Способ согласования несимметричной трехпроводной линии электропередачи с электрической нагрузкой на частотах явно выраженных гармонических составляющих токов и напряжений

Способ согласования несимметричной трехпроводной линии электропередачи с электрической нагрузкой на частотах явно выраженных гармонических составляющих токов и напряжений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при проектировании, монтаже, наладке и эксплуатации линий электропередачи (ЛЭП), при передаче электрической энергии к потребителю.

Передача электрической энергии по протяженным ЛЭП, а также электрической энергии повышенной частоты по сравнительно непротяженным ЛЭП обеспечивается: по одно- и двухпроводным ЛЭП одной парой волн электромагнитного поля (падающей и отраженной); по трехпроводным - тремя парами; по четырехпроводной - четырьмя и т.д. [1]. В результате согласования ЛЭП с электрической нагрузкой пропускная способность линий электропередачи повышается вследствие исключения отраженной волны. Кроме того, уменьшается степень искажения кривых напряжения и тока, увеличивается надежность функционирования электрического оборудования, нормализуется работа релейной защиты, автоматики и связи, улучшается экологическая обстановка в районе эксплуатации ЛЭП.

Известно условие согласованного режима работы однопроводной ЛЭП [2], на основании которого работает устройство [патент RU 2390924], где реализован согласованный режим работы однопроводной протяженной ЛЭП. Однако согласование несимметричной трехфазной трехпроводной высоковольтной ЛЭП не может быть обеспечено одним лишь этим условием согласованного режима [2] из-за специфичности распространения напряжений и токов по трехпроводным ЛЭП [3].

Известны способы согласования линий связи с нагрузкой [4]. Однако применяемые здесь технические элементы, такие как дифференциальный усилитель, не предназначены для работы на высоком напряжении (1 кВ и выше), а это значит, что специфика реализации способов [4] достаточно своеобразна и неприменима в протяженных линиях электропередачи высокого напряжения.

Задача изобретения - формирование способа согласования несимметричной трехфазной трехпроводной высоковольтной ЛЭП с электрической нагрузкой на частотах всех явно выраженных гармонических составляющих токов и напряжений.

Технический результат заключается в обеспечении условий согласования несимметричной трехфазной трехпроводной высоковольтной линии электропередачи (35 кВ и выше) с электрической нагрузкой на частотах всех ярко выраженных гармонических составляющих токов и напряжений, выполнение которых повлечет за собой снижение потерь электрической энергии, повышение пропускной способности линии, уменьшение степени искажения кривых напряжения и тока.

Технический результат достигается тем, что способ согласования несимметричной трехфазной трехпроводной высоковольтной линии электропередачи с электрической нагрузкой на частотах всех явно выраженных гармонических составляющих токов и напряжений, заключающийся в том, что исходная информация о напряжениях и токах в линии через устройства сопряжения или датчики поступает в процессор, отличающийся тем, что в процессоре проверяются поочередно условия согласования всех явно выраженных гармонических составляющих токов и напряжений несимметричной трехфазной трехпроводной линии электропередачи с электрической нагрузкой для каждого провода линии в результате сравнения действительного и эталонного значений сопротивлений нагрузки, напряжений в конце линии или токов, поступающих в нагрузку, и формируются управляющие сигналы для фильтров высших гармонических составляющих токов и напряжений различных модификаций и корректирующих органов, в качестве которых использованы устройства РПН силовых трансформаторов, или автотрансформаторы, или автоматизированные технологические комплексы, или накопители электроэнергии, или источники активной мощности.

Реализации изобретения предшествует операция выявления явно выраженных гармонических составляющих напряжения и тока. Эту операцию можно выполнить по алгоритму, предложенному в патенте RU 2262174 [5]. Пусть это будут (в качестве примера) одиннадцатая и тринадцатая гармоники.

Сущность изобретения поясняется схемами: на (рис. 1) показан алгоритм обеспечения и поддержания согласования трехпроводной неизолированной ЛЭП с электрической нагрузкой на частоте одиннадцатой гармоники; на (рис. 2) - для частоты тринадцатой гармоники; на (рис. 3) представлена схема алгоритма работы процессора для величин электрической энергии на частоте одиннадцатой и тринадцатой гармоник; на (рис. 4) показан алгоритм выполнения логической операции для величин электрической энергии на частоте одиннадцатой гармоники; на (рис. 5) показан алгоритм выполнения логической операции для величин электрической энергии на частоте тринадцатой гармоники.

