Компьютерное моделирование тросовой грозозащиты двухцепной ЛЭП класса напряжения 110 кВ в Simulink

П.В. Плехов, , А.В. Затонский, , И.С. Долгополов,

P.V. Plekhov, , Zatonskiy, , Dolgopolov,

Воздушные линии электропередачи (ВЛ) требуют защиты от грозовых перенапряжений [1, 2]. Одним из средств защиты от таких перенапряжений является грозозащитный трос. Несмотря на широко известные недостатки такого метода [3], он широко применяется на практике. Принятие решения об использовании именно грозотроса с учетом характеристик конкретной ВЛ кроме опыта использования может основываться на результатах моделирования линии [4]. В качестве инструмента для построения подобных моделей хорошо зарекомендовали себя разные модули (тулбоксы) среды MATLAB [5, 6], в частности Simulink [7].

Целью данной работы является анализ влияния проводника грозотроса на переходные процессы реальной двухцепной ВЛ. Для этого создадим в Simulink модель и проведем имитационный эксперимент из двух этапов:

1-й этап – моделирование двухцепной ВЛ 110 кВ без грозозащиты;

2-й этап – моделирование двухцепной ВЛ 110 кВ с грозозащитой по всей длине ВЛ.

Проанализируем влияние наличия грозотроса на переходные процессы ВЛ в разных режимах работы, также обратим внимание на взаимное влияние проводников разных цепей ВЛ. В процессе работы оценим эффективности выбранной конструкции опор и грозозащиты, чтобы исследо- вать возможность её применения.

Рассматриваемый участок сети электрических соединений 35–110 кВ (с объектами электроэнергетики) ПО БЭС филиала ОАО «МРСК Урала» – «Пермэнерго» расположен в Пермском крае и включает в себя:

• 1)    источник напряжения 110 кВ;

• 2)    выключатель 110 кВ;

• 3)    линию электропередачи (ЛЭП) 110 кВ;

• 4)    устройство искусственного создания короткого замыкания;

• 5)    выключатель 110 кВ;

• 6)    трансформаторную подстанцию ПС 110/35/6 кВ.

Анализ зарубежных [8, 9] и отечественных [10, 11, 12] источников показывает, что каждый элемент схемы в энергосистеме оказывает влияние на смежные элементы энергосистемы, поэтому важно исследовать эти явления. Это поможет откорректировать работу энергосистемы, найти слабые места или даже отказаться от применения выбранного способа грозозащиты [13].

Протяженность линии ВЛ 110 кВ Бумажная – Красновишерск составляет 96 км от г. Соликамска до г. Красновишерска Пермского края. На своем протяжении ВЛ имеет 3 отпайки: ПС Губдор, ПС Озерная, ПС Гежская. Линия электропередачи является двухцепной. Это означает что на одной опоре подвешиваются сразу две цепи ВЛ 110 кВ:

ВЛ 110 кВ Бумажная– Красновишерск I цепь;

ВЛ 110 кВ Бумажная– Красновишерск II цепь.

Материалы и методы

На всем протяжении линии преобладают опоры типа ПБ110-8. Именно их габаритные размеры будем использовать для расчета. Двухцепная промежуточная железобетонная опора ПБ110-8 предназначена для организации ВЛ по прямому участку. Внешний вид и габаритные размеры показаны на рис. 1.

Основные технические данные провода и грозотроса приведены в табл. 1.

Рис. 1. ПБ110-8

Fig. 1. PB110-8

Таблица 1

Table 1

Основные технические данные провода и грозотроса

Basic technical data of the wire and lightning protection cable

Наименование	Провод АС 150/19	Грозотрос ГТК 20- 0/90-12,1/104
Диаметр, мм	16,8	12,1
Площадь сечения алюминиевой части, мм2	147,78	0
Площадь сечения стальной части, мм2	18,81	86,34
Допустимый ток, А	450	–
Электрическое сопротивление 1 км провода постоянному току, Ом	0,2046	0,999

Из [10] следует, что T/D 0,5 задает сплошную жилу. Тогда подставим данные из табл. 1 в формулу:

- = 147,78 •0,5 = 0,44.

D 147,78 + 18,81

Согласно [14], возьмем среднее значение сопротивления заземляющего устройства порядка 15 Ом. Недостающие данные по расстояниям до мест подключения отпаек получены с помощью Google Earth (рис. 2).

При моделирования ВЛ 110 кВ учтем наличие горозотроса. Согласно схеме фазировки по опорам ВЛ 110 кВ, получим следующее расположение фаз на опоре в направлении от ПС Бумажная к ПС Красновишерск (рис. 3).

11,6    15    9,7

км км км

км

Рис. 2. Недостающие данные по расстояниям до мест подключения отпаек Fig. 2. Missing data on the distances to the connection points

X2=-3.5 м x=° X4=+2 м

Рис. 3. Расположение фаз двух цепной ВЛ 110 кВ на опоре Fig. 3. The arrangement of phases of a double-chain 110 kV high-voltage line on the transmission tower

Тогда вставим все полученные данные в PowerGui вкладка Compute RLC Line Parameters [15], как показано это на рис. 4.

