Способ согласования четырехпроводной несимметричной высоковольтной линии электропередачи с электрической нагрузкой

Способ согласования четырехпроводной несимметричной высоковольтной линии электропередачи с электрической нагрузкой

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при проектировании, монтаже, наладке и эксплуатации четырехпроводных линий электропередачи (ЛЭП) высокого напряжения, при передаче электрической энергии по проводам четырехпроводной линии электропередачи от источника питания к потребителю.

Передача электрической энергии среднего класса напряжения осуществляется по воздушным линиям электропередачи четырехпроводного исполнения традиционно протяженностью не более 50 км. Для таких ЛЭП теория длинных линий может быть применена лишь при передаче электроэнергии повышенной частоты. Передача этой энергии обеспечивается четырьмя парами волн электромагнитного поля: четырьмя падающими и четырьмя отраженными [1, 2].

В результате согласования ЛЭП с электрической нагрузкой пропускная способность линий электропередачи повышается за счет исключения отраженных волн электромагнитного поля. 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 и в месте где расположен источник питания электрической энергии.

Известно условие согласованного режима работы однопроводной ЛЭП [2], обусловленное дифференциальным уравнением второго порядка [2-6], на основании которого работает устройство [патент RU 2390924] для согласования однопроводной высоковольтной ЛЭП. Однако, согласование несимметричной четырехпроводной ЛЭП, описываемой математической моделью и характеристическим уравнением восьмого порядка, с электрической нагрузкой не может быть достигнуто в результате реализации одного лишь этого условия [2] из-за специфичности распространения напряжений и токов по четырехпроводной ЛЭП [1].

Известны способы согласования линий связи с нагрузкой [7, патент RU 2381627]. Однако применяемые здесь технические элементы, такие как дифференциальный усилитель, дифференциальные резисторы предназначены для работы в ЛЭП лишь низкого напряжения. Это значит, что специфика реализации способов [7, патент RU 2381627] достаточно своеобразна и неприменима в протяженных линиях электропередачи среднего класса напряжения [ГОСТ Р 54149-2010].

Задача изобретения - формирование способа согласования однородной несимметричной четырехпроводной ЛЭП с электрической нагрузкой.

Технический результат заключается в обеспечении условий согласования для всех линейных проводов и нейтрального провода, однородной несимметричной

четырехпроводной высоковольтной линии электропередачи, с электрической нагрузкой, выполнение которых обеспечит уменьшение потерь электрической энергии, повышение пропускной способности линии, уменьшение степени искажения кривых напряжения и тока.

Технический результат достигается тем, что способ согласования четырехпроводной несимметричной высоковольтной линии электропередачи с электрической нагрузкой, заключающийся в том, что исходная информация о напряжениях, токах и их частоте в линии через устройства сопряжения поступает в процессор, отличающийся тем, что в процессоре проверяются условия согласования четырехпроводной линии электропередачи с электрической нагрузкой для каждого линейного и нейтрального проводов, в результате сравнения действительного (присутствующего в реальном времени на объекте) и эталонного (определенного при помощи специализированной программы) значений сопротивлений нагрузки, напряжений в конце линии или токов, поступающих в нагрузку, формируются управляющие сигналы для корректирующих органов, в качестве которых использованы устройства РПН силовых трансформаторов без симметрирующих устройств, трехфазные или однофазные устройства, генерирующие ток и напряжение, такие как конденсаторные батареи, трехпроводная (без четвертого проводника от нейтрали источника питания и нагрузки) обобщенная нагрузка, имеющая в своем составе понижающий трансформатор, схема соединения первичной и вторичной обмотки которого «треугольник/звезда с выведенным нулевым проводом», фильтры высших гармонических составляющих токов и напряжений, активный фильтр с «плавающими» конденсаторами, выполненный для однопроводной линии.

Сущность изобретения поясняется схемами: на рис. 1 показан алгоритм согласования четырехпроводной несимметричной высоковольтной линии электропередачи (трех линейных и одного нейтрального проводов); на рис. 2 представлен алгоритм работы процессора; на рис. 3 в блоке А₁ выполняются логические операции для однопроводной линии, входящей в состав четырехпроводной несимметричной ЛЭП; на рис. 4 в блоке А₂ выполняются логические операции для следующего корректирующего органа; на рис. 5 показан алгоритм работы процессора по согласованию нейтрального провода N с электрической нагрузкой; на рис. 6 в блоке А₃ выполняются логические операции для нейтрального провода N; на рис. 7 показан алгоритм согласования четырехпроводной несимметричной высоковольтной линии электропередачи с электрической нагрузкой без применения симметрирующих устройств; на рис.8 показан алгоритм согласования четырехпроводной несимметричной высоковольтной линии электропередачи с электрической нагрузкой с учетом изменения схемы соединения первичной и вторичной обмотки трансформатора корректирующего органа «звезда/звезда» на «треугольник/звезду».

