Методы предотвращения гололёдных аварий в России

ПЛАВКА ГОЛОЛЕДА НА ВЛ 110—500 КВ

Аварии, вызванные гололедноветровыми явлениями, представляют серьезную проблему для электросетей всех классов напряжений (1). Сегодня на линиях 110—500 кВ применяется плавка гололеда переменным, постоянным и постоянным регулируемым токами. Любой способ плавки требует организации схемы, состоящей из источника и объекта плавки (фазных проводов, грозозащитных тросов), собранных тем или иным способом. При плавке переменным током для достижения в проводе его значения, с одной стороны, необходимого для проплавления гололедноизморозевых отложений, а с другой — не превышающего предельного рабочего тока для данного типа провода, требуется соответствующим образом подобрать полное сопротивление нагрузки, поскольку напряжение источника фиксировано. На практике для организации такого подбора приходится соединять несколько линий последовательно, используя целый комплекс разъединителей в разных точках сети, даже если в плавке нуждается лишь одна ВЛ. Создание сложной схемы плавки требует значительного времени — 6—7 часов и более, тогда как гололедная ситуация нуждается в скорейшем разрешении.

С начала 60-х годов применяются плавки постоянным током от диодных выпрямителей. Однако такой способ, не давая возможности регулировать напряжение источника, приводит к тем же проблемам, что и плавка переменным током.

Наиболее современным способом плавки гололеда на ВЛ является использование в качестве источника плавки управляемых тиристорных выпрямителей. Первый управляемый выпрямитель для плавки гололеда (ВУПГ) на параметры 50 кВ и 1000 А был изготовлен в ОАО «НИИПТ» и установлен на ПС «Елизово» Камчатскэнерго в 1994 году. Затем там же был введен в эксплуатацию первый ВУПГ контейнерного типа на напряжение 14 кВ и ток 1000 А (ВУПГ-14/1000), на базе которого разработана серия (рис. 1—3), хорошо освоенная в настоящее время (2). В июне 2010 года ВУПГ-14/1200 аттестован на соответствие требованиям ОАО «ФСК ЕЭС». В составе систем плавки гололеда ВУПГ-14/1200 работает на подстанциях Сахалина, Кубани, Центральной России и Средней Волги. Установки типа ВУПГ отличает:
• возможность регулирования тока плавки, в том числе и по сигналам с датчиков гололеда;
• плавный пуск и отключение выпрямителя, что позволяет избежать перенапряжений и облегчает работу коммутационной аппаратуры;
• развитая микропроцессорная система управления, регулирования, защиты и автоматики (СУРЗА) позволяет согласовывать пуск, отключение и изменение тока по сигналам от системы контроля гололедообразования;
• наличие последовательных интерфейсов RS-485 и Ethernet позволяет осуществлять связь с АСУ ТП верхнего уровня;
• контейнерное исполнение силовой части с принудительной замкнутой системой охлаждения позволяет легко монтировать выпрямитель на открытой части подстанции;
• наличие комплекта измерительных трансформаторов внутри контейнера снижает требования к ОРУ и КРУН подстанции;
• возможность транспортировки любым видом транспорта (контейнер служит одновременно и корпусом ВУПГ, и тарой).

В любом случае плавка постоянным током существенно экономичнее, чем переменным, так как при постоянном токе работает чисто активная нагрузка R и весь ток от источника — греющий; при переменном токе для получения того же греющего тока необходимо большее напряжение источника, т.к. нагрузкой является полное сопротивление

где: L — индуктивность нагрузки, f — промышленная частота. Для ВЛ 300—500 кВ плавка переменным током технически труднореализуема в связи с большим потреблением мощности. Сравнение потребляемой мощности при плавке гололеда постоянным и переменным током на примере ВЛ Волгоградской области приведено в табл. 1.

Из таблицы видно, что чем мощнее ВЛ, которую необходимо освободить от гололедных отложений, тем выгоднее применение постоянного тока.

