УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ЛЕДЯНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ НА ПРОВОДЕ
ICE DEPOSITS ON WIRE THICKNESS DETERMINATION DEVICE AND METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для определения наличия и оценки толщины ледяных отложений и влаги на проводах линий электропередач (ЛЭП), в том числе высоковольтных.
Уровень техники
Из патента RU 2409881 известно устройство определения наличия ледяных отложений на проводе ЛЭП, принцип действия которого заключается в возбуждении и регистрации акустических колебаний, амплитуда которых зависит от наличия/отсутствия ледяных отложений на проводе. Данный способ позволяет определить только наличие или отсутствие ледяных отложений, но не их толщину.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности определения толщины ледяных отложений или других осадков на проводе ЛЭП, а также повышение точности и надежности определения наличия и/или толщины указанных ледяных отложений или других осадков на проводе ЛЭП.
Задача изобретения решается с помощью устройства определения толщины ледяных отложений на проводе, которое содержит следующие составные элементы: датчик, источник электрического питания, накопительный конденсатор и коммутатор.
Датчик исполнен в виде конденсатора, выполненного с возможностью размещения на проводе таким образом, что провод и/или отложения на проводе располагаются между обкладками. В преимущественном варианте датчик выполнен с возможностью пропускания провода по направлению от одной обкладки к другой. В частности, в одном из вариантов обкладки датчика выполнены в виде пластин, имеющих отверстия/вырезы для пропускания провода. В другом варианте обкладки датчика могут быть выполнены в виде пластин, по меньшей мере, частично облегающих (охватывающих) провод.
Коммутатор соединен с источником электрического питания, датчиком и накопительным конденсатором и выполнен с возможностью попеременного соединения датчика с источником электрического питания и накопительным конденсатором.
Коммутатор может быть исполнен в виде двух выключателей, каждый из которых одним концом соединен с датчиком, а другим концом соединен с источником электрического питания или накопительным конденсатором, при этом обеспечено предотвращение соединения источника электрического питания и накопительного конденсатора, по меньшей мере, в измерительном режиме. В преимущественном варианте коммутатор представляет собой переключатель, соединенный переключаемым концом (контактом, выводом) с датчиком, а другими концами (контактами, выводами), с которыми может соединяться переключаемый конец выключателя, с источником электрического питания и накопительным конденсатором, соответственно (предполагается, что предотвращение соединения источника электрического питания и накопительного конденсатора в такой конфигурации происходит вследствие конструктивных причин).
Выключатели или переключатель могут быть выполнены с возможностью замыкания/размыкания или переключения под управлением генератора управления. Генератор управления в частном варианте может быть выполнен с возможностью изменения частоты замыкания/размыкания выключателей или переключения переключателей.
Устройство определения толщины ледяных отложений на проводе преимущественно имеет в своем составе вычислительный модуль и память, содержащую предварительно рассчитанные/смоделированные/измеренные данные напряжение на накопительном конденсаторе или его изменения в зависимости от толщины ледяных отложений на проводе, причем вычислительный модуль выполнен с возможностью получения величины напряжения на накопительном конденсаторе и вычисления/определения толщины ледяных отложений на проводе путем сравнения получаемых/рассчитываемых данных с данным из памяти.
Задачу настоящего изобретения также решает способ определения толщины ледяных отложений на проводе, который может осуществляться вышеописанным устройством в любом из указанных вариантов. Способ содержит следующие шаги.
Во-первых, датчик соединяют с источником электрического питания и заряжают его в течение времени заряда датчика. Во-вторых, датчик отключают от источника электрического питания и соединяют с накопительным конденсатором, после чего заряжают накопительный конденсатор в течение времени заряда накопительного конденсатора. Затем измеряют напряжение на накопительном конденсаторе и определяют толщину ледяных отложений на проводе.
В предпочтительном варианте шаги заряда датчика (с необходимым для этого соединением датчика с источником электрического питания) и последующего заряда накопительного конденсатора (с неоходимым для этого соединением датчика с накопительным конденсатором) могут повторять, а толщину ледяных отложений на проводе могут определять по величине напряжения на накопительном конденсаторе после нескольких таких циклов или по времени/количеству циклов, необходимым для достижения напряжением на накопительном конденсаторе заданной величины.
В преимущественном варианте изменяют время заряда датчика и/или время заряда накопительного конденсатора и определяют толщину ледяных отложений на проводе на основании показателей, полученных для разных указанных времен (то есть времен заряда датчика и заряда накопительного конденсатора, что эквивалентно изменению частоты переключения коммутатора).
Благодаря настоящему изобретению удается достичь таких технических результатов, как обеспечение возможности определения толщины ледяных отложений или других осадков на проводе ЛЭП. Кроме того, обеспечено повышение точности и надежности определения наличия и измерения толщины ледяных отложений на проводах ЛЭП. Достижение указанного технического результата возможно благодаря применению датчика в виде конденсатора, который позволяет оценивать величину или изменение диэлектрической проницаемости в области между его обкладками, на что наибольшее влияние оказывает наличие на проводе осадков, в частности ледяных отложений.
С другой стороны, наличие на проводе осадков, таких как ледяные отложения или других, сильнее всего влияет на диэлектрическую проницаемость области между обкладками датчика, а не на другие показатели, например, такие как индуктивность, в связи с чем настоящее изобретение будет иметь преимущество перед другими способами определения наличия и толщины ледяных отложений на проводах ЛЭП, в том числе в точности и надежности.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан датчик в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 2 показана принципиальная схема устройства в соответствии с настоящим изобретением.
