Перспективная система защиты линий электропередачи от гололедных образований

которая является частью структурной схемы общего алгоритма (рис. 2, 3) и реализует расчет параметров исследуемой схемы методом итераций (последовательных приближений).

Библиографический список

1. Добрусин, Л. А. Повышение энергоэффективности электросетевого комплекса России / Л. А. Добрусин // Энергосбережение. — 2013. — № 7. — С. 54 — 60.

2. Долингер, С. Ю. Оценка дополнительных потерь мощности от снижения качества электрической энергии в элементах систем электроснабжения / С. Ю. Долингер, А. Г. Лю-таревич, В. Н. Горюнов [и др.] // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2013. — № 2 (120). — С. 178-183.

3. Дед, А. В. Оценка дополнительных потерь мощности в электрических сетях 0,38 кВ на основе экспериментальных данных / А. В. Дед, С. В. Бирюков, А. В. Паршукова // Успехи современного естествознания. — 2014. — № 11-3. — С. 64-67.

4. Дед, А. В. Метод расчета дополнительных потерь мощности при несимметрии режима работы систем электроснабже-

ния / А. В. Дед, А. В. Паршукова // Инновационная наука. — 2015. — № 10-1. — С. 61 — 65.

5. Электромагнитная совместимость потребителей : мо-ногр. / И. В. Жежеленко [и др.]. — М. : Машиностроение, 2012. — 351 с.

6. Идельчик, В. И. Электрические системы и сети : учеб. для вузов / В. И. Идельчик. — М. : Энергоатомиздат, 1989. — 592 с.

7. Рожкова, Л. Д. Электрооборудование станций и подстанций : учеб. / Л. Д. Рожкова, В. С. Козулин. — М. : Энер-гоатомиздат, 1987. — 648 с.

ДЕД Александр Викторович, старший преподаватель кафедры электроснабжения промышленных предприятий.

Адрес для переписки: ded_av@mail.ru

Статья поступила в редакцию 16.09.2016 г. © А. В. Дед

УДК 621382 Д. Н. ШЕЛКОВНИКОВ

Омский государственный технический университет

ПЕРСПЕКТИВНАЯ СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ОТ ГОЛОЛЕДНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ

Рассмотрены возможности мониторинга воздушных линий электропередачи с использованием весовых датчиков, позволяющих контролировать состояние проводов под воздействием гололедной нагрузки.

Предложен способ удаления гололедных образований с воздушных линий электропередачи, сущность которого состоит в подаче на провода напряжения высокой частоты, в результате чего проявляется »ин-эффект и на поверхности проводника создается повышенная температуры, которая препятствует образованию гололеда.

Ключевые слова: линия электропередачи (ЛЭП), удаление гололедных образований на ЛЭП, диагностика ЛЭП, воздушные линии электропередачи.

В настоящее время специалистами Южнороссийского государственного технического университета (г. Новочеркасск Ростовской области) и предприятиями ОАО «Межрегиональная распределительная сетевая компания Юга» (МРСК Юга) разработано несколько систем обнаружения гололедных образований на проводах воздушных линий (ВЛ) с использованием весовых датчиков. Эти системы внедрены для опытной эксплуатации в ОАО «Ростовэнерго», ОАО «Кубаньэнерго», ОАО «Волгоградэнерго», входящих в состав МРСК Юга. Эксплуатация этих систем показала хорошую работоспособность, обеспечивающую возможность повышения эффективности плавки гололеда на проводах ЛЭП [1]. Однако при этом была выявлена необходимость доработки информационной части системы с целью повышения ее надежности и снижения затрат на монтаж системы и ее техническое обслуживание [2].

1. Опыт эксплуатации «Системы раннего обнаружения гололеда» в ОАО «Ростовэнерго».

В ОАО «Ростовэнерго» эксплуатируется 17 датчиков телеизмерения гололедной нагрузки, входящих в систему телеизмерения гололедной нагрузки (СТГН), в том числе:

— 5 комплектов на БЛ 110 кВ;

— 6 комплектов на БЛ 35 кВ;

— 6 комплектов на БЛ 10 кВ.