На рисунках показаны:

1 - корректирующий орган, такой как РПН трансформатора (KO1);

2 - трансформатор, питающий ЛЭП напряжением 35 кВ или выше (Т1);

3 - устройства сопряжения, каковыми являются датчики тока и напряжения, спектрометр, установленные в начале ЛЭП напряжением 35 кВ или выше 8 (ЛЭП 35 кВ ИЛИ ВЫШЕ) и работающие на частоте одиннадцатой гармоники ( ∑ i = 1 n Д 1 ) ;

4 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

5 - процессор (П);

6 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП);

7 - показывающий или самопишущий прибор (РО);

8 - ЛЭП напряжением 35 кВ или выше (ЛЭП 35 кВ ИЛИ ВЫШЕ);

9 - блок фильтров высших гармонических составляющих на частоте одиннадцатой гармоники (Ф₁₁);

10 - понижающий трансформатор, напряжением 220 кВ/10 кВ (Т2);

11 - устройства сопряжения, каковыми являются датчики тока и напряжения, спектрометр, установленные в конце ЛЭП напряжением 35 кВ или выше 8 (ЛЭП 35 кВ ИЛИ ВЫШЕ) и работающие на частоте одиннадцати той гармоники ( ∑ i = 1 n Д 2 ) ;

3; 11 - устройства сопряжения, каковыми являются датчики тока и напряжения, спектрометр, установленные в начале ЛЭП напряжением 35 кВ или выше 8 (ЛЭП 35 кВ ИЛИ ВЫШЕ) и работающие на частоте одиннадцатой гармоники 3 ( ∑ i = 1 n Д 1 ) ; устройства сопряжения, каковыми являются датчики тока и напряжения, спектрометр, установленные в конце ЛЭП напряжением 35 кВ или выше 8 (ЛЭП 35 кВ ИЛИ ВЫШЕ) и работающие на частоте одиннадцатой гармоники 11 ( ∑ i = 1 n Д 2 ) ;

12 (Т5), 13 (Т4), 14 (Т3) - понижающие трансформаторы, напряжением 10 кВ/0,85 кВ;

15 - корректирующий орган (КО2), такой как РПН понижающего трансформатора напряжением 220 кВ/10 кВ, 10 (Т2);

16 (VD3), 17 (VD2), 18 (VD1) - преобразователи, выполненные в виде выпрямительных установок для электролизного завода, фаза А;

19 - корректирующий орган (КО3), такой как РПН понижающего трансформатора напряжением 10 кВ/0,85 кВ, 12-14 (Т5, Т4, Т3);

20 - обобщенная электрическая нагрузка на частоте одиннадцатой гармоники ( Z _ Н А Г Р .11 ) ;

21 - корректирующий орган (КО4), такой как система электролиза алюминия ТРОЛЛЬ;

22; 23 - обобщенное сопротивление нагрузки на частоте одиннадцатой гармоники 22 ( Z _ H . A = U ˙ H . A I ˙ . A ) ; согласованное обобщенное сопротивление нагрузки на частоте одиннадцатой гармоники 23 ( Z _ В О Л Н . A = U ˙ В О Л Н . А I ˙ 2 Н . A ) ;

22 - обобщенное сопротивление нагрузки на частоте одиннадцатой гармоники ( Z _ H . A = U ˙ H . A I ˙ . A ) ;

23 - согласованное обобщенное сопротивление нагрузки на частоте одиннадцатой гармоники ( Z _ В О Л Н . A = U ˙ В О Л Н . А I ˙ 2 Н . A ) ;

24 - устройства сопряжения ( ∑ i = 1 n Д 3 ) , каковыми являются датчики тока и напряжения, спектрометр, установленные в начале ЛЭП напряжением 35 кВ или выше 8 (ЛЭП 35 кВ ИЛИ ВЫШЕ) и работающие на частоте тринадцатой гармоники;

25 - блок фильтров высших гармонических составляющих на частоте тринадцатой гармоники (Ф₁₃);

26 - устройства сопряжения ( ∑ i = 1 n Д 4 ) , каковыми являются датчики тока и напряжения, спектрометр, установленные в конце ЛЭП напряжением 35 кВ или выше 8 (ЛЭП 35кВ ИЛИ ВЫШЕ) и работающие на частоте тринадцатой гармоники;

24; 26 - устройства сопряжения 24 ( ∑ i = 1 n Д 3 ) , каковыми являются датчики тока и напряжения, спектрометр, установленные в начале ЛЭП напряжением 35 кВ или выше 8 (ЛЭП 35 кВ ИЛИ ВЫШЕ) и работающие на частоте тринадцатой гармоники; устройства сопряжения 26 ( ∑ i = 1 n Д 4 ) , каковыми являются датчики тока и напряжения, спектрометр, установленные в конце ЛЭП напряжением 35 кВ или выше 8 (ЛЭП 35 кВ ИЛИ ВЫШЕ) и работающие на частоте тринадцатой гармоники;

