Устройство для измерения гололедной и ветровой нагрузок на воздушных линиях электропередачи
DEVICE FOR MEASURING ICE AND WIND LOADS ON OVERHEAD POWER TRANSMISSION LINES

Область техники.
Изобретение относится к области электроэнергетики, а именно к устройствам измерения гололедной и ветровой нагрузок на воздушных линиях электропередачи (ВЛЭП), и может быть использовано для измерения синуса угла отклонения гирлянды изоляторов и расчета расстояния приближения фазного провода к заземленным элементам конструкции опоры.
Уровень техники.
Известен визуальный способ обнаружения и оценки параметров гололедной и ветровой нагрузки ВЛЭП [1].
Недостатком визуального способа является то, что он требует непосредственного присутствия наблюдателя на контролируемом участке ВЛЭП. Кроме этого, он имеет низкую точность измерения нагрузок и практически не реализуем в условиях плохой видимости, что исключает одновременное и точное измерение в реальном масштабе времени гололедной и ветровой нагрузок, а также расстояния приближения фазного провода к заземленным элементам конструкции опоры ВЛЭП.
Известны устройства для непрерывного контроля гололедной нагрузки на ВЛЭП с измерительным элементом силы, выполненным в виде магнитоупругого датчика, подвешенного между траверсой опоры и гирляндой изоляторов [2, 3].
Недостатком известных устройств является то, что они не разделяют полную нагрузку на ВЛЭП на гололедную и ветровую в реальном масштабе времени и не контролируют расстояние приближения фазного провода к заземленным элементам конструкции опоры ВЛЭП. При этом необходимость отстройки от ветровой нагрузки затрудняет своевременное (раннее) обнаружение гололедообразования и принятие решения на проведение организационно-технических мероприятий по предотвращению гололедной аварии.
Известно устройство телеизмерения гололедной, ветровой и гололедно-ветровой нагрузок на фазный провод ВЛЭП с индикацией относительного направления ветра в виде двух силоизмерительных датчиков, подвешенных между траверсой и гирляндой изоляторов двух фазных проводов воздушной линии, а также двух изоляционных распорок между фазными проводами и стойкой опоры, ограничивающих отклонение фазных проводов в противоположных направлениях под действием ветровой нагрузки [4]. Измерение ветровой нагрузки происходит выделением разницы показаний двух силоизмерительных датчиков в зависимости от направления ветра: силоизмерительный датчик отклонившегося фазного провода измеряет гололедно-ветровую нагрузку, а датчик второго фазного провода, не отклонившегося от вертикального положения из-за изоляционной распорки, измеряет только гололедную нагрузку.
Недостатком известного устройства является требование использования двух силоизмерительных датчиков и двух изолирующих распорок на одной промежуточной опоре ВЛЭП. В их отсутствие одновременное измерение в реальном масштабе времени гололедной и ветровой нагрузок, а также расстояния приближения фазного провода к заземленным элементам конструкции опоры ВЛЭП невозможно.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному изобретению является устройство для измерения гололедной и ветровой нагрузок на ВЛЭП, содержащее магнитоупругий датчик силы, подвешенный между траверсой опоры и гирляндой изоляторов с фазным проводом и подключенный через первый блок выделения амплитуды сигнала и первый канал телепередачи к первому измерительному прибору, а также первый датчик тока с вторым блоком выделения амплитуды сигнала, подключенным к первому входу блока деления, при этом в устройство дополнительно введены суммирующий усилитель между вторым блоком выделения амплитуды сигнала и первым входом блока деления и второй датчик тока, который подключен ко второму входу введенного суммирующего усилителя и к второму входу блока деления, выход которого подключен к управляющим входам двух дополнительно введенных нелинейных преобразователей, первый из которых включен между первым блоком выделения амплитуды сигнала и первым каналом телепередачи и напряжение на выходе которого пропорционально гололедной нагрузке, а второй включен между первым блоком выделения амплитуды сигнала и дополнительно введенным вторым каналом телепередачи с подключенным к нему вторым измерительным прибором и напряжение на выходе которого пропорционально ветровой нагрузке, причем в качестве первого датчика тока использован укрепленный на траверсе опоры магнитный трансформатор тока с осью, совпадающей с осью гирлянды изоляторов при отсутствии ветровой нагрузки, а в качестве второго датчика тока использован магнитный трансформатор тока, совмещенный с магнитоупругим датчиком силы и с ориентацией оси перпендикулярно оси гирлянды изоляторов в плоскости, проходящей через ось гирлянды изоляторов перпендикулярно оси фазного провода [5].
