
Показано, что при мощности высокочастотного генератора несколько десятков киловатт возможен нагрева провода на 10 – 20 °C, что должно предотвратить образование гололёдных отложений. Для устранения же образовавшегося гололёда и плавки гололёда потребуется нагрев до температуры 100 – 180 °C. Соответственно потребуются значительно большие затраты электроэнергии и более длительная процедура плавки. Поэтому данный способ наиболее целесообразно применять в профилактических целях для предотвращения гололёдообразования, поскольку он реализуется без отключения потребителей. Однако использование генераторов с диапазоном частот 87,5 – 108 МГц чревато опасностью создания интенсивных радиопомех в УКВ диапазоне.
Подогрев провода током высокой частоты может не только препятствовать образованию гололёдных отложений, но и облегчать процедуру удаления уже образовавшейся гололёдной муфты. Это, в частности использовано в устройстве, схема которого представлена на рис. 7 [15].
Автоматизированное рабочее место АРМ диспетчера 6 и контроллер 5 обеспечивают бесперебойную работу подстанции с отображением оперативной информации на световом табло 7.
Рис 9. Гололедные отложения на проводах высоковольтной ЛЭП 500 кВ.
Рис 10. Гололедно-инеевые отложения на проводах высоковольтной ЛЭП 220 кВ Рыс - С-Тяга.
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 гололёдно-изморозевые отложения. Частота импульсов тока должна быть близкой к механическому резонансу с амплитудой, достаточной для преодоления внешних и внутренних сил трения. Изменение пропускаемого тока может быть строго периодическим, иметь качающуюся частоту, изменяться по гармоническому закону, иметь форму пачек импульсов с заданными законами изменения частоты, амплитуды и скважности [16]. На рис. 8 приведён один из возможных вариантов реализации автоматизированной системы удаления гололёда, реализующих предлагаемый способ.
Силовой трансформатор 1 преобразует питающее напряжение до необходимого уровня. Блок силовой электроники выпрямляет полученное от силового трансформатора 1 напряжение и формирует импульсы тока требуемой величины, формы и частоты, пропускаемые через провода 2 воздушной линии. Система управления, представляющая собой программируемый логический контроллер, обрабатывает информацию с внешних датчиков гололёдно-ветровых нагрузок 3, влажности 4 и температуры 5, задаёт 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 расчёт уровня и частоты импульсов тока для исключения возможных негативных последствий резонанса. Для повышения эффективности разрушения гололёдных отложений следует пропускать импульсы тока по проводам, лежащим на разных уровнях. Это позволяет использовать инерцию льда и силу тяжести как дополнительный разрушающий фактор.
Данный способ так же, как и плавка, требует отключения ВЛ. Однако продолжительность механического разрушения льда существенно меньше времени, затрачиваемого на плавку. Поэтому затраты электроэнергии на очистку будут ниже, чем при плавке гололёдных отложений (рис. 9, 10).
Доминирующий тренд в области разработки новых средств борьбы с гололёдными отложениями на проводах ВЛ состоит в использовании комбинированных преобразовательных установок, способных осуществлять при возникновении необходимости плавку гололёда, а всё остальное время — компенсацию реактивной мощности.
Наиболее перспективной следует признать плавку гололёда током ультранизкой частоты, которая сочетает достоинства плавки переменным током промышленной частоты (на трёх проводах одновременно) и плавки постоянным током (ограничена только активным сопротивлением, плавное регулирование тока плавки). Дополнительное преимущество заключается в том, что установка для плавки гололёда 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 данного недостатка позволяет технология гибких электропередач переменного тока [18], в составе которых используется преобразовательное оборудование, теоретически способное при необходимости обеспечить, например, профилактический прогрев проводов, препятствующий образованию гололёдных отложений.