ОСОБЕННОСТИ ПЛАВКИ ГОЛОЛЕДА
НА ГРОЗОЗАЩИТНЫХ ТРОСАХ

Опыт эксплуатации ВЛ показывает, что тросы подвержены авариям от гололедообразования даже в большей степени, чем фазные провода, а обрыв троса выводит из работы всю ВЛ. Трудности плавки гололеда на тросах вызваны, в частности, и тем, что тросы большинства ВЛ имеют заземления на всех опорах или на их значительной части. Для создания контура плавки все заземления на гололедный сезон должны быть сняты. При этом требуется подвеска тросов на изоляторах класса напряжения, соответствующего напряжению источника плавки. Ежегодное проведение подобных мероприятий вызывает заметные технико-экономические трудности. Кроме того, по понятным причинам эксплуатационники часто настаивают на организации плавки троса без отключения соответствующей ВЛ. Тогда контур плавки, как правило, формируется с использованием «земли», что создает ряд дополнительных проблем. При плавке постоянным током возникающие значительные токи в «земле» влияют на работу РЗА. Использование высоковольтных обмоток трансформаторов для плавки тросов переменным током ведет к необходимости усиления изоляции подвески тросов и затем к изменению требований к опорам, вплоть до необходимости их замены. В результате в большинстве случаев не удается обеспечить плавку гололеда на тросах по всей их длине без отключения ВЛ (1). Как выход из положения рассматривается возможность отказа от грозозащитных тросов, функции которых по снижению грозовых перенапряжений возлагаются на ОПН, размещенные на опорах вдоль трассы ВЛ. Обоснование такой замены и методик выбора типа, количества и места установки ОПН приведено в литературе (3).

Особый случай — плавка гололеда на грозотросе, в котором проложен оптический кабель связи (ОКГТ). Максимально возможная температура нагрева оптического волокна (ОВ) в кабеле — 80—85°С. В случаях нагрева ОКГТ до температуры, превышающей допустимую рабочую температуру ОВ, производители не гарантируют его эксплуатационные характеристики, вплоть до полной необратимой потери пропускной способности. Поэтому для плавки на ОКГТ должны использоваться только ВУПГ с многофункциональной СУРЗА и связью с информационной системой контроля гололедообразования, что позволяет регулировать ток плавки в соответствии с температурой ОВ. Впервые плавка на ОКГТ при помощи ВУПГ-14/1000 была произведена НИИПТ на ПС «Бугульма» в сентябре 2009 года.

ПЛАВКА ГОЛОЛЕДА НА ВЛ 6—35 КВ

Проведенный НИИ постоянного тока предварительный анализ технологических сбоев в ряде регионов за 2009—2010 гг. показал, что на долю высоковольтных линий 110—500 кВ приходится менее 10% всех гололедно-ветровых аварий (хотя последствия аварий на крупных ВЛ разрушительны). Большинство проблем в региональных, муниципальных и сельских сетях напряжением 6—35 кВ. Ситуация особенно обострилась зимой 2010/2011 года, когда массовые отключения таких ВЛ произошли в центральных областях России, включая Московскую. Часть аварий не была связана с обледенением ВЛ непосредственно (узкие просеки вдоль ВЛ, падение деревьев), а часть определялась именно гололедноизморозевыми явлениями.

Сегодня не существует эффективных решений по противодействию гололедообразованию на низковольтных ВЛ. В последние годы с просьбой организовать недорогую систему плавки гололеда на ВЛ 6—10 кВ к нам обращались самые разные сетевые организации. При этом длины проводов, подлежащих плавке, колебались от 0,3 до 30 км. Чаще всего ВЛ 6—10 кВ прокладываются проводом АС-35, для которого ток плавки составляет 300 А. Напряжения источников постоянного тока плавки, необходимые для различных отрезков ВЛ, приведены в табл. 2.

Разнообразие местных ВЛ 6—10 кВ, их массовость и разветвленность ставят задачу разработки некоего типового оборудования, сравнительно недорогого и пригодного для массового применения. Понимая остроту проблемы, в ОАО «НИИПТ» в инициативном порядке были предприняты работы, которые показали, что задача может быть решена при помощи той или иной модификации мобильного устройства плавки гололеда (МУПГ).

