Разработка методов управления терморезонансными колебаниями для защиты участков линий электропередачи

В соответствии с решениями ХХУ1 съезда КПСС^ IJ намечены основные направления развития энергетики в XI пятилетке. Планируется техническое перевооружение энергопромышленности, ввод новых энергетических мощностей, повсеместный режим экономии энергоресурсов. «.Какими бы темпами мы ни развивали энергетику, — отмечается в Отчетном докладе Центрального Комитета, — сбережение тепла и энергии и впредь будет важнейшей общегосударственной задачей. На экономию топлива и энергии должны быть направлены усилия каждого коллектива, каждого труженика». Ноябрьский (1982 г.) Пленум ЦК КПСС отмечает, что намеченная выработка электроэнергии по всем расчетам должна удовлетворить потребности в ней, но только при безусловном выполнении заданий по ее экономии. «Экономия только одного процента расходуемой электроэнергии снижает себестоимость и соответственно увеличивает прибыль индустрии примерно на полтораста миллионов рублей. При решении общих задач, направленных наэкономию электроэнергии, вопросы повышения надежности и бевперебойности всех звеньев энергосистемы выдвигаются на первый планОдним из факторов, определяющих надежность и бесперебойность работы энергосистемы, является состояние проводов линий электропередачи (ЛЭП). ЛЭП является одним из наиболее уязвимых звеньев в системе «иенератор-линия-нагрузка» в связи с большой протяженностью и воздействием различных атмосферных условий.

При эксплуатации ЛЭП более пятидесяти лет тому назад было обнаружено явление, названное «пляской проводов» £ 4J. Пляска проводов — низкочастотные автоколебания, возникающие на ЛЭП и вызывающие схлестывание фаз, повреждение изоляторов, проводов, а в некоторых случаях и опор линий.

Из опыта эксплуатации воздушных линий электропередачи следует:1. Аварийные ситуации, автоматические повторные включения, периодические изменения реактивных параметров линий, вызванные пляской проводов, могут являться причиной нарушения устойчивости системы «генератор-линия-нагрузка» .

2. Современная теория пляски проводов является несовершенной и не может объяснить многие случаи колебаний, встречающихся в эксплуатации.

3. Защитные мероприятия, разработанные на основании современной теории пляски проводов, малоэффективны.

Эти обстоятельства определяют актуальность проведения работ, связанных со всесторонним изучением механизма возбуждения и поддержания автоколебаний проводов ЛЭП — важнейшего звена системы «генератор-линия-нагрузка» г, с разработкой мероприятий, направленных на исключение или снижение интенсивности этих колебаний.

Задачей диссертационной работы являются исследования автоколебаний и устойчивости анкерного участка ЛЭП с учетом тепловых процессов, происходящих в линии, определение источников, осуществляющих вклад энергии в колебательный процесс, экспериментальные исследования модели.

Целью исследовайий явилась разработка мероприятий по борьбе с вредными воздействиями этих колебаний в эксплуатации и на стадии проектирования.

Исследования производились на модели, представляющей собой провод, закрепленный на двух неподвижных опорах, имеющий разность температур с окружающей средой. Изменение температуры нагрева привело к возникновений колебаний провода модели, которые были названы терморезонансными, В процессе теоретических разработок были использованы асимптотические методы нелинейной механики. В результате для систем ссосредоточенными и распределенными параметрами получены критерии существования терморезонансных колебаний.

Тепловая часть задачи исследовалась путем решения уравнения теплового баланса колебательной системы.

Эксперименты проводились на моделях с записью на шлейфовый осциллограф.

Научная новизна характеризуется тем, что в результате диссертационной работы определен новый, терморезонансный механизм возбуждения колебаний проводов линий электропередачи и приведены методы его анализа.

Дальнейший анализ других терморезонансных колебательных систем можно проводить, используя методику, предложенную в диссертационной работе, с применением тепловых коэффициентов, определяемых для каждого конкретного случая.

Степень обоснованности научных положений, выводов и рекомендаций подтверждены экспериментальными исследованиями. Расхождение теоретических положений и экспериментальных исследований не превышает 10−15%.

Практическая ценность диссертационной работы состоит: — в разработанном инженерном методе прогнозирования возможных случаев терморезонансных колебаний на ЛЭП как в условиях эксплуатации, так и на стадии проектирования— в разработанном технологическом способе управления процессом колебаний — выбор параметров технологического процесса передачи электроэнергии, исключающих возможность возникновения терморезонансных колебаний на ЛЭП— в разработанных конструктивных способах управления процессом терморезонансных колебаний участков ЛЭП — пружинно-пневмати- -ческий демпфер и геометрически устойчивая, теплоизолированная конструкция провода — кабеля. На геометрически устойчивую конструкцию провода-кабеля получено авторское свидетельство.

Промышленное использование результатов работы проведено на базе НИР (хоздоговорная тема ЮЬ/77 «Исследование деформаций и напряженного состояния в конструктивных элементах кабелей (проводов) в условиях подвижной эксплуатации». Номер гос. регистрации 77 055 387) и ОКР (х/д тема № 80/79 «Разработка серии геометрически устойчивых кабелей (проводов)». Номер гос. регистрации 79 003 573).