27 - обобщенная электрическая нагрузка на частоте тринадцатой гармоники ( Z _ Н А Г Р .13 ) ;

28; 29 - обобщенное сопротивление нагрузки на частоте тринадцатой гармоники 28 ( Z _ A . H = U ˙ H . A .1 ⋅ K U I ˙ 2 . A .1 ⋅ K Z ) , согласованное обобщенное сопротивление нагрузки на частоте тринадцатой гармоники 29 ( Z _ A . В О Л Н = U ˙ A . В О Л Н I ˙ 2 A . H ) ;

28 - обобщенное сопротивление нагрузки на частоте тринадцатой гармоники ( Z _ H . A = U ˙ H . A .1 ⋅ K U I ˙ 2 . A .1 ⋅ K Z ) ;

29 - согласованное обобщенное сопротивление нагрузки на частоте тринадцатой гармоники ( Z _ A . В О Л Н = U ˙ A . В О Л Н I ˙ 2 A . H ) ;

30 - амплитудные значения напряжения нагрузки на частоте тринадцатой гармоники ( U ˙ H . A .1 ) ;

31 - амплитудные значения тока нагрузки на частоте тринадцатой гармоники ( I ˙ 2 . A .1 ) ;

32 - амплитудные значения напряжения нагрузки на частоте одиннадцатой гармоники ( U ˙ H . A ) ;

33 - амплитудные значения тока нагрузки на частоте одиннадцатой гармоники ( I ˙ 2 . A ) ;

34 - специализированная программа для прогнозирования величины основных характеристик электрической энергии в линии электропередачи трехпроводного исполнения на частоте одиннадцатой гармоники (LEP3 v.1.00 (1)) [6];

35 - величина тока, каким должна характеризоваться электрическая энергия, передаваемая по ЛЭП, согласованной с электрической нагрузкой на частоте одиннадцатой гармоники ( I ˙ 2 Н . A ) ;

36 - величина напряжения, каким должна характеризоваться электрическая энергия, передаваемая по ЛЭП, согласованной с электрической нагрузкой на частоте одиннадцатой гармоники ( U ˙ В О Л Н . А ) ;

37 - логический блок для одиннадцатой гармоники (А₁₁);

38 - определение разницы по сопротивлению ( Δ Z _ = Z _ H . A − Z _ В О Л Н . A ) ;

39 - определение разницы по напряжению ( Δ U ˙ = U ˙ H . A − U ˙ В О Л Н . А ) ;

40 - коэффициент состояния режима, в случае если равен единице, значит, реализовано согласование ЛЭП трехпроводного исполнения с нагрузкой на частоте одиннадцатой гармоники, в противном случае этот коэффициент будет равен нулю ((Kuz=0) или (Kuz=1));

41 - амплитудные значения напряжения нагрузки на частоте тринадцатой гармоники ( U ˙ A . H = U ˙ H . A .1 ⋅ K u z ) ;

42 - амплитудные значения тока нагрузки на частоте тринадцатой гармоники ( I ˙ A .2 = I ˙ 2 . A .1 ⋅ K u z ) ;

43 - логический блок для тринадцатой гармоники А₁₃;

44 - специализированная программа для прогнозирования величины основных характеристик электрической энергии в линии электропередачи трехпроводного исполнения на частоте тринадцатой гармоники (LEP3 v.1.00 (2)) [6];

45 - величина тока, каким должна характеризоваться электрическая энергия, передаваемая по ЛЭП, согласованной с электрической нагрузкой на частоте тринадцатой гармоники ( I ˙ 2 A . H .1 ) ;

46 - величина напряжения, каким должна характеризоваться электрическая энергия, передаваемая по ЛЭП, согласованной с электрической нагрузкой на частоте тринадцатой гармоники ( U ˙ A . В О Л Н .1 ) ;

47 - величина тока, каким должна характеризоваться электрическая энергия, передаваемая по ЛЭП, согласованной с электрической нагрузкой на частоте тринадцатой гармоники ( I ˙ A A . H = I ˙ 2 A . H .1 ⋅ K u z ) ;

48 - величина напряжения, каким должна характеризоваться электрическая энергия, передаваемая по ЛЭП, согласованной с электрической нагрузкой на частоте тринадцатой гармоники ( U ˙ A . В О Л Н = U ˙ A . В О Л Н .1 ⋅ K u z ) .

