Способ и устройство автоматизированной защиты ЛЭП от снежно-ледового покрытия

собие для вузов / Е. А. Никулин. — СПб.: БВХ-Петербург, 2004. — 640 с.

6. Бесекерский, В. А. Теория систем автоматического управления / В. А. Бесекерский, Е. П. Попов. — Изд. 4-е, перераб. и доп. — СПб.: Изд-во «Профессия», 2004. - 752 с.

7. Мирошник, И. В. Теория автоматического управления. Нелинейные и оптимальные системы / И. В. Мирошник — СПб. : Питер, 2006. -272 с.

8. Макаров, И. М. Линейные автоматические системы (элементы теории, методы расчета и справочный материал) / И. М. Макаров, Б. М. Менский. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1982. — 504 с..

9. Куропаткин, П. В. Теория автоматического управления : учебн. пособие для электротехн. специальностей вузов / П. В. Куропаткин — М.: Высш. школа, 1973. — 528 с.

10. Мирошник, И. В. Теория автоматического управления. Линейные системы / И. В. Мирошник. — СПб.: Питер, 2005. — 336 с.

11. Теория автоматического управления : учеб. пособие для вузов/Е. АСанковский [и.др.]. — М.:Высш.школа», 1977. — 448с.

ПЛАНКОВ Александр Анатольевич, аспирант, ассистент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».

ОСИПОВ Дмитрий Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».

ЛЮТАРЕВИЧ Александр Геннадьевич, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий». ДЕД Александр Викторович, старший преподаватель кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».

Адрес для переписки: e-mail: mail_tochka_ru@ mail.ru

Статья поступила в редакцию 08.10.2010 г. © А. А. Планков, Д. С. Осипов, А. Г. Лютаревич, А. В. Дед

УДК «1.382 н. Д. ШЕЛКОВНИКОВ

Д. Н. ШЕЛКОВНИКОВ

Омский государственный технический университет

СПОСОБ И УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ЗАЩИТЫ ЛЭП ОТ СНЕЖНО-ЛЕДОВОГО ПОКРЫТИЯ_

Вниманию предложен иной способ удаления гололедных образований с проводов линий электропередачи путем воздействия на них мощных импульсов тока, вызывающих, соответственно, термодинамические удары, которые являются определяющим условием для «сброса» подтопленного гололеда.

Сущность автоматизации защиты ЛЭП от гололеда состоит в том, что посредством автономных мониторингов, установленных на опорах линий электропередачи, по УКВ радиоканалу сообщается в диспетчерский пункт цифровой код с указанием координат, вида аварийной ситуации и команды на автоматическое включение системы защиты. Приведены энергетические расчеты.

Ключевые слова: линия электропередачи (ЛЭП), плавление гололедных образований на ЛЭП, диагностика ЛЭП.

Данная работа посвящена актуальной идее удаления снежно-ледового покрова с проводов высоковольтных линий электропередачи (ЛЭП), не прерывая подачи электроэнергии потребителям. По результатам исследований литературных и патентных источников выявлен ряд технических решений по защите ЛЭП от гололёда.

Так, предложено механическое устройство Берн-гардта, представляющее собой устройство в виде облегающего провод контейнера-очистителя с осевым отверстием, постановочной прорезью и отверстиями в боковых стенках для механической ломки и удаления с проводов льда, приводящегося в действие за счёт ветряных лопастей. Это устройство уникально по содержанию инженерного замысла, однако, по причине сложности технического обслуживания их боль-шого количества, данный способ не нашёл приме-I нения.

Проанализирован способ удаления гололеда при пропускании фазного тока короткого замыкания по проводам линии электропередачи. При этом способе удаления гололёда необходимо прерывать подачу электроэнергии потребителю. Поскольку ток короткого замыкания, используемый в данном способе, является аварийным режимом для линии электропередачи, то такой способ защиты линий электропередачи не нашёл широкого применения.

Наиболее заслуживающим внимания способом удаления гололёда с проводов электропередачи является способ, при котором по проводам расщепленной фазы пропускают переменный ток с частотой, близкой к механическому резонансу проводов [ 1 ]. Основной недостаток данного способа состоит в том, что проводные линии при пропускании по ним переменного тока очень низкой частоты, образуют колебательную систему, которая может на отдельных пролё-

тах между опорами войти в неуправляемый резонанс, чреватый своими последствиями. А предусмотренные этим способом механические удары проводов друг об друга реализовать невозможно, поскольку правила строительства воздушных линий электропередач исключают их соударение и перехлест в любых погодных условиях. Этот способ также не нашёл применения.