Устройство позволяет вычислять гололедную и ветровую нагрузки по измеряемой величине гололедно-ветровой нагрузки и измеряемой величине отклонения изолирующей гирлянды с фазным проводом от вертикали под действием ветра. Однако существенным недостатком известного устройства является использование для измерения угла отклонения гирлянды изоляторов с силоизмерительным датчиком сигналов двух магнитных трансформаторов тока, в которых ЭДС наводятся магнитным полем тока, протекающего по фазному проводу линии. Следовательно, при отсутствии в линии тока сигналы с трансформаторов тока отсутствуют и поэтому устройство не измеряет ветровую нагрузку на отключенных или слабонагруженных воздушных линиях электропередачи, а также при плавке отложений на проводах постоянным током. Недостатками этого устройства также являются отсутствие контроля относительного направления ветра, сложная техническая реализация канала измерения угла отклонения гирлянды изоляторов и коммутации усилителей. Это приводит к невозможности одновременного измерения в реальном масштабе времени гололедной и ветровой нагрузок с учетом направления ветра, а также расстояния приближения фазного провода к заземленным элементам конструкции опоры ВЛЭП при отсутствии фазного тока.
Раскрытие сущности изобретения
Техническим результатом, достигаемым настоящим изобретением, является устройство для измерения гололедной и ветровой нагрузок на воздушных линиях электропередачи, с помощью которого выполняют одновременное измерение в режиме реального времени гололедной и ветровой нагрузок и расстояния приближения фазного провода к заземленным элементам конструкции опоры ВЛЭП независимо от режима работы ВЛЭП, в условиях плохой видимости и в отсутствии наблюдателя на контролируемом участке ВЛЭП.
ол
в
Указанный технический результат достигается тем, что используют устройство для измерения гололедной и ветровой нагрузок на ВЛЭП, содержащее силоизмерительный датчик, установленный между гирляндой изоляторов, подвешенной к траверсе на стойке опоры, и фазным проводом, первый и второй каналы телепередачи с измерительными приборами, отличающееся тем, что устройство содержит блок определения синуса угла отклонения гирлянды изоляторов от вертикального положения, умножитель, рассчитывающий ветровую нагрузку, блок определения расстояния приближения фазного провода к заземленным элементам конструкции опоры, блок определения гололедной нагрузки, первый выход «Гололедное-ветровая нагрузка N» устройства, второй выход «Гололедная нагрузка Г» устройства, третий выход «Ветровая нагрузка Р» устройства, четвертый выход «Расстояние приближения D» устройства, при этом первый выход силоизмерительного датчика соединен с входом первого канала телепередачи, выход которого подключен к первому выходу устройства, к первому входу блока определения гололедной нагрузки и к первому входу умножителя, определяющего ветровую нагрузку, выход которого соединен с третьим выходом устройства и со вторым входом блока определения гололедной нагрузки, выход которого подключен ко второму выходу устройства, а в силоизмерительный датчик установлен датчик измерения отклонения гирлянды изоляторов, соединенный вторым каналом телепередачи с входом блока определения синуса угла отклонения гирлянды изоляторов от вертикального положения, выход которого соединен со вторым входом умножителя, определяющего ветровую нагрузку, и входом блока определения расстояния приближения фазного провода к заземленным элементам конструкции опоры, выход которого соединен с четвертым выходом устройства.
Блок определения синуса угла отклонения гирлянды изоляторов от вертикального положения содержит формирователь сигнала о величине ускорения свободного падения и делитель, определяющий величину синуса угла отклонения гирлянды изоляторов от вертикального положения, при этом второй канал телепередачи соединен с первым входом делителя, определяющего величину синуса угла отклонения гирлянды изоляторов от вертикального положения, а выход формирователя о величине ускорения свободного падения соединен со вторым входом делителя определяющего величину синуса угла отклонения гирлянды изоляторов от вертикального положения.
