Линия электропередачи напряжением 500 кВ (стр. 2 из 16)
Уравнение баланса энергии (1.3) при нагреве сухого голого провода приведено далее
0,95I2R0(1+ρtп)τ = (СраРа+ СрстРст)(tп – tв) + εC0T4Sτ + 1,1
(tп – tв)τ (1.3)где I – сила тока; R0 – сопротивление провода при t = 0°С; коэффициент 0,95 учитывает, что фактические значения сопротивлений проволок в проводе имеют разброс в сторону меньших значений; р = 0,004031/°С - температурный коэффициент сопротивления алюминиевых проволок; tв - температура провода при отсутствии электрического тока, принимаемая равной температуре воздуха; tп - минимальная температура провода, необходимая для предотвращения гололедообразования; τ - время нагрева провода; (СраРа+ СрстРст)(tп – tв) - энергия, затраченная на нагрев провода до tп; εC0T4S - мощность излучения с поверхности провода, причем Т измеряется в Кельвинах (1 К = 273°С ± t); 1,1
(tп – tв) - потери мощности при вынужденной конвекции.Из уравнения (1.3) определяется время τ, необходимое для нагрева голого сухого провода до tn при температуре воздуха tв.
В дальнейшем расчеты выполнены для провода АС 120/19.
Результаты расчетов для провода АС 120/19 при условиях tn = +2°С, tв = - 5°С, V=2м/с, V=5м/с, V=10м/c приведены в приложении 1(табл. П1.1.).
Как следует из результатов расчета, для голого провода АС 120/19 при его нагреве от -5°С до +2°С изменение скорости ветра по трассе ВЛ существенно влияет на возможность предотвращения гололедообразования.
Из уравнения (1.3) при t=∞ вычисляются значения температуры tn в установившемся режиме для сухого голого провода АС 120/19 при tв = -5°С. Результаты в приложении 1(табл. П1.2).
Из результатов расчета tn, приведенных в табл. 1.2 для провода АС 120/19, следует, что наиболее устойчиво можно осуществить предотвращение гололедообразования при расчетном ветре 2 м/с. В случае увеличения скорости ветра до 10 м/с по трассе ВЛ остановить процесс гололедообразования можно при нагреве провода током >400А. Мощность, необходимая для нагрева провода АС 120/19 до tn = +2°C электрическим током 400 А, минимальна и составляет 34,8 кВт/км, а при 500 А - около 55 кВт/км.
Баланс энергии в режиме непрерывной плавки гололеда цилиндрической формы для удаления его с провода ВЛ в заданный отрезок времени. Удаление гололеда с провода ВЛ состоит из двух стадий переходного во времени процесса. На первой стадии после включения электрического тока происходит нагрев провода. Температура провода со временем увеличивается от tB до t0= 0°С, при которой начинает плавиться лед. На второй стадии, когда провод нагрет до t0 = 0°C, сверху на границе провод - гололед цилиндрической формы начинает плавиться лед и продолжается нагрев гололеда до установившегося значения t1.
Баланс энергии в режиме непрерывной плавки для удаления гололеда в заданный отрезок времени определяется следующим уравнением:
0,95I2R0τ = Срл Gн(t0 – t1)/2 + Срл Jпл(t0 – tв) + Jпл +
+ εC0T4Sτ + 1,1
(t1 – tв) (1.4)где Gн – плотность гололеда; Jпл – вес 1 м расплавляемого гололеда; Спл – скрытая теплота плавления гололеда; Срл – удельная теплоемкость гололеда.
По уравнению (1.4) выполнены расчеты значений электрического тока, необходимых для удаления гололеда и изморози, при заданных временах удаления гололеда 15, 30, 45 и 60 мин для провода марки АС 120/19 при различных сочетаниях погодных условий (температура воздуха, скорость ветра, ветер направлен нормально оси ВЛ).
Анализ расчетов показывает, что в целях экономии электроэнергии необходимо плавить гололед небольших размеров при минимальном времени плавки. Такое решение существенно повышает надежность электроснабжения по системам ВЛ.
Баланс энергии при удалении одностороннего гололедообразования. При температуре воздуха -2 – 0°С гололед образуется с наветренной стороны провода.
Электрические токи в проводах ВЛ при нормированной плотности в зимних условиях ночью нагревают провод не более чем на 0,5°С, поэтому при отрицательной температуре воздуха, если своевременно не воспользоваться достаточным предупредительным нагревом провода ВЛ, при погодных условиях, соответствующих гололедообразованию, на проводе начинает образовываться гололед, толщина стенки которого увеличивается навстречу ветру.