Суть предлагаемой разработки заключается в реализации при помощи технических средств условий согласования несимметричной трехфазной трехпроводной высоковольтной линии электропередачи с электрической нагрузкой [7-10], в формировании алгоритма обеспечения и поддержания согласованного режима работы протяженной несимметричной трехфазной трехпроводной ЛЭП для всех явно выраженных гармонических составляющих токов и напряжений. Условия согласования несимметричной трехфазной трехпроводной высоковольтной ЛЭП с электрической нагрузкой следует определять для каждого провода ЛЭП.

Пусть будет необходимо выполнить согласование фазы А с электрической нагрузкой на частоте одиннадцатой и тринадцатой гармонической составляющей тока и напряжения. Для фаз В и С алгоритм согласования с электрической нагрузкой будет аналогичным.

На (рис. 1) и (рис. 2) показан алгоритм обеспечения и поддержания согласования несимметричной трехфазной трехпроводной неизолированной ЛЭП с электрической нагрузкой соответственно на частоте одиннадцатой и тринадцатой гармоники. Здесь в качестве объекта согласования использована ЛЭП напряжением 35 кВ или выше 8 (ЛЭП 35 кВ ИЛИ ВЫШЕ). Кроме того, реализовано использование следующего электротехнического оборудования: трансформатора 2 (Т1), питающего ЛЭП напряжением 35 кВ или выше 8 (ЛЭП 35 кВ ИЛИ ВЫШЕ); блоки фильтров 9 (Ф₁₁) и 25 (Ф₁₃) - высших гармонических составляющих токов и напряжений, представляющих собой отдельно, для каждой гармоники, действующие устройства и могут работать как на первичном напряжении трансформаторов: 14 (Т3), 13 (Т4), 12 (Т5), так и на вторичном напряжении этих же трансформаторов; 10 (Т2) и 14 (Т3); 13 (Т4); 12 (Т5) - две различные группы понижающих трансформаторов, имеющих отличные друг от друга номинальные характеристики; 18 (VD1); 17 (VD2); 16 (VD3) - группа преобразователей, выполненных в виде выпрямительных установок для электролизного завода, фаза A, представляющих в данном случае обобщенную электрическую нагрузку 20 ( Z Н А Г Р .11 ) _ (рис. 1), 27 ( Z Н А Г Р .13 ) _ (рис. 2). Блоки 10, 14, 13, 12 (Т2-Т5), 9 (Ф₁₁) (Рис. 1), 25 (Ф₁₃) (рис. 2), 18, 17, 16 (VD1-VD3) и 20 ( Z Н А Г Р .11 ) _ (рис. 1), 27 ( Z _ Н А Г Р .13 ) (рис. 2) образуют общий блок для каждой гармоники, полное сопротивление которого при достижении согласованного режима работы ЛЭП определяется величиной 23 ( Z _ В О Л Н . A = U ˙ В О Л Н . А I ˙ 2 Н . A ) (рис. 1) и 29 ( Z _ A . В О Л Н = U ˙ A . В О Л Н I ˙ 2 A . H ) (рис. 2), а в иных случаях для каждой гармоники - 22 ( Z _ H . A = U ˙ H . A I ˙ 2 . A ) (рис. 1) и 28 ( Z _ A . H = U ˙ H . A .1 ⋅ K U I ˙ 2 . A .1 ⋅ K Z ) (рис. 2). В данных случаях полное сопротивление 23 ( Z _ В О Л Н . A = U ˙ В О Л Н . А I ˙ 2 Н . A ) (рис. 1) и 29 ( Z _ A . В О Л Н = U ˙ A . В О Л Н I ˙ 2 A . H ) (рис. 2) являются эталонными величинами, к которым должны стремиться значения 22 ( Z _ H . A = U ˙ H . A I ˙ 2 . A ) (рис. 1) и 28 ( Z _ A . H = U ˙ H . A .1 ⋅ K U I ˙ 2 . A .1 ⋅ K Z ) (рис. 2) в процессе исполнения предлагаемого алгоритма.