Принципиально возможны две конструкции МУПГ — с собственным независимым источником питания (дизель-генератором) и с питанием непосредственно от сети (например, с распределительного пункта 6 или 10 кВ). В обоих случаях МУПГ должна быть установлена на транспортном средстве высокой проходимости.

Эскиз МУПГ мощностью до 10 МВт, питающейся от сети 6,3 кВ, показан на рис. 4.

Силовая часть, система управления и место для оператора размещены в стандартном транспортом контейнере. Все электротехническое и электронное оборудование имеет транспортное исполнение и рассчитано на работу при температуре окружающей среды до -40°С. Вес установки не более 5 т. Она может монтироваться на грузовом полуприцепе и транспортироваться любым тягачом. Ориентировочная стоимость автоприцепа — 800 тыс. руб., что составляет менее 10% полной стоимости всего оборудования ВУПГ.

В тех случаях, когда доступное сетевое питание для МУПГ отсутствует, возможно питать систему плавки гололеда от дизель-генератора. При этом необходимо заметить, что если ВЛ протяженна и для ее плавки требуется напряжение 10 кВ, то цена дизель-генератора (например, производства Cummins Inc., GB, мощностью 2,5 МВт и напряжением 11 кВ) не менее 600 тыс. долл., что существенно больше, чем полная стоимость оборудования ВУПГ. Вес такого дизеля — 17 т. Поэтому, по нашему мнению, вариант с высоковольтным двигателем не решает поставленной задачи. В случае коротких отходящих линий или возможности и желания службы эксплуатации распределительных сетей плавить гололед по отрезкам, проезжая вдоль ВЛ, можно использовать низковольтную МУПГ на базе широко распространенных и сравнительно недорогих дизелей напряжением 0,4 кВ стоимостью 500—800 тыс. руб. Плавку можно осуществлять как переменным, так и постоянным током. Длины проплавляемых отрезков ВЛ с проводом АС-35 приведены в табл. 3. Дизели могут быть сразу укомплектованы простыми диодными выпрямителями с естественным охлаждением. Ориентировочная цена — 20 тыс. рублей.

* * *

Опыт эксплуатации в осенне-зимний период ВЛ всех классов напряжения показал необходимость массового проведения мероприятий, препятствующих возникновению гололедно-ветровых аварий.

В настоящее время наиболее эффективным средством борьбы с гололедно-изморозевыми отложениями на ВЛ классов 110—500 кВ является плавка постоянным регулируемым током с помощью управляемых выпрямителей типа ВУПГ разработки ОАО «НИИПТ».

Гололедно-ветровые аварии на региональных, муниципальных и сельских сетях напряжением 6—35 кВ случаются чаще, чем на магистральных, но сегодня не существует общепринятых организационно-технических решений по противодействию им.

Возможное решение проблемы сетей 6—35 кВ — разработка и распространение мобильных устройств плавки гололеда различных типов (высоковольтных, низковольтных, с собственными независимыми источниками питания или без).

Плавка гололеда на грозозащитных тросах и ОКГТ часто требует сложных организационно-технических мероприятий, поэтому там, где это возможно, целесообразно заменять грозозащитные тросы на ОПН. Плавка на ОКГТ с учетом жесткого ограничения температуры оптоволокна должна проводиться только от ВУПГ, оснащенных гибкой многофункциональной системой управления, регулирования, защиты и автоматики.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гуревич М.К., Козлова М.А., Репин А.В., Шершнев Ю.А. Способы предотвращения аварий, вызванных гололедообразованием на проводах и грозозащитных тросах ВЛ. // Известия НИИ Постоянного тока, №64, 2010, стр. 235.
2. http://www.niipt.com/common/ products.php
3. Новикова А.Н., Шмараго О.В., Макашин Е.А. Эффективность схем грозозащиты ВЛ 110 кВ и выше с использованием ОПН: расчетные оценки и опыт эксплуатации. // Известия НИИ Постоянного тока, №63, 2008, стр. 136.