Система состоит из:

— постов телеизмерения внешних и внутренних воздействий на проводах и тросах ВЛ;

— системы передачи информации;

— пункта сбора, обработки и отображения информации — АРМ (автоматизированное рабочее место) диспетчера сетей.

Посты телеизмерения устанавливаются в местах наиболее вероятного образования максимальных внешних и внутренних воздействий (гололедно-

Рис. 1. Функциональная схема устройства автоматизированной защиты ЛЭП от гололедных образований

ветровых нагрузок) на промежуточных опорах ВЛ и состоят из специальных комбинированных тен-зометрических датчиков, соединенных последовательно с гирляндами изоляторов, контроллера, передающего радиомодема, аккумуляторных батарей и устройств подзарядки.

В результате эксплуатации установлены технические характеристики системы мониторинга воздушных линий электропередачи:

— вероятность правильного обнаружения отложений — 0,88;

— точность измерения силовых нагрузок + /-5 кг;

— вероятность правильного обнаружения предвестника пляски проводов — 0,7.

2. Опыт эксплуатации «Системы раннего обнаружения гололеда» в ОАО «Кубаньэнерго».

ОАО «Кубаньэнерго» одним из первых в регионе начало работу по внедрению в Сочинских электрических сетях «Системы раннего обнаружения гололеда» (СОРГ), которая позже была преобразована в «Автоматизированную информационную систему контроля гололедной нагрузки» (АИСКГН) на ВЛ.

Система позволяет с диспетчерских пунктов ОАО «Кубаньэнерго» получать информацию о температуре окружающего воздуха и толщине стенки гололеда на проводах и грозозащитных тросах.

На опорах ВЛ устанавливают:

— датчики веса, которые позволяют определять толщину стенки гололеда;

— датчик температуры и реле времени.

Передача информации происходит по GSM каналам на диспетчерские пункты, где специальное программное обеспечение обрабатывает информацию и выдает данные в табличном и графическом виде.

Система связи GSM позволяет просматривать видеоинформацию на мониторе компьютера по запросу диспетчера.

3. Опыт эксплуатации «Автоматизированной информационной системы контроля гололедной нагрузки» в ОАО «Волгоградэнерго».

В сетях филиала ОАО «Волгоградэнерго» установлено 20 датчиков «Автоматизированной информационной системы контроля гололедной нагрузки» (АИСКГН). Специалисты успешно используют разработанную современную и надёжную информационную систему мониторинга. Эта система позволяет проводить измерения внешних и внутренних механических воздействий на провода, наиболее

опасными из которых являются гололедные отложения.

Пункт сбора, обработки и отображения информации состоит из принимающего радиомодема, компьютера и программного обеспечения. На экране дисплея отображаются графики измерения температуры и величины гололедных отложений [3].

Рассмотренные положительные результаты опытной эксплуатации систем мониторинга с использованием весовых датчиков в энергосистемах Межрегиональной распределительной сетевой компании Юга, позволяет перейти к завершающему этапу разработки автоматизированной системы защиты ЛЭП от гололедных образований. В настоящее время гололедные образования удаляют путём существующей в РФ плавки гололеда большими токами с отключением электроэнергии от потребителей [4]. Этот метод удаления гололедных образований с линий электропередачи является весьма затратным и небезопасным для людей окружения.

Рассмотрим актуальную проблему удаления снежно-ледового образования с проводов линий электропередачи (ЛЭП), не прерывая подачу электроэнергии потребителям.

Процесс автоматизации защиты ЛЭП от гололеда состоит в том, что посредством автономных мониторингов, установленных на опорах вдоль линий электропередачи, по радиоканалу сообщается в диспетчерский пункт цифровой код с указанием данных о месте нахождении мониторинга (порядковый номер опоры), вида аварийной ситуации и команды на включение системы автоматизированной защиты линий электропередачи от гололедных образований [5]. Каждое устройство мониторинга включает в себя:

— датчик гололедной нагрузки (ДГН) типа динамометра, встроенного в гирлянды изоляторов [6];

— радиопередатчик (ПРД) с формирователем идентификационного кода, в котором содержатся данные о координатах места расположения этого мониторинга и данные о состоянии проводных линий;

— формирователь цифрового кода;

— источник электропитания в составе малогабаритного ветряного или солнечного источника электроэнергии, аккумулятора и преобразователя напряжений для электропитания радиопередатчика.