Основным блоком работы алгоритма способа согласования трехпроводной ЛЭП с электрической нагрузкой является процессор 5 (П) (рис. 1) и (рис. 2), где выполняется анализ сведений о состоянии обобщенного сопротивления нагрузки 22 ( Z _ H . A = U ˙ H . A I ˙ 2 . A ) или 23 ( Z _ В О Л Н . A = U ˙ В О Л Н . А I ˙ 2 Н . A ) (рис. 1) и 28 ( Z _ A . H = U ˙ H . A .1 ⋅ K U I ˙ 2 . A .1 ⋅ K Z ) или 29 ( Z _ A . В О Л Н = U ˙ A . В О Л Н I ˙ 2 A . H ) (рис. 2). Эти сведения в процессор 5 (П) поступают от устройств сопряжения, каковыми являются датчики тока и напряжения, спектрометр 3 ( ∑ i = 1 n Д 1 ) и 11 ( ∑ i = 1 n Д 2 ) - на частоте одиннадцатой гармоники; датчики тока и напряжения, спектрометр 24 ( ∑ i = 1 n Д 3 ) и 26 ( ∑ i = 1 n Д 4 ) - на частоте тринадцатой гармоники, где анализируемые характеристики электрической энергии доводятся до величин, воспринимаемых компьютерной техникой. Датчики 3 ( ∑ i = 1 n Д 1 ) , 24 ( ∑ i = 1 n Д 3 ) устанавливаются и используются для сбора сведений о напряжениях и токах в начале исследуемой протяженной несимметричной трехфазной трехпроводной ЛЭП 8 (ЛЭП 35кВ ИЛИ ВЫШЕ), а датчики 11 ( ∑ i = 1 n Д 2 ) , 26 ( ∑ i = 1 n Д 4 ) - в конце этой линии электропередачи. В качестве датчиков 3 ( ∑ i = 1 n Д 1 ) , 11 ( ∑ i = 1 n Д 2 ) , 24 ( ∑ i = 1 n Д 3 ) и 26 ( ∑ i = 1 n Д 4 ) могут быть использованы трансформаторы напряжения и тока, спектрометры, а также делители напряжения и шунты переменного тока.

Аналого-цифровой преобразователь 4 (АЦП) (рис. 1) и (рис. 2) позволяет сформированные в датчиках 3 ( ∑ i = 1 n Д 1 ) , 11 ( ∑ i = 1 n Д 2 ) , 24 ( ∑ i = 1 n Д 3 ) и 26 ( ∑ i = 1 n Д 4 ) аналоговые сигналы преобразовать в дискретные. Цифроаналоговый преобразователь 6 (ЦАП) позволяет сформированные в виде дискретных сигналов в процессоре 5 (П) команды корректирующим органам 1 (КО1), 15 (КО2), 19 (КО3), 21 (КО4), 9 (Ф₁₁) (рис. 1) и 25 (Ф₁₃) (рис. 2) преобразовать в аналоговые. В данном случае в качестве корректирующих органов 1 (КО1), 15 (КО2) и 19 (КО3) использованы устройства РПН силовых трансформаторов, в качестве фильтрующих устройств: одиннадцатой гармоники 9 (Ф₁₁) (рис. 1) использованы фильтры, применяемые для минимизации лишь одной одиннадцатой гармонической составляющей тока и напряжения, фильтры тринадцатой гармоники 25 (Ф₁₃) (рис. 2) использованы для минимизации лишь одной тринадцатой гармонической составляющей тока и напряжения, а в качестве 21 (КО4) - система электролиза алюминия ТРОЛЛЬ [11, 12], накопители электроэнергии, источники активной мощности, такие как маломощные гидроэлектростанции или электростанции других типов, синхронные компенсаторы, позволяющие изменять величину полного сопротивления обобщенной нагрузки 22 ( Z _ H . A = U ˙ H . A I ˙ 2 . A ) (рис. 1) или 28 ( Z _ A . H = U ˙ H . A .1 ⋅ K U I ˙ 2 . A .1 ⋅ K Z ) (рис. 2) путем воздействия на технологический процесс. На (рис. 1) это сопротивление обозначено символом 20 ( Z _ Н А Г Р .11 ) , на (рис. 2) это сопротивление обозначено символом 27 ( Z _ Н А Г Р .13 ) .

Результаты действия описываемого алгоритма выводятся на показывающий или самопишущий прибор 7 (РО).

Схема алгоритма работы процессора 5 (П) для частот одиннадцатой, тринадцатой гармоник представлена на (рис. 3). Схема (рис. 3) достаточно проста: из 4 (АЦП) в процессор 5 (П) поступают амплитудные значения тока 33 ( I ˙ 2 . A ) и напряжения 32 ( U ˙ H . A ) нагрузки, затем определяется величина сопротивления 22 ( Z _ H . A = U ˙ H . A I ˙ 2 . A ) . Определенные таким образом величины 33 ( I ˙ 2 . A )