Блок определения расстояния приближения фазного провода к заземленным элементам конструкции опоры содержит формирователь сигнала длины гирлянды изоляторов, умножитель, определяющий величину ширины отклонения провода, формирователь сигнала о нормальном расстоянии между фазным проводом и стойкой опоры, сумматор, определяющий расстояние приближения фазного провода к заземленным элементам конструкции опоры, при этом выход блока определения синуса угла отклонения гирлянды изоляторов от вертикального положения соединен с первым входом умножителя, определяющего величину ширины отклонения фазного провода, выход формирователя сигнала о длине гирлянды изоляторов соединен со вторым входом умножителя, определяющего величину ширины отклонения фазного провода, выход формирователя сигнала о нормальном расстоянии между фазным проводом и стойкой опоры соединен со вторым входом сумматора определяющего расстояние приближения фазного провода к заземленным элементам конструкции опоры, первый вход которого подключен к выходу умножителя, определяющего величину ширины отклонения фазного провода.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
в
в
Блок определения гололедной нагрузки содержит умножитель, определяющий сигнал N, умножитель, определяющий сигнал Р, сумматор, определяющий сигнал Р, блок извлечения корня второй степени, формирователь сигнала о весе фазного провода, сумматор, определяющий гололедную нагрузку, при этом сигнал о гололедное-ветровой нагрузке с выхода канала телепередачи показаний о гололедно-ветровой нагрузке поступает на оба входа умножителя, определяющего сигнал N, сигнал о ветровой нагрузке с выхода умножителя, определяющего ветровую нагрузку, поступает на оба входа умножителя, определяющего сигнал Р, а выход умножителя, определяющего сигнал N, соединен с первым входом сумматора, определяющего сигнал Р, выход умножителя, определяющего сигнал Рв, соединен со вторым входом сумматора, определяющего сигнал Р, выход сумматора определяющего сигнал Р, соединен с входом блока извлечения корня второй степени, выход формирователя сигнала о весе фазного провода подключен ко второму входу сумматора, определяющего гололедную нагрузку, первый вход которого подключен к выходу блока извлечения корня второй степени.
С помощью датчика измерения отклонения гирлянды изоляторов измеряют отклонение фазного провода с гирляндой изоляторов в плоскости, перпендикулярной линии визирования ВЛЭП, при любом направлении ветра независимо от параметров линии.
С помощью блока определения синуса угла отклонения гирлянды изоляторов от вертикального положения определяют фактическую величину синуса угла отклонения гирлянды изоляторов от вертикального положения по показаниям датчика измерения отклонения гирлянды изоляторов.
С помощью умножителя, рассчитывающего ветровую нагрузку, рассчитывают силу, отклоняющую фазный провод с гирляндой изоляторов перпендикулярно линии визирования и передающуюся опоре ВЛЭП, в реальном масштабе времени по фактической величине синуса угла отклонения гирлянды изоляторов от вертикального положения и фактической величине гололедно-ветровой нагрузки.
С помощью блока определения расстояния приближения фазного провода к заземленным элементам конструкции опоры определяют расстояние между фазным проводом и заземленными элементами конструкции ВЛЭП при любом положении гирлянды изоляторов в реальном масштабе времени на основании данных о фактическом синусе угла отклонения гирлянды изоляторов от вертикального положения, заданном расстоянии между заземленными элементами и фазным проводом при вертикальном положении гирлянды и заданной длине гирлянды изоляторов.
С помощью блока определения гололедной нагрузки рассчитывают гололедную нагрузку на опору ВЛЭП в реальном масштабе времени по фактической величине гололедно-ветровой нагрузки и рассчитанной в реальном масштабе времени величине ветровой нагрузки.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана функциональная схема заявленного устройства.
На фиг. 2 показано пространственное расположение векторов сил, ускорений и оси датчика измерения отклонения гирлянды изоляторов, а также изменение расстояний между элементами ВЛЭП в процессе воздействия гололедных и ветровых нагрузок.
гол
в
На фиг. 3 показана векторная диаграмма гололедной Р и ветровой нагрузок Р на ВЛЭП.
На фиг. 4 показано устройство блока, определяющего синус угла sinα отклонения гирлянды изоляторов от вертикального положения.
На фиг. 5 показано устройство блока, определяющего расстояние D приближения фазного провода к заземленным элементам конструкции опоры.
гол
На фиг. 6 показано устройство блока определения гололедной нагрузки Р.
На фиг. 1 приняты следующие обозначения:
1 - силоизмерительный датчик с датчиком измерения отклонения гирлянды изоляторов;
2 - гирлянда изоляторов;
3 - траверса опоры ВЛЭП;
4 - стойка опоры ВЛЭП;
5 - фазный провод;
6 - первый канал телепередачи показаний о гололедно-ветровой нагрузке N;
x
7 - второй канал телепередачи показаний об отклонении g фазного провода с гирляндой изоляторов;
8 - блок определения синуса угла sinα отклонения гирлянды изоляторов от вертикального положения;
в
9 - умножитель, определяющий ветровую нагрузку Р;
10 - блок определения расстояния D приближения фазного провода к заземленным элементам конструкции опоры ВЛЭП;
гол
11 - блок определения гололедной нагрузки Р;
12 - выход «Гололедно-ветровая нагрузка N» устройства;
гол
13 - выход «Гололедная нагрузка Р» устройства;
в
14 - выход «Ветровая нагрузка Р» устройства;
15 - выход «Расстояние приближения D» устройства.