Функциональная схема устройства системы автоматизированной защиты линий электропередач от гололедных образований, включающая в себя

Рис. 2. Функциональная схема устройства для автоматизированного удаления гололедных образований с линий электропередачи (ЛЭП). Мобильный вариант

функциональные схемы мониторингов, приведена на рис. 1.

В зависимости от показаний датчика веса провода формируется одна из команд: «Обрыв», когда датчик фиксирует вес провода ниже установленного предела; «Норма», когда датчик фиксирует вес провода в пределах нормы; «Гололед», когда датчик фиксирует вес провода выше установленного предела, что говорит об опасности возникающего гололедного образования с необходимостью передачи команды в диспетчерский пункт на включение автоматизированного устройства защиты ЛЭП.

Сформированные в передатчике структуры кодов представляют собой 6-разрядное число в десятичной форме [7].

Радиопередатчик работает в УКВ диапазоне 156—174 МГц. Для передачи на подстанцию сигнала от мониторинга используется метод время — импульсной модуляции (ВИМ) [7]. Сущность метода передачи цифрового кода состоит в том, что это сообщение определяется временным интервалом, начало и конец которого сообщаются корреспонденту передачей только двух соответствующих коротких радиоимпульсов. А число тактовых импульсов определенной частоты следования, подсчитанное в данном интервале в десятичной форме исчисления, и есть отображение переданного сообщения.

Излучение радиосигнала в течение этого интервала не требуется. Тем самым достигается высокая надёжность передачи сообщения и экономия электроэнергии от автономного источника электропитания.

Энергетические расчеты параметров мощных импульсов тока для удаления гололедных образований с проводов линий электропередачи марки АС-50 длиной 50 км следующие [8]:

1. Рабочий импульс, т =5 мс.

2. Ток в импульсе I = 2148 А.

мах

3. Емкость

мах

накопительного

При этом температура нагрева проводов

Т — т = е/м, • с =

2 1 ^ 2 уд

= 288,0 • 103/20 • 103^ 8,8 • 10-2 =163,6 °С,

б -

м2 С

С й = 0,15 Ф.

общ

конденсатора

С =5600 мкФ,

где Т1 — начальная температура провода ЛЭП; Т2 — конечная температура провода ЛЭП; количество тепла;

масса провода длиной 50 км; — удельная теплоемкость провода ЛЭП.

Для удаления гололедного образования с проводов достаточно двух импульсов с интервалом их следования 4 сек. При передаче первого импульса формируется талая прослойка между проводом и гололёдной муфтой, при воздействии второго импульса возникает термодинамическое встряхивание провода, при котором гололедная муфта легко отслаивается от провода и удаляется.

Сущность удаления гололедных образований с линий электропередачи (ЛЭП) состоит в использовании способа разогревания проводов путем подачи на них напряжения высокой частоты [9], отличительной характеристикой которого является скин-эффект [10]. Известно также, что в однородном проводнике переменный ток высокой частоты, в отличие от постоянного, не распределяется равномерно по сечению проводника, а концентрируется на его поверхности, занимая очень тонкий слой. На рис. 2 предложена функциональная схема устройства для автоматизированного удаления гололедных образований с линий электропередачи (ЛЭП), мобильный вариант [11]. Устройство включает в себя управляемые гальванически развязанные генераторы мощных импульсов тока, подключенные посредством импульсных трансформаторов в провода соответствующей расщепленной фазы линий электропередачи (4.1—4.6).

Устройство содержит подстанцию, содержащую объединенные в локальную сеть рефлектометр, генератор ВЧ импульсов тока, управляемые гальванически развязанные генераторы мощных импульсов

тока, общее количество которых соответствует числу контролируемых ЛЭП, соединенных с коммутатором силовой электроники, обеспечивающим подключение в соответствующие расщепленные фазы линий электропередачи. В схему также входят контроллер, связанный с рефлектометром, автоматизированное рабочее место диспетчера с ЭВМ, световое табло и блок электропитания. Блок электропитания представляет собой преобразователь энергии с ДПРК.