При расчетах токов для удаления одностороннего гололеда толщиной стенки 1 - 2 см необходимо знать время нагрева провода до tп = 0°C и время, необходимое для плавления тонкого слоя льда толщиной 1-1,5 мм. После плавления тонкого слоя льда односторонний гололед упадет под действием собственного веса. Поскольку плавка гололеда не начнется до того, как провод нагреется до 0°С, то надо отдельно рассматривать:
процесс нагрева провода до 0°С при наличии на нем одностороннего гололеда;
процесс плавки гололеда, когда на границе гололед - провод температура не изменяется.
Процесс нагрева провода до 0°С на границе односторонний гололед - провод. Удаление одностороннего гололеда должно выполняться при нагреве провода током более 1 кА в течение нескольких секунд. За несколько секунд температура t1 на наружной поверхности гололеда изменится так мало, что можно пренебречь при расчетах потерями энергии на конвекцию с поверхности гололеда. В результате приближенное уравнение баланса энергии при нагреве провода с односторонним гололедом имеет следующий вид:
0,95I2R0τ = (СраРа+ СрстРст)(tп – tв) + 0,5·1,1
(tп – tв)τ (1.5)где 0,5·1,1
(tп – tв)τ – затраты энергии на конвекцию с поверхности голого провода.Из уравнения (1.5) определяется время τ, необходимое для нагрева провода до 0°С.Расчеты показывают, что при токах в диапазоне 3000 А - 8000 А время нагрева провода до 0°С составляет доли секунды. Для нагрева провода до 0°С необходима мощность при коротком замыкании до 14,5 тыс. кВт/км провода. При этом затраты энергии составляют не более 0,5 кВт-ч/км провода.
Удаление одностороннего гололеда с проводов ВЛ. Многообразны условия нагрева и теплоотдачи при одностороннем гололедообразовании на проводе ВЛ. Для решения вопроса об удалении одностороннего гололеда с проводов ВЛ необходимо применять условные модели теплоотдачи с поверхностей голого провода и одностороннего отложения гололеда.
Основная идея заключается в том, что потери энергии на конвекцию с поверхности голой части провода, экранированного односторонним гололедом, рассчитываются, как это сделано в уравнении (1.3), с учетом коэффициента 0,5, а потери энергии на нагрев и плавление слоя гололеда с наветренной стороны рассчитываются по уравнению (1.6) с учетом специфики плавления тонкого слоя одностороннего льда
0,95I2R0τ = СрлJ’пл(– tв) +СплJ’пл + 0,5·1,1
( – tв/2)τ (1.6)где J’пл – вес слоя гололеда толщиной 1 – 1,5 мм на длине 1 м.
Удаление одностороннего гололеда предусматривает нагрев провода током с последующим плавлением тонкой пленки льда на границе провод - гололед, который под действием собственного веса должен падать.
Задача сводится к определению затрат времени, необходимых для плавления пленки гололеда толщиной 1 — 1,5 мм на границе провод - гололед. Провод предварительно будет нагрет до t0 = 0°С, когда происходит плавление гололедной пленки с последующим опаданием гололедного отложения.
Из уравнения (1.6) определяется время τ, необходимое для плавления одностороннего гололедообразования.
Из полученных результатов следует, что наиболее приемлемый диапазон электрических токов находится в пределах 5000 - 8000 А. В этом случае время плавки гололеда (с учетом времени нагрева провода) находится в пределах 3,42 - 1,05 с. Необходимая мощность от 5,6 до 14,5 тыс. кВт/км провода. Затраты электроэнергии на нагрев провода и плавление гололеда не более 4,24 кВт-ч/км провода.
Сравнение эффективности способов удаления гололедообразований. Выполненные расчеты позволяют сравнить эффективность рассмотренных способов удаления гололедообразований на проводах ВЛ.
Результаты расчетов сведены в табл. П1.3 (приложение 1).
Как видно из данных табл. П1.3., способ удаления одностороннего гололедообразования - наиболее эффективный по затратам как времени, так и электроэнергии. Этот способ дает возможность в течение одного рабочего дня удалить гололед поочередно на всех ВЛ на территории, где гололедные нагрузки увеличиваются интенсивнее, чем в других частях энергосистемы, и могут быть опасны для прочности ВЛ. Применимость данного способа зависит от технических возможностей в энергосистеме.
Выводы: вопрос о повышении надежности ВЛ при воздействиях атмосферных нагрузок достаточно актуален. В данной главе рассмотрены две статьи на эту тему. В первой поднята проблема о превышении нормативных гололедных нагрузок и уточнена методика определения атмосферных нагрузок по региональным картам [1]. Во второй статье предложены уравнения для определения токов и времени плавки гололеда на проводах ВЛ и сделаны выводы о наиболее эффективных способах удаления гололедообразований [2].