На рисунках показаны:

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

2 - трансформатор (Т1) с симметрирующим устройством, питающий несимметричную однородную ЛЭП напряжением 35кВ или меньше четырехпроводного исполнения (источник питания);

3 - устройства сопряжения ( ∑ i = 1 n Д 1 ) , каковыми являются датчики напряжения и тока, спектроанализаторы, частотомеры, установленные в начале ЛЭП напряжением 35 кВ или меньше;

4 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

5 - процессор (П);

6 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП);

7 - показывающий или самопишущий прибор (РО);

8 - несимметричная однородная ЛЭП напряжением 35 кВ или меньше четырехпроводного исполнения (ЛЭП 35 кВ ИЛИ МЕНЬШЕ 4-проводная);

9 - понижающий трансформатор (Т2(4)), с симметрирующим устройством, со схемой соединения первичной и вторичной обмоток: «звезда с выведенным нулевым проводом/звезда с выведенным нулевым проводом», напряжением 10 кВ/0,4 кВ;

10 - устройства сопряжения ( ∑ i = 1 n Д 2 ) , каковыми являются датчики напряжения и тока, спектроанализаторы, частотомеры, установленные на первичной стороне понижающего трансформатора 9 (Т2(4));

11 (Т3), 26 (Т4), 25 (Т5), 31 (Т7) - блоки понижающих трансформаторов, напряжением 220 В/12 В;

12 - корректирующий орган (КО2), такой как РПН понижающего трансформатора напряжением 10 кВ/0,4 кВ;

13 (VD1), 28 (VD2), 27 (VD3), 33 (VD4) - блоки преобразователей напряжений и токов, линейного провода А;

14 - корректирующий орган (КОн.), трехпроводная (без провода от нейтрали источника питания) обобщенная нагрузка;

15 - обобщенная электрическая нагрузка ( Z _ Н А Г Р . ) ;

16 - корректирующий орган (КОЗ), такой как реакторы и трехфазные или однофазные устройства, генерирующие ток и напряжение, такие как конденсаторные батареи;

17 - действительное обобщенное сопротивление нагрузки ( Z _ Н . А = U ˙ Н . А I ˙ 2 . А ) понижающего трансформатора 9 (Т2(4));

18 - эталонное обобщенное сопротивление нагрузки ( Z _ В О Л Н . А = U ˙ В О Л Н . А I ˙ 2 Н . А ) понижающего трансформатора 9 (Т2(4));

19 - действительные действующие значения напряжения нагрузки ( U ˙ Н . А ) , понижающего трансформатора 9 (Т2(4));

20 - действительные действующие значения тока нагрузки ( I ˙ 2 . А ) , понижающего трансформатора 9 (Т2(4));

21 - специализированная программа для прогнозирования величины основных характеристик электрической энергии в однородной несимметричной линии электропередачи четырехпроводного исполнения (FOUR-WIRE v. 1.00 (1)) для формирования нагрузки понижающего трансформатора 9 (Т2(4)), у которого схема соединения первичной и вторичной обмоток: «звезда с выведенным нулевым проводом/звезда с выведенным нулевым проводом», напряжением 10 кВ/0,4 кВ;

22 - эталонные величины токов ( I ˙ 2 Н . А ) понижающего трансформатора 9 (Т2(4));

23 - эталонные величины напряжений ( U ˙ В О Л Н . А ) , понижающего трансформатора 9 (Т2(4));

24 - логический блок (A₁);

29 - понижающий трансформатор (Т6(3)), схема соединения первичной и вторичной обмоток которого «звезда/звезда с выведенным нулевым проводом», напряжением 10 кВ/0,4 кВ;

30 - устройства сопряжения ( ∑ i = 1 n Д 3 ) , каковыми являются датчики напряжения и тока, спектроанализаторы, частотомеры, установленные на первичной стороне понижающего трансформатора 29 (Т6(3)), схема соединения обмоток которого «звезда/звезда с выведенным нулевым проводом»;

32 - корректирующий орган (КО4), такой как РПН понижающего трансформатора, напряжением 10 кВ/0,4 кВ;

34 - обобщенная электрическая нагрузка ( Z _ H ) корректирующего органа 14 (КОн.);