На фиг. 2 приняты следующие обозначения:
1 - силоизмерительный датчик с датчиком измерения отклонения гирлянды изоляторов;
2 - гирлянда изоляторов;
3 - траверса опоры ВЛЭП;
4 - стойка опоры ВЛЭП;
5 - фазный провод.
На фиг. 3 приняты следующие обозначения:
Р - вес фазного провода с гололедными отложениями, представленный катетом прямоугольного треугольника;
в
Р - ветровая нагрузка, представленная катетом прямоугольного треугольника;
N - общая гололедно-ветровая нагрузка на силоизмерительный датчик 1
На фиг. 4 приняты следующие обозначения:
16 - формирователь сигнала о величине ускорения свободного падения g;
17 - делитель, определяющий величину sinα.
На фиг. 5 приняты следующие обозначения:
18 - формирователь сигнала о длине L гирлянды изоляторов;
19 - умножитель, определяющий величину ширины В отклонения фазного провода;
20 - формирователь сигнала о нормальном расстоянии А между фазным проводом и стойкой опоры ВЛЭП;
21 - сумматор, определяющий расстояние D приближения фазного провода к заземленным элементам конструкции опоры ВЛЭП.
На фиг. 6 приняты следующие обозначения:
2
22 - умножитель, определяющий сигнал N;
в
2
23 - умножитель, определяющий сигнал Р;
2
24 - сумматор, определяющий сигнал Р;
25 - блок извлечения корня второй степени Р;
0
26 - формирователь сигнала о весе фазного провода Р;
гол
27 - сумматор, определяющий гололедную нагрузку Р.
Осуществление изобретения
x
в
гол
гол
в
гол
в
в
гол
гол
x
в
Устройство для измерения гололедной и ветровой нагрузок и расстояния приближения фазного провода к заземленным элементам конструкции опоры содержит силоизмерительный датчик с датчиком измерения отклонения гирлянды изоляторов 1 (фиг. 1 и 2), установленный между гирляндой изоляторов 2 (фиг. 1 и 2), подвешенной к траверсе опоры ВЛЭП 3 (фиг. 1 и 2) на стойке опоры ВЛЭП 4 (фиг. 1 и 2), и фазным проводом 5 (фиг. 1 и 2), первый канал телепередачи показаний о гололедно-ветровой нагрузке N 6 (фиг. 1), второй канал телепередачи показаний об отклонении g гирлянды изоляторов 7 (фиг. 1), блок определения синуса угла sinα отклонения гирлянды изоляторов от вертикального положения 8 (фиг. 1), умножитель, определяющий ветровую нагрузку Р, 9 (фиг. 1), блок определения расстояния D приближения фазного провода к заземленным элементам конструкции опоры 10 (фиг. 1), блок 11 определения гололедной нагрузки Р (фиг. 1), первый выход «Гололедно-ветровая нагрузка N» устройства 12 (фиг. 1), второй выход «Гололедная нагрузка Р» устройства 13 (фиг. 1), третий выход «Ветровая нагрузка Р» устройства 14 (фиг. 1), четвертый выход «Расстояние приближения D» устройства 15 (фиг. 1). При этом силоизмерительный датчик с датчиком измерения отклонения гирлянды изоляторов 1 (фиг. 1 и 2) соединен с первым каналом телепередачи показаний о гололедно-ветровой нагрузке N 6 (фиг. 1 и 2), выход которого соединен с первым выходом «Гололедно-ветровая нагрузка N» устройства 12 (фиг. 1), первым входом блока определения гололедной нагрузки Р 11 (фиг. 1) и первым входом умножителя, определяющего ветровую нагрузку Р, 9 (фиг. 1), выход которого соединен с третьим выходом «Ветровая нагрузка Р» устройства 14 (фиг. 1) и вторым входом блока определения гололедной нагрузки Р 11 (фиг. 1), выход которого соединен со вторым выходом «Гололедная нагрузка Р» устройства 13 (фиг. 1), датчик измерения отклонения гирлянды изоляторов (не показан) соединен со вторым каналом телепередачи показаний об отклонении g гирлянды изоляторов 7 (фиг. 1), выход которого соединен с входом блока определения синуса угла sinα отклонения гирлянды изоляторов от вертикального положения 8 (фиг. 1), выход которого соединен со вторым входом умножителя, определяющего ветровую нагрузку Р, 9 (фиг. 1) и входом блока определения расстояния D приближения фазного провода к заземленным элементам конструкции опоры ВЛЭП 10 (фиг. 1), выход которого соединен с четвертым выходом «Расстояние приближения D» устройства 15 (фиг. 1).
