Приведенные выражения позволяют рассчитывать температуру провода при известных токовой нагрузке и погодных условиях, а также допустимую токовую нагрузку при заданной допустимой температуре провода.
Вторая задача - определение допустимой температуры провода. Необходимо различать максимально допустимую температуру провода по условиям сохранения механической прочности проводов и допустимую температуру по условию соблюдения допустимых габаритов в местах пересечения воздушных линий с автомобильными и железными дорогами, различными препятствиями и другими ВЛ. Допустимые габариты определяются ПУЭ-7, гл. 2.5.
Важно правильно установить максимально допустимую температуру провода, так как это определяет резерв повышения пропускной способности линий электропередачи. Например, увеличение допустимой температуры провода с 70 °С до 75 °С для ВЛ 220 кВ с проводом АС-300 позволило бы дополнительно пропускать по линии до 16 МВ-А мощности. При увеличении допустимой температуры до 90 °С дополнительная мощность составляет примерно 60 МВ-А; при 100 °С - 85 МВ-А.
В настоящее время длительно допустимая температура провода принята равной 70 °С, а в аварийном режиме допустимая токовая нагрузка может быть увеличена на 20 %, однако при этом делается оговорка, что необходимо знать текущее состояние линии. Но так как выполнить диагностику ВЛ практически сложно, то нет возможности применения на практике повышения допустимой нагрузки в аварийном режиме.
Исследования, проведенные еще 50 лет назад, показали, что температура 70 °С, особенно для сталеалюминиевых проводов, является заниженной. Заметное снижение прочности и модуля упругости алюминиевых и сталеалюминиевых проводов начинается с температуры примерно 150 °С. Поэтому для сталеалюминиевых проводов более оправданной является максимально допустимая температура 100 °С, а для алюминиевых и медных -90 °С. На сессии СИГРЕ также рекомендовано принимать максимальную температуру сталеалюминиевого провода равной 100 °С.
Зажимы при их удовлетворительном состоянии имеют температуру существенно ниже температуры провода, если же наблюдается повышенный нагрев соединения, его надо немедленно заменять. Особенно это касается гололедных районов и линий, на которых организована плавка гололеда. Иначе может произойти отгорание провода в зажиме при токах плавки гололеда, плавка не состоится и линия может быть разрушена. Диагностика слабых мест на ВЛ может производиться с помощью тепловизора. Наиболее эффективно выполнять диагностику при проведении пробной плавки гололеда на ВЛ перед гололедным периодом. Это мероприятие важно не только для зимнего периода, но и для обеспечения нормальной работы ВЛ в период максимальной температуры воздуха.
Для расчета допустимой температуры провода, исходя из условия нарушения допустимых габаритов, разработан алгоритм, позволяющий рассчитывать стрелы провеса и напряжение в проводе при различных погодных условиях, в том числе для линий, проходящих в горной местности с разной высотой подвеса провода. По ГОСТ 839-80 определяется нагрузка от собственного веса провода Рр кг. Механическое напряжение в проводе при заданных условиях определяется для анкерного пролета с разными длинами пролетов в пересеченной местности, исходя из уравнения состояния провода по уравнению:
(1.4)
где - площадь поперечного сечения провода, мм2; а - механическое напряжение в проводе, кг/мм2; о , Р , Ф - расчетные параметры; "б- - измеренная или заранее рассчитанная температура провода, °С; о^ - коэффициент температурного расширения, 1/К; / - приведенная длина анкерного пролета, м; Р - приведенный коэффициент упругого удлинения провода.
Для определения расчетных параметров должны использоваться паспортные данные линии. Если есть опасение, что в проводе произошла остаточная деформация в результате действия нагрузок, выше нормативных, или старения, необходимо или менять провод, или пересматривать допустимую нагрузку на него с учетом замеров реальных стрел провеса.
Зная стрелу провеса и высоту подвеса провода, можно определить габарит и допустимость работы ВЛ в заданном режиме.
Необходимо обратить внимание, что расчеты производятся для провода с токовой нагрузкой. В уравнение (4) в отличие от существующих методик расчета механического напряжения в проводе и допустимой температуры подставляется предварительно рассчитанная или измеренная температура провода, а не температура воздуха.
Описанный алгоритм позволяет рассчитывать габарит, стрелу провеса, механическое напряжение в проводе при заданной токовой нагрузке и различных погодных условиях, в том числе при гололедно-ветровых нагрузках. Используя уравнения (1.1) и (1.4), численными методами можно решить и обратную задачу расчета температуры и токовой нагрузки при условии сохранения допустимого габарита.
Третья задача - управление энергосистемой с целью недопущения перегруза линий.
По мнению авторов, чтобы более четко регламентировать действия линейного и оперативного персонала при возникновении опасности перегруза линий, необходимо различать следующие режимы: нормальный, утяжеленный и аварийный по токовой перегрузке.
Нормальным режимом в данном случае является режим, при котором температура провода не превышает длительно допустимой температуры 70 °С и допустимой температуры по условию сохранения габаритов.