Таким образом, по результатам анализа результатов патентных исследований сделан вывод, что только путем пропускания по проводам мощных импульсов тока малой длительности без прерывания подачи электроэнергии потребителям можно достигнуть положительного эффекта при сбросе снежно-ледового покрова.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что по двойным или кратным проводам расщепленной фазы линии электропередачи пропускают одиночный или несколько коротких импульсов тока с амплитудой каждый, достаточной для нагревания проводов без их разрушения с накоплением тепла в проводах до температуры плавления снежно ледового покрова. В результате воздействия на провода одного или нескольких коротких импульсов тока с выделением в них суммарного количество тепла вызывают быстрое оттаивание ледяного покрова, а удельное удлинение проводов при этом вызывают соответственно один или несколько термодинамических ударов, что в совокупности является определяющим условием для «сброса» гололёда.

Кроме воздействия термодинамического удара в вертикальной плоскости, одновременно действуют горизонтальные силы притягивания или отталкивания проводов при протекании в проводах импульсного тока. При этом их суммарные силы, включая силы, действующие на проводник с током в магнитном поле Земли, способствуют сокращению времени удаления снежно-ледового покрова с проводов ЛЭП.

Применение в предлагаемом способе гальванически развязанного источника импульсов тока, выполненного на основе импульсного трансформатора, вторичная обмотка которого подключена в контур проводов расщепленной фазы, обеспечивают непрерывную подачу электроэнергии потребителям. Такой

гальванически развязанный мощный источник энергии в виде коротких импульсов реализуется путем накопления энергии на конденсаторе (Е = Си2/2) или индуктивности (Е = П2/2) от маломощного источника электропитания с последующим расходом этой энергии на нагрузке в виде короткого импульса большой мощности. На рис. 1 приведена схема, поясняющая принцип формирования мощных импульсов тока с использованием импульсного трансформатора, чем обеспечивается гальваническая развязка от сети 3-фазного напряжения ЛЭП. Этот же трансформатор с элементами согласования волновых сопротивлений генератора мощных импульсов с контуром расщеплённой фазы линий электропередачи, образуют цепь с активной нагрузкой (цепи согласования на рисунке не показаны).

Известно [2], что если в зарядной цепи конденсатора использовать формирующие устройства на основе резонансных контуров можно получить мощность импульса в пределах 50 МВт и более. А индуктивные накопители энергии, в свою очередь, позволяют получить импульсы сверхбольшой мощности порядка 105 МВт.

Произведенные ориентировочные энергетические расчеты для двойной расщеплённой линии электропередачи из алюминиевых проводов сечением 50 мм2 длиной 50 км с весом 5,7-103 кг и накопленной энергией на конденсаторе Р = 50 МВт показали, что температура нагрева проводов при воздействии 5-милли-секундных импульсов тока достигает 184 °С. В целях гарантированной защиты ЛЭП от стихии гололёдного явления становится очевидным применение автоматизированной системы сброса снежно-ледового покрытия с проводов ЛЭП (рис. 2).

Сущность автоматизации процесса защиты ЛЭП от снежно-ледового покрова заключается в следующем. Вдоль ЛЭП на опорах линий электропередачи устанавливают устройства мониторинга, данные результатов контроля от которых по УКВ радиоканалу поступают на подстанцию для оповещения и автоматического включения устройства защиты ЛЭП. Устройство мониторинга включает в себя:

— датчики типа динамометра, встроенные в гирлянды изоляторов;

Рис. 1. Генератор мощных импульсов

Радиоканал

У

Радиоприёмное устройство

I

Диспетчерский пункт

Н Устройство 1-защиты В-

Линия электропередачи

У

I Радиопередающее I устройство I

Датчики состояния ЛЭП

Рис. 2. Автоматизированная система защиты ЛЭП от гололёда I 5В

Ветряной генератор Аккум-р \ Преобр. напряж-ии 25В \ Накопитель энергии

У / /

Рис. 3. Устройство мониторинга

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

— функционально независимый источник электропитания в составе маломощного ветряного генератора переменного тока, аккумулятора и преобразователя напряжений для электропитания радиопередатчика. Функциональная схема мониторинга приведена на рис. 3.

Датчик, который, в зависимости от веса провода, формирует три команды: «Обрыв», когда датчик фиксирует вес провода ниже установленного предела; «Норма», когда датчик фиксирует вес провода в пределах нормы; «Гололёд», когда датчик фиксирует вес провода выше установленного предела, что говорит об опасности возникающего гололёдного образования с необходимостью передачи команды на включение устройства защиты ЛЭП.