Пространственное расположение векторов сил, ускорений и оси датчика измерения отклонения гирлянды изоляторов 2 (фиг. 1 и 2) показано на фиг. 2.
в
x
гол
0
0
гол
Работа заявленного устройства при двух вариантах гололедно-ветровой нагрузки: 1. В первом варианте ветер отсутствует, соответственно ветровая нагрузка Р=0, отклонения гирлянды изоляторов 2 (фиг. 1 и 2) от вертикального положения нет, а значит горизонт Og, ортогональный вектору ускорения свободного падения g, совпадает с собственной осью X датчика измерения отклонения гирлянды изоляторов, и отклонение g гирлянды изоляторов 2 (фиг. 1 и 2), равное длине проекции вектора ускорения свободного падения g на ось X, равно нулю, расстояние D приближения фазного провода 5 (фиг. 1 и 2) к заземленным элементам конструкции опоры ВЛЭП сохраняется равным расстоянию А между стойкой опоры ВЛЭП 4 (фиг. 1 и 2) и точкой подвеса гирлянды изоляторов 2 (фиг. 1 и 2), но присутствует вес Р фазного провода и гололедных отложений, являющийся суммой Р=Р+Р веса фазного провода Р, который является постоянным, и веса гололедных отложений Р, который изменяется во времени, следовательно, в данном случае сила N, измеренная силоизмерительным датчиком равна весу Р фазного провода и гололедных отложений.
в
x
в
в
2. Во втором варианте, когда ветер присутствует, ветровая нагрузка Р≠0 и фазный провод 5 (фиг. 1 и 2) увлекает за собой гирлянду изоляторов 2 (фиг. 1 и 2), та отклоняется, расстояние D приближения фазного провода 5 (фиг. 1 и 2) к заземленным элементам конструкции опоры ВЛЭП становится равным разности расстояния А между стойкой опоры ВЛЭП 4 (фиг. 1 и 2) и точкой подвеса гирлянды изоляторов 2 (фиг. 1 и 2) и шириной В отклонения фазного провода 5 (фиг. 1 и 2), D=A-B, и может стать меньше чем допустимое расстояние С, при этом происходит отклонение собственной оси X датчика измерения отклонения гирлянды изоляторов от горизонта Og, отклонение g гирлянды изоляторов 2 (фиг. 1 и 2), равное длине проекции вектора ускорения свободного падения g на ось X, не равно нулю, а пропорционально синусу угла sinα отклонения, которому пропорциональна ветровая нагрузка Р, в присутствии ветровой нагрузки Р и веса фазного провода с гололедными отложениями Р общая гололедно-ветровая нагрузка N на силоизмерительный датчик с датчиком измерения отклонения гирлянды изоляторов 1 (фиг. 1 и 2) будет больше, чем измеренная нагрузка в первом варианте.
в
Векторная диаграмма нагрузок на ВЛЭП показана на фиг. 3. Общая гололедно-ветровая нагрузка N является векторной суммой веса фазного провода 5 (1 и 2) с гололедными отложениями Р и ветровой нагрузки Р, а величина N определяется уравнением:
Р - вес фазного провода с гололедными отложениями, представленный катетом прямоугольного треугольника;
в
Р - ветровая нагрузка, представленная катетом прямоугольного треугольника;
N - общая гололедно-ветровая нагрузка на силоизмерительный датчик с датчиком измерения отклонения гирлянды изоляторов 1 (фиг. 1 и 2).