35 - корректирующий орган (КО5), такой как реакторы и трехфазные или однофазные устройства, генерирующие ток и напряжение, такие как конденсаторные батареи;

36 - устройства сопряжения ( ∑ i = 1 n Д 4 ) , каковыми являются датчики напряжения и тока, спектроанализаторы, частотомеры, установленные в конце четырехпроводной однородной несимметричной ЛЭП напряжением 35 кВ или меньше 8 (ЛЭП 35 кВ ИЛИ МЕНЬШЕ 4-проводная) до точки подключения корректирующего органа 14 (КОн.);

37 - логический блок (А₂) корректирующего органа 14 (КОн.);

38 - действительные действующие значения тока нагрузки понижающего трансформатора 29 (Т6(3)), умноженные на коэффициент состояния режима ( I ˙ A .2 = I ˙ 2 . A .1 ⋅ K u z ) ;

39 - действительные действующие значения тока нагрузки ( I ˙ 2 . A .1 ) , понижающего трансформатора 29 (Т6(3));

40 - действительные действующие значения напряжения нагрузки ( U ˙ H . A .1 ) понижающего трансформатора 29 (Т6(3));

41 - коэффициент состояния режима ((Kuz=1) или (Kuz=0)), равный единице в случае реализации заданной величины тока и напряжения четырехпроводной нагрузки понижающего трансформатора 9 (Т2(4)), питаемой от несимметричной однородной четырехпроводной линии 8 (ЛЭП 35 кВ ИЛИ МЕНЬШЕ 4-проводная) (рис.1), в противном случае имеет нулевое значение (Kuz=0);

42 - эталонные величины токов ( I ˙ 2 A . H = I ˙ 2 A . H .1 ⋅ K u z ) , понижающего трансформатора 29 (Т6(3)), умноженные на коэффициент состояния режима 41 ((Kuz=1) или (Kuz=0));

43 - эталонные величины напряжений ( U ˙ A . В О Л Н . = U ˙ А . В О Л Н .1 ⋅ K u z ) понижающего трансформатора 29 (Т6(3)), умноженные на коэффициент состояния режима 41 ((Kuz=1) или (Kuz=0));

44 - действующие действительные значения напряжения ( U ˙ A H ) , которые поступают на показывающий или самопишущий прибор 7 (РО);

45 - действующие действительные значения тока четырехпроводной нагрузки ( I ˙ A 2 ) , которые поступают на показывающий или самопишущий прибор 7 (РО);

46 - эталонное обобщенное сопротивление нагрузки ( Z _ A . В О Л Н = U ˙ A . В О Л Н I ˙ 2 A . H ) понижающего трансформатора 29 (Т6(3));

47 - действительные действующие значения напряжения нагрузки ( U ˙ A . H = U ˙ H . A .1 ⋅ K u z ) понижающего трансформатора 29 (Т6(3)), умноженные на коэффициент состояния режима;

48 - действительное обобщенное сопротивление нагрузки ( Z _ A . H = U ˙ H . A .1 ⋅ K u I ˙ 2 . A .1 ⋅ K z ) понижающего трансформатора 29 (Т6(3));

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

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

51 - эталонные величины токов ( I ˙ 2 . A . H .1 ) понижающего трансформатора 29 (Т6(3));

52 - эталонные величины напряжений ( U ˙ А . В О Л Н .1 ) понижающего трансформатора 29 (Т6(3));

53 - специализированная программа (FOUR-WIRE v. 1.00 (2)) для прогнозирования величины основных характеристик электрической энергии согласованной однородной несимметричной линии электропередачи четырехпроводного исполнения 8 (ЛЭП 35 кВ ИЛИ МЕНЬШЕ 4-проводная);

54 - трансформатор (Т1(8)) без симметрирующего устройства, питающий ЛЭП 8 (ЛЭП 35 кВ ИЛИ МЕНЬШЕ 4-проводная);

55 - понижающий трансформатор (Т2(9)) без симметрирующего устройства, схема соединения первичной и вторичной обмоток которого «звезда с выведенным нулевым проводом/звезда с выведенным нулевым проводом», напряжением 10 кВ/0,4 кВ;

56 - дополнительная ошибка по напряжению (ΔU_O), определяемая при помощи блока 10 ( ∑ i = 1 n Д 2 ) ;

57 - дополнительная ошибка по напряжению (ΔU_P), определяемая при помощи блока 30 ( ∑ i = 1 n Д 3 ) ;

58 - действительные значения частоты (f), токов и напряжений, определяемых при помощи 10 ( ∑ i = 1 n Д 2 ) ; 3 ( ∑ i = 1 n Д 1 ) ; 36 ( ∑ i = 1 n Д 4 ) и 30 ( ∑ i = 1 n Д 3 ) ;