Дальнейшее внедрение предусматривает применение теплоизолированных, геометрически устойчивых проводов (кабелей) на длиннопро-летных антенных устройствах, работающих в режиме 'ЛЭП, с целью исключения на них терморезонансных колебаний (ОКР № 416/83 «Разработка конструктивных и технологических решений по выбору и использованию стальных канатов и сталеалюминиевых проводов в большепролетных антенных конструкциях» с Государственным союзным проектным институтом, Главсвязьпроект).

Внедрение результатов работы и доля участия диссертанта подтверждена справкой о внедрении, выданной ХИИКСом на основании подлинных актов о внедрении № 35/77 от 4.12.81 и 80/79 от 19.11.83 г., выданных опытно-конструкторским бюро кабельной промышленности, (ОКБ КП).

Общий годовой экономический эффект от внедрения разработок составил 200 (двести) тысяч рублей.

Работа состоит из введения, пяти глав, и общих выводов.

В первой главе проведен аналитический обзор литературы, в которой освещаются вопросы оценки влияния пляски проводов на устойчивость системы «генератор-линия-нагрузка», анализируется опыт эксплуатации линий электропередачи, приводится методика исследований колебательных систем.

Во второй главе дано определение терморезонансных систем, рассмотрен механизм возбуждения и поддержания терморезонансных колебаний, изложена общая методика их исследования.

В третьей главе приведены методы исследования терморезонансных моделей с соредоточенными и распределенными параметрами без учета влияния восходящих тепловых потоков. Определены значения амплитуды и частоты колебаний.

Четвертая глава посвящена изучению автоколебаний терморезонансной модели в восходящих тепловых потоках. Определены зоны динамической неустойчивости колебательной системы, амплитуда и частота колебаний.

В пятой главе описана методика экспериментальных исследований терморезонансных моделей. Проведен сравнительный анализ результатов экспериментов и теоретических предпосылок для исследуемой модели. Приведены результаты экспериментальных исследований.

В общих выводах подведены итоги работы и предложены мероприятия по снижению интенсивности терморезонансных колебаний для реальных участков ЛЭП.

Исследования проводились на следующих действующих моделях:1. Терморезонансная модель с сосредоточенными параметрами, работающая от стабилизированных источников переменного и выпрямленного напряжения. В системе наблюдались как вертикальные, так и горизонтальные колебания-2. Модель анкерного участка ЛЭП с равновысоким подвесом проводов — терморезонансная система с распределенными параметрами. На модели получены вертикальные и горизонтальные колебания. Расхождение экспериментальных результатов и теоретических препосылокнаходится в пределах 10−15%.

Основные результаты работы изложены в б статьях, 2 авторских свидетельствах.

Научные итоги диссертации докладывались: на Всесоюзной конференции по проблемам прочности и долговечностистальных канатов, Одесса, 1979;на научно-технических семинарах кафедры электроснабжения городов ХИИКСа, 1980 и 1982;на научной конференции профессорско-преподавательского состава ХИИКСа, 1981;на республиканском научном семинаре АН УССР по проблеме «Кибернетика» на секции «Управление сложными технико-экономическими системами», Харьков, 1984.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. В результате обзора литературных источников выявлено, что пляска проводов, являющаяся одной из насущных проблем электроэнергетики, не имеет совершенной, стройной теории, раскрывающей механизм этого явления. Средства борьбы с пляской проводов малоэффективны. Анализ литературных источников показал актуальность проведения работ, направленных на выявление механизма пляски проводов в новом, ранее не рассматриваемом аспекте с учетом влияния тепловых процессов, происходящих в проводе при колебаниях и разработку мероприятий, определяющих возможность управления процессом колебаний.

2. Осуществленно построение математической модели нагретой колебательной системы, определи передаточные функции динамических звеньев, построена структурная схема модели. Из анализа структурной схемы определено понятие «терморезонансные системы», предложена методика оценки устойчивости линеаризированных терморезонансных систем.

3. Проведены аналитические исследования терморезонансных моделей, терморезонансные колебания на которых возникают за счет теплообмена нагретого провода с окружающей средой. В результате исследований выявлено, что механизм возбуждения терморезонансных систем обусловлен наличием демультипликадионного параметрического резонанса с резонанса на второй гармонике). Определены условия возбуждения тер-шрезонансных моделей, ширина резонансной зоны, построены кривые троцесса колебаний.

4. Иеследован механизм возбуждения терморезонансных колебаний в юбственных восходящих тепловых потоках с резонанс на основной час-?оте). Определены зоны возбуждения, разработана методика прогнози-ювания и управления процессом колебаний в условиях эксплуатации '.ЭП и на стадии проектирования.

Все выкладки и оценки производились с точностью до величин порядка jS (р — температурный коэффициент линейного расширения материала провода) .

5. Разработана экспериментальная установка для исследования процесса возбуждения терморезонансных колебаний и методов управления шли.

Экспериментально подтвержден терморезонансный механизм возбуждения незатухающих колебаний на модели, определены зоны возбуждения и срыва колебаний модели.

Экспериментально показано, что применение теплоизолированных проводов и пружинно — пневматического демпфера исключает возможность возникновения колебаний на модели. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов показало, что расхождение между ними не превышает 15%.