x
Блок определения синуса угла sinα отклонения гирлянды изоляторов от вертикального положения 8 (фиг. 1) показан на фиг. 4. Блок определения синуса угла sinα отклонения гирлянды изоляторов от вертикального положения 8 (фиг. 1) содержит формирователь сигнала о величине ускорения свободного падения g 16 (фиг. 4) и делитель, определяющий величину sinα, 17 (фиг. 4), при этом формирователь сигнала о величине ускорения свободного падения g 16 (фиг. 4) передает сигнал о величине ускорения свободного падения  на второй вход делителя, определяющего величину sinα, 17 (фиг. 4), на первый вход которого передается сигнал об отклонении g гирлянды изоляторов 2 (фиг. 1 и 2), на выходе делителя, определяющего величину sinα, 17 (фиг. 4) определяется сигнал о величине sinα согласно выражению:
Блок определения расстояния D приближения фазного провода к заземленным элементам конструкции опоры 10 (фиг. 1) показан на фиг. 5. Блок определения расстояния D приближения фазного провода к заземленным элементам конструкции опоры 10 (фиг. 1) содержит формирователь сигнала о длине L гирлянды изоляторов 18 (фиг. 5), умножитель, определяющий величину ширины В отклонения фазного провода, 19 (фиг. 5), формирователь сигнала о нормальном расстоянии А между фазным проводом и стойкой опоры ВЛЭП 20 (фиг. 5), сумматор, определяющий расстояние D приближения фазного провода к заземленным элементам конструкции опоры 21 (фиг. 5). При этом формирователь сигнала о длине L гирлянды изоляторов 18 (фиг. 5) соединен со вторым входом умножителя, определяющего величину ширины В отклонения фазного провода, 19 (фиг. 5), на первый вход которого поступает сигнал о величине синуса угла sinα отклонения гирлянды изоляторов от вертикального положения от блока определения угла sinα отклонения гирлянды изоляторов от вертикального положения 8 (фиг. 1), на выходе умножителя, определяющего величину ширины В отклонения фазного провода, 19 (фиг. 5) формируется сигнал о ширине отклонения гирлянды изоляторов 2 (фиг. 1 и 2):
Выход умножителя, определяющего величину ширины В отклонения фазного провода, 19 (фиг. 5) соединен с первым входом сумматора, определяющего расстояние D приближения фазного провода к заземленным элементам конструкции опоры ВЛЭП, 21 (фиг. 5), второй вход которого соединен с выходом формирователя сигнала о нормальном расстоянии А между фазным проводом и стойкой опоры ВЛЭП 20 (фиг. 5), на выходе сумматора, определяющего расстояние D приближения фазного провода к заземленным элементам конструкции опоры ВЛЭП 21 (фиг. 1), формируется сигнал о расстоянии D приближения фазного провода к заземленным элементам конструкции опоры ВЛЭП согласно выражению:
гол
гол
в
0
гол
в
в
в
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Блок определения гололедной нагрузки Р 11 (фиг. 1) показан на фиг. 6. Блок определения гололедной нагрузки Р 11 (фиг. 1) содержит умножитель, определяющий сигнал N, 22 (фиг. 6), умножитель, определяющий сигнал Р, 23 (фиг. 6), сумматор, определяющий сигнал Р, 24 (фиг. 6), блок извлечения корня второй степени Р 25 (фиг. 6), формирователь сигнала о весе фазного провода Р 26 (фиг. 6), сумматор, определяющий гололедную нагрузку Р, 27 (фиг. 6). При этом сигнал о гололедно-ветровой нагрузке N поступает на оба входа умножителя, определяющего сигнал N, 22 (фиг. 6), на выходе которого формируется сигнал N, сигнал о ветровой нагрузке Р поступает на оба входа умножителя, определяющего сигнал Р, 23 (фиг. 6), на выходе которого формируется сигнал Р, на первый вход сумматора, определяющий сигнал Р, 24 (фиг. 6), определяющего сигнал Р согласно выражению:
2
2
в
гол
0
гол
гол
поступает сигнал N, на второй вход сумматора поступает сигнал Р, выход сумматора соединен с входом блока извлечения корня второй степени Р 25 (фиг. 6) извлечения корня второй степени Р, выход которого подключен к первому входу сумматора, определяющего гололедную нагрузку Р, 27 (фиг. 6), ко второму входу которого подключен формирователь сигнала о весе фазного провода Р 26 (фиг. 26), сумматор, определяющий гололедную нагрузку Р, 27 (фиг. 26) определяет гололедную нагрузку Р по выражению:
Для реализации заявленного устройства может быть использован силоизмерительный датчик CDS-5 с дополнительно встроенным датчиком измерения отклонения гирлянды изоляторов, выполненным на основе трехосевого цифрового акселерометра ADXL345. Расчет гололедной и ветровой нагрузок, а также расстояния приближения до заземленных элементов конструкции опоры ВЛЭП, выполнен программно на 8-битном микроконтроллере ATmega168A.