Модель участка сети 110 кВ, показанная на рис. 5, предназначена для проведения эксперимента по сценарию моделирования, указанному в табл. 2. Модель сложная, реализует работу трансформаторов и двух цепной ВЛ с нелинейными характеристиками, при различных режимах сети: холостой ход Т1(2), работа под нагрузкой, короткое замыкание. Правая часть модели реализует работу понижающей станции 110 кВ Красновишерск, далее ПС, согласно выданной фразировке на ПС выполнен «крест» (смещение фаз), это связано с конструктивными особенностями ПС. Данная модель в исследовательских целях выполнена без ограничителей перенапряжений, далее ОПН.

Рис. 4. Настройка виртуальной модели ВЛ 110 кВ вкладка Compute RLC Line Parameters Fig. 4. Setting up a virtual model of a 110 kV high-voltage line tab “Computer RLC Line Parameters”

Таблица 2

Сценарий моделирования

Table 2

Simulation scenario

Время, с	Обозначение	Наименование
0,05	QW1	Включается выключатель 110 кВ. Подается напряжение на ВЛ 110 кВ Бумажная – Красновишерск 1-я цепь. Линия устанавливается под напряжение
0,3	QW2	Включается выключатель 110 кВ. Подается напряжение на ВЛ 110 кВ Бумажная – Красновишерск 2-я цепь. Линия устанавливается под напряжение
0,5	QW3	Включается выключатель 110 кВ. Включается трансформатор Т1 на холостой ход
2,2	QW4	Включается выключатель 35 кВ. Включается нагрузка № 1 по стороне среднего напряжения, трансформатор Т1 выходит на максимальный рабочий режим
2,5	QW5	Включается выключатель 110 кВ. Включается трансформатор Т2 на холостой ход
4,2	QW6	Включается выключатель 35 кВ. Включается нагрузка № 2 по стороне среднего напряжения, трансформатор Т2 выходит на максимальный рабочий режим
4,5–4,6	КЗ1	Создается однофазное короткое замыкание на землю на 86 км на фазе A ВЛ 110 кВ цепь 1
4,8–5,0	КЗ2	Создается двухфазное короткое замыкание на землю на 60 км ВЛ 110 кВ цепь 1 на фазах А и В
5,1–5,25	КЗ3	Создается двухфазное короткое замыкание на землю на 60 км ВЛ 110 кВ цепь 2 на фазах В и С

Обсуждение

Сценарий моделирования приведен в табл. 2. Сценарий одинаков как для ВЛ без грозотроса, так и для ВЛ с грозотросом.

Осциллограммы токов и напряжений ВЛ 110 кВ Бумажная – Красновишерск цепь 1 и 2 показаны на рис. 6. Из осциллограмм следует, что практически любые изменения тока на ВЛ 110 кВ цепь 1 приводят к небольшому изменению напряжений и токов на ВЛ 110 кВ цепь 2.

Рис. 6. Осциллограммы токов и напряжений ВЛ 110 кВ Бумажная – Красновишерск цепь 1 и 2 Fig. 6. Oscillograms of currents and voltages of the 110 kV high-voltage line Bumazhnaya – Krasnovishersk circuit 1 and 2

Результаты

Во втором этапе эксперимента изменим настройки блока ВЛ, добавим в настройки грозотрос, как это показано на рис. 4. Сведем полученные данные в табл. 3.

Таблица 3

Данные двух этапов эксперимента

Table 3

Data from two stages of the experiment

Наименование	Ток, А		Отклонение, %
	Модель без грозотроса	Модель с грозотросом на 100 % длины
ВЛ цепь 1 без нагрузки	35,9	36,1	0,557
Бросок тока намагничивания Т1	390	393	0,769
ВЛ цепь 1 с нагрузкой	195,6	196,5	0,460
ВЛ цепь 1 при КЗ	1353	1353,5	0,037
ВЛ цепь 2 без нагрузки	36,2	36,4	0,552
Бросок тока намагничивания Т2	393,8	394,2	0,102
ВЛ цепь 2 с нагрузкой	191,8	192,4	0,313
ВЛ цепь 2 при КЗ	1200,4	1201,4	0,083

Заключение

Анализ изменения токов и напряжений осциллограммы на рис. 6, полученных в процессе моделирования (см. табл. 2), доказал, что любые изменения на одной цепи ВЛ влияют на характеристики второй цепи двухцепной ВЛ.

Результаты проведения двухэтапного эксперимента по конструкции ВЛ с грозотросом и без него, как показано в табл. 3, доказывают то, что наличие грозотроса оказывает минимальное влияние на параметры ВЛ, например, по току в разных режимах работы влияние менее 1 %. Следовательно, потери мощности, возникающие в процессе наведения ЭДС в грозотросе, невелики.

Полученные данные доказывают эффективность выбранной конструкции опор ПБ110-8 и применение на ней грозозащиты в данной конкретной конфигурации ВЛ.