Самарин А.В., ведущий инженер Рыгалин Д.Б., доктор экономических наук, ведущий научный сотрудник Шкляев А.А., зам. ген. директора по технической работе (ЗАО «Импеданс»)
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА В ПРОВОДАХ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВОЗДУШНЫХ ЛЭП
Передача электроэнергии от электростанции к потребителям - одна из важнейших задач энергетики. Электроэнергия передаётся преимущественно по воздушным линиям электропередачи ЛЭП переменного тока. От эффективности передачи электроэнергии на расстояние зависит работа единых электроэнергетических систем, охватывающих обширные территории. Использование систем мониторинга проводов ЛЭП обеспечивает повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических сетей. Базовыми параметрами, которые контролируются в данных системах, являются ток, напряжение и температура провода. В статье рассматриваются современные технологии измерения токов, которые применяются в коммерческих системах мониторинга воздушных ЛЭП.
Ключевые слова: ЛЭП, мониторинг, датчик тока, бесконтактный метод измерения тока, пояс Роговского, датчик Холла, GSM, беспроводной канал передачи данных.
METHODS FOR CURRENT MESUARING IN WIRES OF SYSTEM FOR MONITORING OF HIGH-VOLTAGE OVERHEAD TRANSMISSION LINE
Energy transmission from power station to consumers is one of the most important goal of power engineering. Electric power is transmitted mainly by high-voltage overhead transmission lines of alternating current. Operation of unified power systems, covering extensive territory, depends on efficiency of the energy transmission to a distance. Use of the systems for monitoring of wires of overhead transmission lines provides increasing the operation reliability and efficiency of the power grids. Base parameters that are checked in these data systems are current, voltage and temperature of the transmission line wire. In the article modern technologies of the current and voltage measuring, which are used in commercial systems of the monitoring of high-voltage overhead transmission lines, are considered.
Keywords: overhead transmission line, monitoring, current sensor, contactless current measuring method, Rogowsky belt, Hall sensor, GSM, data wireless transmission.
Основной задачей при эксплуатации линии электропередачи я является обеспечение максимально возможной пропускной способности. Под пропускной способностью линий электропередачи понимается максимальная передаваемая по линии мощность, которая может быть передана без ограничения длительности режима передачи электроэнергии и при соблюдении всех требований эксплуатации:
- ограничения плотности тока в проводах;
- ограничения колебаний напряжения;
- обеспечения устойчивости режима.
Потребность в увеличении энергии вынуждает энергосистемы использовать силовые кабели на пределе их физических возможностей, а интересы безопасности и эффективности имеют огромное значение для операторов, которым важно знать, какие процессы происходят вдоль кабельной трассы (локальный нагрев, критическая раскачка проводов, критический провис проводов, обледенение).
При транспортировке электроэнергии через конкретную ЛЭП регламентированы допустимые токовые нагрузки. При этом используются предельные значения тока, определяющие провис проводов, выше критического. Эти данные взяты для самых критических условий, которые более чем в 90% времени эксплуатации ЛЭП не выполняются. Следовательно, имеется ресурс для пропускания больших мощностей без нарушения регламента. Т. е. можно переда-
вать дополнительную мощность (от 15 до 30%) практически в 90% времени эксплуатации. Наличие системы мониторинга позволяет без уменьшения регламента по надежности использовать этот дополнительный ресурс. Для этого необходимо контролировать уровень тока и температуру проводов по всей трассе и в соответствии с реальным состоянием линии динамически регулировать уровень передаваемой мощности.
<
аа §
л
о
г ?
о 2
загруженность сети во времени JSU
Рис. 1. Эффективность передачи энергии в ЛЭП со статическоми и динимическими параметрами
В настоящее время находит все большее применение концепция управления «Умными» электрическими сетями с помощью новейших информационных технологий.
Структура систем мониторинга воздушных электросетей
Система мониторинга состоит из сети измерительных блоков связанных через канал связи с оборудованием на диспетчерском пункте. Измерительные блоки распределены вдоль трассы ЛЭП и монтируются либо на опорах, или непосредственно на высоковольтных проводах. Ключевые технологии измерительного блока: автономная работа устройства, питание электронных узлов от тока провода, бесконтактное измерение тока и напряжения, контроль провеса провода и температуры провода, цифровое управление и обработка измеряемых параметров в самом устройстве измерения, использование радиоканала для передачи данных. Для передачи измеренных параметров используются беспроводные каналы связи, в частности GSM. На Рис. 2 показан принцип работы подсистемы мониторинга проводов ЛЭП.