Заявленное устройство работает следующим образом:
в
x
x
В
Устройство для измерения гололедной и ветровой нагрузок и расстояния приближения фазного провода к заземленным элементам конструкции опоры ВЛЭП содержит силоизмерительный датчик 1 (фиг. 1 и 2) с датчиком измерения отклонения гирлянды изоляторов, который подвешивается между гирляндой изоляторов 2 (фиг. 1 и 2), подвешенной на траверсе опоры ВЛЭП 3 (фиг. 1 и 2) стойки опоры ВЛЭП 4 (фиг. 1 и 2), и фазным проводом 5 (фиг. 1 и 2). Если ветер, поперечный ВЛЭП, отсутствует, соответственно ветровая нагрузка Р=0, отклонения гирлянды изоляторов 2 (фиг. 1 и 2) от вертикального положения нет. При этом горизонт Og, ортогональный вектору ускорения свободного падения g, совпадает с собственной осью X датчика измерения отклонения гирлянды изоляторов, и отклонение g гирлянды изоляторов 2 (фиг. 1 и 2), равное длине проекции вектора ускорения свободного падения g на ось X, равно нулю. Сигнал g=0 передается по второму каналу 7 (фиг. 1) телепередачи на вход блока определения синуса угла sinα отклонения гирлянды изоляторов от вертикального положения 8 (фиг. 1), на выходе которого в данном случае будет сигнал sinα=0. Данный сигнал поступает на вход блока определения расстояния D приближения фазного провода к заземленным элементам конструкции опоры ВЛЭП 10 (фиг. 1) и на второй вход умножителя, определяющего ветровую нагрузку Р, 9 (фиг. 1), и в случае sinα=0, расстояние D будет определено блоком определения расстояния D приближения фазного провода к заземленным элементам конструкции опоры ВЛЭП 10 (фиг. 1) как
А - расстояние между стойкой опоры ВЛЭП 4 (фиг. 1 и 2) и точкой подвеса гирлянды изоляторов 2 (фиг. 1 и 2);
В - величина отклонения гирлянды изоляторов 2 (фиг. 2);
L - длина гирлянды изоляторов 2 (фиг. 2);
sinα - угол отклонения гирлянды изоляторов 2 (фиг. 2);
а сигнал о ветровой нагрузке на выходе умножителя 9 (фиг. 1) будет:
в
Показания N силоизмерительного датчика с датчиком измерения отклонения гирлянды изоляторов 1 (фиг. 1 и 2) в отсутствие ветровой нагрузки Р и отклонения гирлянды изоляторов 2 (фиг. 1 и 2) будут определяться весом фазного провода 5 (фиг. 1 и 2) с гололедными отложениями Р, являющимся суммой
0
Р - вес фазного провода, который является постоянным;
гол
Р - вес гололедных отложений, который изменяется во времени.
гол
гол
в
Эти показания передаются посредством первого канала телепередачи о гололедной нагрузке N 6 (фиг. 1) на первый вход блока определения гололедной нагрузки Р 11 (фиг. 1). Поскольку отклонения гирлянды изоляторов 2 (фиг. 1 и 2) в отсутствие ветровой нагрузки нет, то на выходе блока определения гололедной нагрузки Р 11 (фиг. 1) будет сформирован сигнал согласно выражению, при Р=0 равный:
гол
Таким образом, на выходе «Гололедно-ветровая нагрузка N» устройства 12 (фиг. 1) формируется сигнал равный N, на выходе «Гололедная нагрузка Р» устройства 13 (фиг. 1) формируется сигнал:
В
в
на выходе «Ветровая нагрузка Р» устройства 14 (фиг. 1) формируется сигнал Р=0, на выходе «Расстояние приближения D» устройства 15 (фиг. 1) формируется сигнал D=A.