Сформированный в передатчике код представляет ^ собой б-разрядное число в десятичной форме исчис-£ ления, из которых первые четыре разряда являются о идентификационным кодом с указанием номера опо-< ры, на котором установлен мониторинг. Следующий | разряд указывает порядковый номер провода, с ко-£ торым произошёл обрыв, и последний шестой разряд £ указывает число, которое присвоено виду состояния £ линии электропередачи: «Обрыв», «Норма» или «Го-^^ лолёд». При поступлении от датчиков в передатчик И* команд об аварийной ситуации, последний форми-

рует соответствующий код и по радиоканалу передаёт сообщение на подстанцию, где установлена система защиты ЛЭП от гололёда. По приёму команды «Гололёд» автоматически включается система защиты на время до прихода от мониторинга команды «Норма». По приходу команды «Обрыв» ремонтная бригада выступает на устранение повреждения линии электропередачи в указанное в сообщении место.

Радиопередатчик работает в УКВ диапазоне (156 — 174) МГц. Для передачи на подстанцию сигнала от мониторинга используется метод время-импульсной модуляции (ВИМ) [3]. Сущность метода передачи цифрового кода состоит в том, что это сообщение определяется временным интервалом, начало и конец которого сообщается корреспонденту передачей только двух соответствующих коротких радиоимпульсов. А число тактовых импульсов определённой 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 экономия электроэнергии от автономного источника электропитания.

Наиболее ответственным звеном в автоматизированной системе защиты является автономный источник электропитания, который устанавливается на опоре ЛЭП. Основным источником электроэнергии является ветряной генератор и малогабаритный аккумулятор, который всегда находится в режиме подзарядки.

Устройство согласования

Рис. 4. Импульсный трансформатор и устройство согласования

В Ри„ КдкЮгйш

9 ¡ооо т ¿ооо чмо то _______

1 2 3 4 5 6 ?8*|0 20 30 ^ИОЙГрЩб

Рис. 5. Энергетические расчёты ЛЭП в зависимости от накопленной энергии

ттщ

/ 2 3 Н

Щ тек

Рис.6. Энергетические расчёты в зависимости от длительности т

Основным потребителем электроэнергии при передаче сигналов в виде двух радиоимпульсов длительностью каждый т = 2 мс с мощностью излучения не менее 25 Вт, является усилитель мощности. Электропитание этого усилителя осуществляется от накопителя энергии на конденсаторе Сн = 2000 мкф с на-

пряжением на нём 12 В. При этом, накопленная энергия составляет Е = 0,5и2Сиак = 0,5-122-2000-10~6 = = 0,144 Дж/с. Тогда мощность импульсного сигнала в антенне будет Р =Е/т = 0.144./5-10"3 = 28,8 Вт.

' изл имп

Усилитель мощности выполнен по двухтактной схеме в классе В.

Таким образом, обеспечиваются высокоэкономичная работа источников электропитания и достоверная передача команд управления в системе автоматизированной защиты ЛЭП.

Произведём ориентировочный энергетический расчет генератора мощных импульсов, отражающий наиболее реальные параметры в процессе удаления гололёдных образований с проводов электропередачи ЛЭП марки АС-50 длиной 50 км.

Исходные данные:

— К2=52 Ом — сопротивление 2-проводной расщеплённой фазы;

— М2 = 20 тонн — масса 2-проводной расщеплённой фазы;

— суд= 10"2-8,8 Дж/кг-К—удельная теплоемкость;

— Собщ-0,15 Ф — батарея из 100 штук конденсаторов типа К75-80Б, ёмкостью каждая 1500 мкф, 2000 В, соединенных параллельно.

Количество накопленной энергии от источника иист = 2000 В составляет

Е = 0,5-и2исттах'Собщ =0,5-20002,0,15 = ЗООКДж/с.

При длительности сформированного импульса 5 мс импульсная мощность составляет Рнак = Е/тимп = = 60 МВт.

Эта мощность через импульсный трансформатор нагружается в контур расщепленной фазы. При этом количество выделенного тепла в линии

О = 0.24-Рнак -ти = 0,24,60-106-5 1 03 = 72,0 ккал.

Температура нагрева проводов

Т2-Т, = 0/М2суд = 72-103/20-8,8-10~2 = 40,9°С.