59 - понижающий трансформатор (Т8(3)), схема соединения первичной и вторичной обмоток которого: «треугольник/звезда с выведенным нулевым проводом», напряжением 10 кВ/0,4 кВ;

60 - корректирующий орган (КО6) в виде фильтров высших гармонических составляющих токов и напряжений, такие как активные фильтры с «плавающими» конденсаторами [8], выполненные для однопроводной линии;

61 - действительные действующие значения напряжения в конце нейтрального провода N ( U ˙ H . N ) ;

62 - действительные действующие значения тока в конце нейтрального провода N ( I ˙ 2 . N ) ;

63 - действительное обобщенное сопротивление нейтрального провода N ( Z _ H . N = U ˙ H . N I ˙ 2 . N ) ;

64 - действующие действительные значения напряжения нейтрального провода N ( U ˙ N H ) , которые поступают на показывающий или самопишущий прибор 7 (РО);

65 - действующие действительные значения тока в нейтральном проводе , которые поступают на показывающий или самопишущий прибор 7 (РО);

66 - логический блок (A₃) алгоритма согласования нейтрального провода N;

67 - специализированная программа (FOUR-WIRE v. 1.00 (3)) для прогнозирования основных характеристик электрической энергии в согласованном нейтральном проводе N, входящем в состав однородной несимметричной линии электропередачи четырехпроводного исполнения 8 (ЛЭП 35 кВ ИЛИ МЕНЬШЕ 4-проводная);

68 - эталонные величины токов нагрузки ( I ˙ 2 H . N ) в нейтральном проводе N;

69 - эталонные величины напряжений нагрузки ( U ˙ В О Л Н . N ) в нейтральном проводе N;

70 - эталонное обобщенное сопротивление ( Z _ В О Л Н . N = U ˙ В О Л Н . N I ˙ 2 Н . N ) нейтрального провода N;

71 - дополнительная ошибка по напряжению (ΔU_N) алгоритма согласования нейтрального провода N.

Суть предлагаемой разработки заключается в реализации при помощи технических средств условий согласования линейных и нейтрального проводов, входящих в состав четырехпроводной несимметричной однородной высоковольтной линии электропередачи, с электрической нагрузкой [9], в формировании алгоритма обеспечения и стабилизации согласованного режима работы протяженной четырехпроводной ЛЭП.

Пусть будет необходимо выполнить согласование линейного провода A с электрической нагрузкой. Для линейных проводов B и C алгоритм согласования с электрической нагрузкой будет аналогичным за исключением величин обрабатываемых фазных напряжений, токов, сопротивлений, а также срабатывающих корректирующих органов.

На рис.1 показан алгоритм согласования четырехпроводной несимметричной высоковольтной линии электропередачи (трех линейных и одного нейтрального проводов). Здесь в качестве объекта согласования использована несимметричная однородная ЛЭП напряжением 35 кВ или меньше четырех проводного исполнения 8 (ЛЭП 35 кВ ИЛИ МЕНЬШЕ 4-проводная). Также использовано следующее электротехническое оборудование: трансформатор 2 (Т1) - трансформатор с симметрирующим устройством [10], питающий ЛЭП напряжением 35 кВ или меньше 8 (ЛЭП 35 кВ ИЛИ МЕНЬШЕ 4-проводная); трансформатор с симметрирующим устройством 9 (Т2(4)) и трансформатор 11 (Т3), 26 (Т4), 25 (Т5) - это две различные группы понижающих трансформаторов, которые могут иметь отличные друг от друга номинальные характеристики; блоки преобразователей 13 (VD1), 28 (VD2), 27 (VD3) - преобразователи тока и напряжения представляющие в данном случае обобщенную четырехпроводную электрическую нагрузку 15 ( Z _ Н А Г Р . ) . Блоки 9 (Т2(4)), 11 (Т3), 26 (Т4), 25 (Т5), 13 (VD1), 28 (VD2), 27 (VD3) и 15 ( Z _ Н А Г Р . ) образуют часть общего блока, полное сопротивление которого в случае реализации заданной величины тока и напряжения четырехпроводной нагрузки понижающего трансформатора 9 (Т2(4)) питаемой от несимметричной однородной четырехпроводной ЛЭП 8 (ЛЭП 35 кВ ИЛИ МЕНЬШЕ 4-проводная), определяется величиной 18 ( Z _ В О Л Н . А = U ˙ В О Л Н . А I ˙ 2 Н . А ) (рис.1), а в иных случаях - 17 ( Z _ Н . А = U ˙ Н . А I ˙ 2 . А ) . В данном случае полное сопротивление 18 ( Z _ В О Л Н . А = U ˙ В О Л Н . А I ˙ 2 Н . А ) является эталонной величиной, к которой должно стремиться действительное значение 17 ( Z _ Н . А = U ˙ Н . А I ˙ 2 . А ) . По достижении эталонной величины 18 ( Z _ В О Л Н . А = U ˙ В О Л Н . А I ˙ 2 Н . А ) начинает работать следующая часть алгоритма.