Для получения мощных источников энергии с целевым применением их в системе защиты ЛЭП от гололёдных образований предложен преобразователь энергии с дозирующим последовательным резонансным контуром (ДПРК) (рис. 2) [12]. Сущность преобразования состоит в том, что из сетевого напряжения или напряжения от дизель-генератора ADV-320 выпрямленное напряжение через выпрямитель В1 поступает на инвертор И, в котором напряжение усиливается и преобразуется в симметричную прямоугольную импульсную форму типа «Меандр» (без постоянной составляющей). Далее через резонансный контур LK и СК напряжение дополнительно усиливается высоковольтным трансформатором ТВ и поступает в блок электропитания на частоте 150 кГц для дальнейшей коммутации по назначению. Это же напряжение частотой 150 кГц после выпрямителя В2 используется для зарядки накопительного конденсатора СН для формирования мощных импульсов тока (4.1—4.6).

Мобильный вариант. Предназначен для работы в полевых условиях для выполнения аварийно-восстановительных работ на линиях электропередачи (ЛЭП). Конструктивно вся аппаратура размещается в салоне автомобиля UAZ-3909 (рис. 3).

Объём кузова позволяет разместить также дизельную электростанцию серии АЭУ320, которая в рабочем положении размещается вне кузова. Аппаратурный комплекс обеспечивает оперативную защиту всех типов линий электропередачи (ЛЭП) от гололёдных образований.

По служебному положению мобильный вариант заменяет собой центральный пункт управления (диспетчерская, дежурные операторы — 2 чел.). Связь между центральным пунктом управления и ремонтными бригадами осуществляется по радиоканалам УКВ.

Стационарный вариант диспетчерского пункта управления также комплектуется электронной аппаратурой в том же составе и количестве, что и мобильный вариант. Т. е. полная взаимозаменяемость по комплектации электронной аппаратурой, в том числе силовыми электронными модулями.

Заключение. Для проведения плановых заводских и государственных испытаний опытного образца рассмотренной системы защиты линий электропередачи от гололедных образований рекомендуется предварительно произвести натурные испытания на действующей ЛЭП.

Рассмотренные в данной работе основные изделия защищены патентами Российской Федерации на изобретения:

№ 2404497 от 20.11.2010, Бюл. № 32;

№ 2478245 от 27.03.2013, Бюл. № 9;

№ 2520581 от 28.04.2014, Бюл. № 18.

Библиографический список

1. Сизова, Е. Испытания на прочность / Е. Сизова // Энергонадзор. - 2014. - № 11 (63). - С. 8.

2. Сравнение систем обнаружения гололеда на линиях электропередачи, использующих методы взвешивания проводов и локационного зондирования / Р. Г. Минуллин [и др.] // Энергетика глазами молодежи : науч. тр. IV Междунар. науч.-техн. конф. — Новочеркасск : Изд-во ЮРГПУ (НПИ), 2013. — Т. 1. - С. 514-518.

3. Внедрение автоматизированной системы наблюдения за гололедом в Камышинских электрических сетях / Н. Ю. Шевченко [и др.] // Современные проблемы науки и образования. - 2009. - № 5. - С. 127-132.

4. Методические указания по плавке гололеда переменным током. Ч. 1. МУ 34-70-027-82, РД 34.20.511, СО 153-34.20.511 / Сост. В. В. Бургсдорф, Л. Г. Никитина, Л. А. Никонец, П. Р. Хрущ // М-во энергетики и электрификации СССР [и др.]. : [введ. 01.01.1983. : изм. 07.10.2006.] - Режим доступа : http://www.gost-info.com/doc/1624488/Metodicheskie-ukazaniia-po-plavke-gololeda-peremennym-tokom-Chast-I (дата обращения: 10.06.2016).