Поскольку температура образования снежно-ле-дового покрова происходит при нуле градусов, а образование этого покрова ниже минус пяти градусов не образуется вовсе, то этой температуры будет достаточно для его удаления. Для большей уверенности удаления снежно-ледового покрова количество импульсов можно повторить несколько раз с периодом повторения, не превышающим времени остывания проводов. В целях ускорения удаления с проводов гололёдного образования целесообразно увеличить напряжение на накопительном конденсаторе, например, в два раза, т.е. до четырёх киловольт. В этом случае накопленная энергия увеличится в четыре раза. При этом температура нагрева проводов также увеличится в четыре раза и составит для двойной расщеплённой фазы массой 20 тонн

Т2-Т, = 0/М2суд = = 288,0-103/20-103- 8,8-10"2 = 163,6 °С.

При этом ток в импульсе будет 1мах = 2148 А.

Импульсный трансформатор (рис. 4) выполнен на тороидальном сердечнике марки 34НКМП с магнитной проницаемостью |1к= 10-103, размером 800х х400х200 мм, 2 шт. Коэффициент трансформации Др = ш1/со2=1.

Расчётные диаметр провода первичной обмотки D = 10 мм, число витков со, = 13. При этом индуктивность намагничивания равна Ц = 7,5- 10~4Гн. Площадь поперечного сечения Б = 800 см2.

Согласующее устройство предназначено для согласования входного импеданса ЛЭП с волновым сопротивлением нагрузки импульсного трансформатора. Т.е. обеспечивается компенсация реактивной

составляющей сопротивления ЛЭП и трансформация активной ее части.

На рис. 5, б приведены графики результатов аналитических расчётов энергетических параметров ЛЭП в зависимости от типа проводов, их массы, накопленной энергии, длительности импульсов и требуемой температуры нагрева линий электропередачи.

Увеличение накопленной энергии достигается повышением напряжения на накопительном конденсаторе путём прямого преобразования напряжения от первичного источника электропитания, либо использованием дополнительной индуктивности, преобразованное напряжение с которой поступает на накопительный конденсатор. Т.е. по принципу, который используется в генераторах мощных импульсов в ускорителях заряженных частиц.

Для проверки и уточнения произведённых выше расчётных энергетических данных планируется реализовать опытный образец генератора мощных импульсов и произвести его испытание на реальных трассах ЛЭП.

Заключение

Изложенный в данной работе способ и устройство защиты ЛЭП обеспечивают её защиту от гололёдных образований путём своевременного оповещения диспетчерского пункта о надвигающейся аварийной ситуации с одновременным автоматическим включением устройства плавки гололёда. Произведённые энергетические расчеты в соответствии с фундаментальными законами термодинамики убедительно показывают работоспособность данной системы защиты. Используя данную методику, можно проектировать ЛЭП любой мощности и её защиту от гололёдных образований. Этот способ защищён патентом на изобретение в 2010 году [4].

Библиографический список

1. Пат. № 2166826 Российская Федерация, МПК Н02С7/16, В60М1/12. Способ удаления гололёда с проводов контактной сети и линий электропередачи/ Ефимов А. В. и др.; заявитель и патентообладатель: Уральская государственная академия путей сообщения. — №99114706/09; заявл. 07.05.1999; опубл. 27.04.2001, Бюл. № 38.

2. Быстров, Ю. А. Электронные цепи и микросхемотехника / Ю. А. Быстров, И. Г. Мироненко. — Москва : Высшая школа, 2002. - 384 с. - БВИ 5-06-004040-2.

3. Пат. №2222104 Российская Федерация, (51) МПКН04В7/00. Способ передачи цифровых сообщений / Шелковников Н. Д. ; заявитель и патентообладатель : Государственное унитарное предприятие — Омский научно-исследовательский институт приборостроения. - №2000116139/09; заявл. 19.06.2000; опубл. 20.01.2004, Бюл. №2.

4. Пат. № 2404497 Российская Федерация, МПК Н02С 7/16 (2006.01). Способ удаления снежно-ледового покрова с проводов линий электропередачи / Шелковников Н. Д., Шелковников Д. Н. и др.; заявитель и патентообладатель: ГОУВПО Омский государственный технический университет, — №2009111643/07; заявл. 30.03.2009 ; опубл.20 11.2010, Бюл. № 32.

ШЕЛКОВНИКОВ Николай Дмитриевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», секция «Промышленная электроника».

ШЕЛКОВНИКОВ Дмитрий Николаевич, специалист-физик.

Адрес для переписки: e-mail: Hirurg-37@mail.ru

Статья поступила в редакцию 08.12.2010 г. © Н. Д. Шелковников, Д. Н. Шелковников