Блоки 9 (Т2(4)), 11 (Т3), 26 (Т4), 25 (Т5), 13 (VD1), 28 (VD2), 27 (VD3] и 15 ( Z _ Н А Г Р . ) образуют лишь часть общего блока. Трансформатор 9 (Т2(4)) имеет схему соединения «звезда» с выведенным нейтральным проводом для первичной и вторичной обмоток. Другую часть общего блока образуют трансформатор 29 (Т6(3)) обмотки которого соединены по схеме «звезда/звезда с выведенным нулевым проводом», блок понижающих трансформаторов 31 (Т7) напряжением 220 В/12 В, блок преобразователей 33 (VD4) - преобразователи тока и напряжения представляющих в данном случае обобщенную электрическую нагрузку 34 ( Z _ H ) . Блоки 29 (Т6(3)), 31 (Т7), 33 (VD4) и 34 ( Z _ H ) образуют часть общего блока, полное сопротивление которого участвует в согласовании линейных проводов несимметричной однородной четырехпроводной ЛЭП 8 (ЛЭП 35 кВ ИЛИ МЕНЬШЕ 4-проводная] с электрической нагрузкой.

Сопротивление согласованной однородной несимметричной четырехпроводной ЛЭП 35 кВ или меньше 8 (ЛЭП 35 кВ ИЛИ МЕНЬШЕ 4-проводная) определяется величинами 46 ( Z _ А . В О Л Н = U ˙ А . В О Л Н I ˙ 2 А . Н ) и 18 ( Z _ В О Л Н . А = U ˙ В О Л Н . А I ˙ 2 Н . А ) , а в иных случаях соответственно - 48 ( Z _ A . H = U ˙ H . A .1 ⋅ K u I ˙ 2 . A .1 ⋅ K z ) и 17 ( Z _ Н . А = U ˙ Н . А I ˙ 2 . А ) . В данном случае полные сопротивления 46 ( Z _ А . В О Л Н = U ˙ А . В О Л Н I ˙ 2 А . Н ) и 18 ( Z _ В О Л Н . А = U ˙ В О Л Н . А I ˙ 2 Н . А ) являются эталонными величинами, к которым должны стремиться соответственно действительные значения 48 ( Z _ A . H = U ˙ H . A .1 ⋅ K u I ˙ 2 . A .1 ⋅ K z ) и 17 ( Z _ Н . А = U ˙ Н . А I ˙ 2 . А ) в процессе исполнения предлагаемого алгоритма.

Основным блоком работы алгоритма согласования линейных проводов четырехпроводной однородной несимметричной ЛЭП 8 (ЛЭП 35 кВ ИЛИ МЕНЬШЕ 4-проводная) с электрической нагрузкой является процессор 5 (П) (рис.1), где выполняется анализ сведений: о состоянии обобщенного сопротивления нагрузки 17 ( Z _ Н . А = U ˙ Н . А I ˙ 2 . А ) или 18 ( Z _ В О Л Н . А = U ˙ В О Л Н . А I ˙ 2 Н . А ) (рис.2) понижающего трансформатора 9 (Т2(4)) (рис.1); о состоянии обобщенного сопротивления нагрузки 48 ( Z _ A . H = U ˙ H . A .1 ⋅ K u I ˙ 2 . A .1 ⋅ K z ) или 46 ( Z _ А . В О Л Н = U ˙ А . В О Л Н I ˙ 2 А . Н ) понижающего трансформатора 29 (Т6(3)). Эти сведения в процессор 5 (П) поступают от устройств сопряжения, каковыми являются датчики тока, напряжения и частоты 3 ( ∑ i = 1 n Д 1 ) , 10 ( ∑ i = 1 n Д 2 ) , 30 ( ∑ i = 1 n Д 3 ) и 36 ( ∑ i = 1 n Д 4 ) , где анализируемые характеристики электрической энергии доводятся до величин, воспринимаемых компьютерной техникой. Датчики 3 ( ∑ i = 1 n Д 1 )