Утяжеленным режимом является режим, при котором температура провода выше 70 °С, но ниже максимально допустимой температуры 100 °С (90 °С) по условиям механической прочности и допустимой температуры по условию сохранения габаритов. В этом режиме токовые нагрузки превышают экономическую плотность тока, поэтому он характеризуется пониженным уровнем напряжений и увеличенными потерями. Хотя режим может быть довольно длительным, персонал должен предпринимать действия по разгрузке линии, по возможности используя режимные мероприятия, не связанные с ограничением нагрузки потребителей, и, если это необходимо, вводить режим ограничения.
Аварийный режим по токовой перегрузке определяется условием: температура провода превышает 100 °С (90 °С) или допустимую по условию сохранения габаритов или гололедная нагрузка превышает допустимую. В этом случае необходимо выполнить автоматическое отключение нагрузки устройствами САОН или организовать мероприятия по борьбе с гололедом. Температура провода ни в коем случае не должна превысить 130 °С. Устройства защиты от перегрузки могут выполняться многоступенчатыми с одной уставкой по току и несколькими уставками по времени, что позволяет отключить столько нагрузки, сколько необходимо в заданном режиме. Уставка по току может быть заранее рассчитана при отсутствии ветра и при максимальной температуре воздуха, а может изменяться динамически при изменении погодных условий, для чего необходимо наличие датчиков температуры воздуха и скорости ветра.
При расчете уставок по времени необходимо учитывать динамику изменения температуры провода при различных возможных перегрузках. Нами разработан алгоритм расчета изменения температуры провода и стрелы провеса во времени. Для этого уравнение (1) записывается в дифференциальной форме, и расчет ведется методами численного интегрирования.
Защита от токовой перегрузки ВЛ не требует особого быстродействия автоматики, так как нагрев провода - процесс довольно длительный. На рисунке представлены расчетные кривые изменения температуры провода АС-120 при различных нагрузках. При скорости ветра 0,6 м/с, температуре воздуха +25 °С и токе /, превышающем длительно допустимый 367 А в 1,57 раза, продолжительность нагрева провода от длительно допустимой температуры провода 70 °С до аварийно допустимой температуры 100 °С составляет примерно 4 мин; при двойной перегрузке 738 А - примерно 1,5 мин. При увеличении скорости ветра увеличивается максимально допустимый ток и скорость нагрева увеличивается.
Расчет произведен по разработанной и прошедшей апробацию программе «Мониторинг ВЛ». Программа позволяет рассчитывать допустимую токовую нагрузку и температуру провода при различных погодных условиях, в том числе, с учетом солнечной радиации, стрел провеса и механического напряжения в проводе с учетом реальной температуры провода с токовой нагрузкой на ВЛ, проходящих, в том числе, по пересеченной и горной местности. Программа позволяет рассчитывать изменение температуры провода и стрел провеса в динамике и тем самым определять допустимую продолжительность работы ВЛ при возникновении перегрузки проводов. Программа может использоваться для расчета времени плавки гололеда в повторно-кратковременных режимах токами, значительно превышающими допустимые. При этом следует учитывать, что при значительных гололедных нагрузках использование повторно-кратковременных режимов опасно. При резких сбросах нагрузки может произойти разрушение линии от динамических воздействий.
Методика основана на исследованиях ВНИИЭ, ЦНИЭЛ, МЭИ, НПИ, РИИЖТ, проводившихся с 1947 г. по настоящее время. Программа проходила испытания в 1998-2002 гг. при проведении пробных плавок в МЭС Юга на ВЛ 330-500 кВ, отходящих от ПС «Буденновск» и ПС «Машук». При проведении пробных плавок проводились измерения токовой нагрузки и температуры провода с помощью тепловизора в различные моменты времени. Результаты испытаний показали хорошее совпадение расчетных и измеренных параметров. Результаты расчетов по программе хорошо согласуются с существующими справочными данными и методическими указаниями по определению допустимой токовой нагрузки.
Программа использовалась Кубанским РДУ при определении допустимой токовой нагрузки и введении ограничений по мощности и получила хорошую оценку. 26 августа при температуре воздуха 37 °С аварийно отключилась ВЛ 220 кВ «Краснодарская ТЭЦ-Восточная-Кирилловская», что вызвало перегруз оставшейся ВЛ 220 кВ «Афипская-Крымская» (ток по линии составил 660 А при допустимом токе, рассчитанном по программе «Мониторинг ВЛ», равном при этих условиях 585 А). Кубанское РДУ, используя программу, произвело отключение нагрузки.
1.Повышение нагрузочной способности воздушных линий с целью сокращения ограничения потребления электроэнергии возможно на основе:
♦ контроля температуры провода;
♦ определения допустимой температуры провода и допустимых гололедно-ветровых нагрузок;
♦ управления режимом сети с учетом возможности перегрузки ВЛ при заданных условиях.
2.Для непрерывного контроля температуры провода необходимо использование специальных датчиков с передачей информации диспетчеру. Косвенный контроль температуры осуществляется по разработанному нами алгоритму с использованием информации о метеорологических параметрах в контрольных точках.
3.Допустимую температуру провода по условию механической прочности для сталеалюминие-вых проводов рекомендуется принимать равной 100 °С. Допустимая температура по условию сохранения допустимых габаритов ВЛ должна рассчитываться с учетом реальной токовой нагрузки ВЛ и климатических параметров.