5. Пат. 2478245 Российская Федерация, МПК Н02С 7/16. Устройство для удаления снежно-ледового покрытия с проводов линий электропередачи / Шелковников Н. Д., Шелковни-ков Д. Н., Мачихина И. В., Аристов В. К. ; заявитель и патентообладатель Шелковников Н. Д., Шелковников Д. Н. ; заявл. 22.09.2011. ; опубл. 27.03.2013, Бюл. № 9.

6. Датчик гололедной нагрузки (ДГН). - Режим доступа : http://www.elna-severplus.ru/datchik_gololeda.html/. - Загл. с экрана (дата обращения: 10.07.2016).

7. Пат. № 2222104 Российская Федерация, (51) МПК Н04В 7/00. Способ передачи цифровых сообщений / Шелковни-ков Н. Д. ; заявитель и патентообладатель гос. унитарное предприятие - Омский научно-исследовательский институт приборостроения. - № 2000116139/09 ; заявл. 19.06.2000 ; опубл. 20.01.2004, Бюл. № 2.

8. Пат. № 2404497 Российская Федерация, МПК Н02С 7/16 (2006.01). Способ удаления снежно-ледового покрова с проводов линий электропередачи / Шелковников Н. Д., Шел-ковников Д. Н. [и др.] ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Омский государственный технический университет. -№ 2009111643/07 ; заявл. 30.03.2009.

9. Пат. № 2520581 Российская Федерация, МПК Н02С 7/16. Устройство для удаления снежно-ледового покрытия с проводов линий электропередачи / Шелковников Н. Д., Шел-ковников Д. Н. ; заявитель и патентообладатель Шелковни-ков Д. Н., Шелковников Н. Д. - № 2012155399/07 ; заявл. 19.12.2012 ; опубл. 27.06.2014, Бюл. № 18.

10. Калашников, С. Г. Электричество / С. Г. Калашников. -5-е изд. - М. : Наука, 1985. - 576 с.

11. Шелковников, Д. Н. Перспективные способ и устройство защиты линий электропередачи от снежно-ледового образования / Н. Д. Шелковников, Д. Н. Шелковников // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. -2016. - № 3 (147). - С 73-76.

12. Быстров, Ю. А. Электронные цепи и микросхемотехника / Ю. А. Быстров, И. Г. Мироненко. - М. : Высшая школа, 2002. - 384 с.

ШЕЛКОВНИКОВ Дмитрий Николаевич, соискатель по кафедре электрической техники Омского государственного технического университета; региональный представитель Сибирского института бизнеса и информационных технологий (СИБИТ), г. Омск.

Адрес для переписки: hirurg66@mail.ru

Статья поступила в редакцию 17.06.2016 г. © Д. Н. Шелковников

Книжная полка

Бессонов, Л. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи : учеб. В 2 ч. / Л. Бессонов. -12-е изд., испр. и доп. - М. : Юрайт, 2016. - Ч. 2. - 348 с. - ISBN 978-5-9916-9302-8, 978-5-9916-9340-0.

Данный учебник состоит из двух частей и рассматривает традиционные и новые вопросы теории линейных и нелинейных электрических цепей. К традиционным относятся методы расчета токов и напряжений при постоянных, синусоидальных и других видах воздействий, теория двух- и четырехполюсников, электрические фильтры, электрические и магнитные линии с распределенными параметрами, расчет переходных процессов классическим, операторным методами, методом интеграла Дюамеля, обобщенных функций, методом пространства состояний, преобразования Фурье и т.д.

К числу новых вопросов относятся физические причины, условия возникновения и канаты действия нелинейной, неявно выраженной обратной связи в нелинейных электрических цепях переменного тока, приводящие к возникновению в них колебаний, получивших название «странные аттракторы», метод расчета установившегося режима работы обобщенной цепи переменного тока с учетом высших гармоник, макрометод расчета переходных процессов в мостовой выпрямительной схеме с предвключенным сопротивлением в цепи переменного тока, основные положения вейвлет-преобразования сигналов и т.д. По всем вопросам курса даны примеры с подробными решениями. В конце каждой главы — вопросы и задачи для самопроверки.

Для студентов и преподавателей высших учебных заведений, инженеров, аспирантов и научных работников, электротехнических и близких к ним специальностей.