Рис. 2. Структура системы мониторинга ЛЭП
В зависимости от функционального назначения системы мониторинга могут использоваться различные типы датчиков:
• Датчики для измерения тока в проводе
• Датчики для измерения напряжения на проводе
• датчики локальной температуры провода
• Датчики механического напряжения провода в точках подвеса (тензодатчики)
• датчики для измерения затухания в оптических волокнах грозотросса или фазного провода
• датчики для измерения критических стрел провеса (инклинометры)
• датчики климатических условий (метеостанция)
• датчики вибрационных характеристик проводов (акселерометры)
В последнее время появились системы мониторинга в которых базовые функции мониторинга за состоянием ЛЭП дополнены системой видеонаблюдения в зоне прилегающей к трассе прохождения ЛЭП. В частности, в разработанной южнокорейской компанией Hyundai Heavy Inductries Co. системе мониторинга HiTLS используется три web-камеры. Для передачи данных от камер в диспетчерский пункт мониторинга используется WiFi канал связи. Видеонаблюдение в реальном времени позволяет контролировать наличие лесных пожаров в зоне прохождения ЛЭП, а также наводнения, оползни и действия злоумышленников.
Проблемы измерения больших переменных токов в высоковольтных линиях ЛЭП
В настоящее время рабочие значения тока в проводах высоковольтных магистральных ЛЭП достигают 3000 ампер. Измерение высоких напряжений (35-750кВ) и больших токов (до 3000 ампер) в проводах ЛЭП является непростой задачей. Одной из проблем является отсутствие поверочных средств измерения для таких диапазонов измеряемых токов и напряжений, а также невозможность метрологической поверки без демонтажа измерителей. Установка измерительных блоков системы на провода ЛЭП должна обеспечиваться без рассоединения или отключения линии. Измерительные блоки должны работать в непрерывном автономном режиме, следовательно, должны обеспечивать высокую надежность и иметь большой рабочий ресурс. Конструкция измерительных блоков должна обеспечивать простую и технологичную установку на проводе без снятия напряжения. Используемые методы измерения параметров и система установки датчиков должны обеспечивать возможность такого монтажа на проводе. Для решения описанных проблем в современных системах мониторинга тока в проводе ЛЭП используются бесконтактные методы измерения тока с передачей данных по беспроводному каналу связи.
История разработки систем мониторинга воздушных ЛЭП
Телеметрический контроль параметров проводов ЛЭП был впервые предложен более 40 лет назад. Первым контролируемым параметром посредством телеметрического радиоканала стал ток в проводе. К этому времени относится появление американского патента «Remote measuring system». Pat. № 2,724,821 Nov. 22 1955 системы дистанционного измерения тока в проводе с передачей измеренного значения по радиоканалу. В предложенном решении использовалось питание устройства измерения от индукционного трансформатора за счет тока протекающего в проводе. Ток измерялся через трансформаторный датчик тока. Сигнал модулировал сеточную цепь лампового передатчика.
Рис. 3. Схема дистанционного измерителя тока с радиоканалом (патент Pat. № 2, 724, 821 Nov. 22 1955)
Как видно из рисунка, в измерителе тока использовался измерительный трансформатор и токовый трансформатор для питания ламповой схемы (цепь анода и накала). Передатчик выполнен на одноламповом каскаде. Используется АМ модуляция ВЧ сигнала посредством модуляции сеточного тока генератора передатчика. Позже появился патент, в котором уже использовалась транзисторная элементная база: «System for transmitting to assemble point a signal that varies as function of the current flow in a high voltage conductor». Pat. № 3, 428, 896 от 1966 года. В первых системах контролировался только один параметр - ток в проводе. В последние 15 лет, благодаря развитию информационных технологий, стала возможна коммерческая реализация систем мониторинга проводов ЛЭП.
Бесконтактные методы измерения токов в проводах ЛЭП
В настоящее время существуют два вида измерителей токов в проводах высокого напряжения: контактные и бесконтактные в зависимости от типа метода измерения (контактного и бесконтактного). Контактные методы измерения требуют разрыва цепи провода и более трудоемкие в отношении монтажа, очень дорогие в производстве и обслуживании. Бесконтактный метод измерения позволяет обеспечивать монтаж без разрыва токонесущего провода, более прост при монтаже и эксплуатации. В современных системах мониторинга в основном используются именно бесконтактные методы измерения тока в проводе. Для бесконтактного измерения тока потенциально могут использоваться следующие типы датчиков:
• Датчики Холла
• Катушка Роговского
• Магнитооптические датчики
• Трансформаторы тока
Традиционные индуктивные трансформаторы тока с ферромагнитным сердечником имеют массу недостатков, вытекающих из самой природы таких трансформаторов: насыщение, гистерезис, резонанс, остаточное намагничивание.
Магнитооптические датчики в коммерческих системах монитор
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.