в
x
x
x
x
x
Когда присутствует ветер, поперечный ВЛЭП, ветровая нагрузка Р≠0 и фазный провод 5 (фиг. 1 и 2) увлекает за собой гирлянду изоляторов 2 (фиг. 1 и 2). Гирлянда изоляторов 2 (фиг. 1 и 2) отклоняется, расстояние D приближения фазного провода 5 (фиг. 1 и 2) к заземленным элементам конструкции опоры ВЛЭП становится равным разности расстояния А между стойкой опоры ВЛЭП 4 (фиг. 1 и 2) и точкой подвеса гирлянды изоляторов 2 (фиг. 1 и 2) и шириной В отклонения, D=A-B, и может стать меньше чем допустимое расстояние С (фиг. 2). При этом происходит отклонение собственной оси X датчика измерения отклонения гирлянды изоляторов от горизонта Og. Отклонение g гирлянды изоляторов 2 (фиг. 1 и 2) не равно нулю и пропорционально синусу угла sinα отклонения со знаком, соответствующим направлению отклонения. При отклонении по направлению к стойке опоры ВЛЭП 4 (фиг. 1 и 2) знак g будет положительным, и направление ветра считается от точки подвеса гирлянды изоляторов 2 (фиг. 1 и 2) к стойке опоры ВЛЭП 4 (фиг. 1 и 2), а при отклонении по направлению от стойки опоры ВЛЭП 4 (фиг. 1 и 2) - отрицательным - g, а направление ветра считается от стойки опоры ВЛЭП 4 (фиг. 1 и 2) к точке подвеса гирлянды изоляторов 2 (фиг. 1 и 2). Сигнал о отклонении g передается по второму каналу телепередачи показания об отклонении g фазного провода с гирляндой изоляторов 7 (фиг. 1) на вход блока определения синуса угла sinα отклонения гирлянды изоляторов 2 (фиг. 1 и 2) от вертикального положения 8 (фиг. 1), на выходе которого сигнал будет определяться выражением:
Данный сигнал поступает на вход блока определения расстояния D приближения фазного провода к заземленным элементам конструкции опоры ВЛЭП 10 (фиг. 1) и в случае sinα≠0 блоком определения расстояния D приближения фазного провода к заземленным элементам конструкции опоры ВЛЭП 10 (фиг. 1) определяется ширина отклонения
и расстояние D, которое определяется как D=A-B.
в
в
в
в
Показания N силоизмерительного датчика с датчиком измерения отклонения гирлянды изоляторов 1 (фиг. 1 и 2) при наличии ветровой нагрузки Р≠0 и отклонения гирлянды изоляторов 2 (фиг. 1 и 2) будут определяться векторной суммой веса фазного провода 5 (фиг. 1 и 2) с гололедными отложениями Р и ветровой нагрузки Р. Эти показания передаются по первому каналу телепередачи о гололедной нагрузке N 6 (фиг. 1) на первый вход умножителя, определяющего ветровую нагрузку Р 9 (фиг. 1), на выходе которого формируется сигнал о величине ветровой нагрузки Р согласно выражению
гол
в
гол
гол
при этом сохраняется знак, соответствующий направлению ветра, определяемый по показаниям датчика измерения отклонения гирлянды изоляторов 2 (фиг. 1 и 2). Также показания N передаются на первый вход блока определения гололедной нагрузки Р 11 (фиг. 1), на второй вход которого передаются данные о величине ветровой нагрузки Р. Гололедная нагрузка Р вычисляется в блоке определения гололедной нагрузки Р 11 (фиг. 1) согласно выражению:
гол
Таким образом, на первом выходе «Гололедно-ветровая нагрузка N» устройства 12 (фиг. 1) формируется сигнал равный N, на втором выходе «Гололедно-ветровая нагрузка Р» устройства 13 (фиг. 1) формируется сигнал:
В
на третьем выходе «Ветровая нагрузка Р» устройства 14 (фиг. 1) формируется сигнал:
на четвертом выходе «Расстояние приближения D» устройства 15 (фиг. 1) формируется сигнал D:
Использование заявленного устройства обеспечивает одновременное измерение в режиме реального гололедной и ветровой нагрузок, а также измерения синуса угла отклонения гирлянды изоляторов и расчета расстояния приближения фазного провода к заземленным элементам конструкции опоры ВЛЭП независимо от режима работы ВЛЭП, в отсутствии наблюдателя на контролируемом участке линии ВЛЭП.
Источники информации:
1. Мониторинг воздушных линий электропередачи, эксплуатируемых в экстремальных метеоусловиях: монография / В.Я. Башкевич, Г.Г. Угаров, П.А. Кузнецов, С.Б. Стебеньков. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2013. - 244 с.
2. А.С. 1173473 (СССР). Датчик гололедографа / А.П. Костенко, Ю.С. Мильский и др. // 15.08.85. Бюл. N 30.
3 А.С. 1539885 (СССР). Устройство для контроля гололедной нагрузки на проводах или тросах линий электропередачи / Ю.И. Лысков, В.С. Молодцов, М.М. Середин // 30.01.90. Бюл. N4.
4. Патент на изобретение РФ №2255402. Устройство телеизмерения гололедной, ветровой и гололедно-ветровой нагрузок на фазный провод воздушной линии электропередачи с индикацией относительного направления ветра / М.П. Гапоненков, В.Я. Башкевич, С.В. Аверьянов и др. // МПК H02G 7/16, 2004.
5. Патент на изобретение РФ №2145758. Устройство для измерения гололедной и ветровой нагрузок на воздушных линиях электропередачи / И.И. Левченко, А.С. Засыпкин, А.А. Аллилуев и др. // МПК H02G 7/16, 1998.