Осуществление изобретения
Далее описываются варианты реализации устройства определения толщины ледяных отложений на проводе с использованием сопровождающих фигур 1 и 2. Все описания даны в целях пояснения работы и не направлены на ограничение объема настоящего изобретения, который определяется формулой изобретения. Устройство и способ в основном предназначены для определения наличия и/или толщины ледяных отложений на проводах ЛЭП, однако могут применяться и для определения наличия влаги на проводах без каких-либо или значительных переделок.
На фиг. 1 показан датчик для определения толщины ледяных отложений на проводе 1. Датчик выполнен в виде конденсатора, размещаемого на проводе 1 таким образом, что провод и/или отложения на проводе располагаются между обкладками 2 и 3, представляющими собой, например, шайбы или сектора. На фиг. 1 видно, что между обкладками 2 и 3 находится часть провода 1, и это должно трактоваться так, что провод 1 проходит в пространстве между обкладками 2 и 3.
На фиг. 1 также видно, что провод 1 проходит сквозь обкладки 2 и 3 и отделен от них слоем изоляции 4. Это также должно пониматься как расположение провода между обкладками, поскольку провод проходит в объеме, ограниченном плоскостями обкладок и поверхностью, соединяющей внешние границы обкладок. Это связано с тем, что электрическое поле, формируемое между обкладками, находится не только строго между ними, но и снаружи указанного объема и в области, прилегающей непосредственно к проводу. Кроме того, ледяные отложения находятся поверх провода и могут располагаться строго между обкладками.
Датчик может устанавливаться различными способами относительно провода, однако в преимущественном варианте он устанавливается так, как показано на фиг. 1, т.е. с пропусканием расположения провода по направлению от одной обкладки к другой. Это упрощает монтаж датчика, т.к. он может быть установлен непосредственно на проводе. Обкладки датчика могут быть выполнены в виде пластин, имеющих отверстия для пропускания провода и/или вырезы, в которых размещается провод при установке обкладок на проводе, например, путем опускания обкладок на провод сверху или сбоку.
На фиг. 1 показано, что обкладки 2 и 3 датчика покрыты изоляцией 4. Это обеспечивает отсутствие электрического контакта между проводом 1 и обкладками 2 и 3. Однако если провод покрыт изоляцией, обкладки могут не иметь изоляции и устанавливаться на проводе поверх изоляции провода.
Изоляция 4 на обкладках 2 и 3 на фиг. 1 выполняет дополнительную полезную функцию ориентации обкладок относительно друг друга и провода. Поскольку обкладки совместно с изоляцией имеют значительную толщину, они сохраняют свое расположение в течение длительного времени, что обеспечивает стабильность и надежность показаний устройства в соответствии с настоящим изобретением. Стабильность и надежность показаний устройства также обеспечивается предотвращением поворотов/колебаний обкладок относительно провода и друг друга. Стабильность и надежность показаний также могут быть обеспечены и обкладками с более тонким слоем изоляции или без него путем выполнения их достаточной толщины или снабжением фиксирующим элементом. Тот же результат может быть достигнут близостью размера отверстия/выреза в обкладке и диаметра провода. Например, размер отверстия/выреза в обкладке может превышать диаметр провода не более чем 1, 2, 3, 5, 7 или 10%, они могут совпадать или же может обеспечиваться посадка обкладки на провод в натяг.
В одном из вариантов осуществления изобретения, показанном на фиг. 1, обкладки 2 и 3 датчика располагаются друг напротив друга параллельно. В то же время они могут быть параллельны, но не друг напротив друга, или же располагаться под углом друг к другу - для работоспособности настоящего изобретения достаточно лишь, чтобы они могли формировать электрическое поле между собой и провод и/или ледовые отложения на проводе могли быть расположены между ними в пределах формируемого ими электрического поля, имеющего величину, достаточную для определения наличия/толщины отложений.
В другом варианте осуществления датчика его обкладки могут быть выполнены в виде пластин, которые, по меньшей мере, частично облегающих (охватывают) провод. Обкладки накладываются на провод на некотором расстоянии друг от друга, образуя тем самым конденсатор (на емкость конденсатора также оказывает влияние и сам провод, поскольку поверхность пластин обкладок в таком датчике по большей части располагается вдоль провода). Обкладки могут быть выполнены без изоляции и устанавливаться на проводе с изоляцией или с использованием дополнительного изолирующего слоя, либо с изоляцией, и тогда они могут устанавливаться на любом проводе, в том числе и без изоляции. Преимуществом датчика с такими обкладками является то, что нет необходимости предпринимать меры для закрепления и обеспечения необходимой ориентации относительно датчика, поскольку они располагаются вдоль провода, и их крепление, достаточно прочное, обеспечивается частичным или полными охватом провода.
Расстояние, на котором располагаются обкладки, должно быть, с одной стороны, достаточным для формирования электрического поля в соответствии с вышеуказанным критерием, а с другой стороны, достаточным для обеспечения возможности образования между обкладками ледовых отложений, объем которых в достаточной степени повлияет на электрическое поле между обкладками путем изменения диэлектрической проницаемости пространства между ними для того, чтобы это влияние было возможно обнаружить/измерить. Например, расстояние между обкладками может составлять от половины до двух максимальных линейных размеров обкладок, в частном случае они могут быть равны.
Конденсатор датчика, образуемый такими обкладками, обладает небольшой емкостью, непосредственное измерение которой часто невозможно или может быть осуществлено с высокой погрешностью, что может оказаться неприемлемо. Для определения такой малой емкости или, точнее говоря, ее изменения (например, относительного) или даже непосредственно определения наличия/отсутствия и/или измерения толщины слоя ледовых отложений может применяться схема, представленная на фиг. 2.
Схема устройства для определения толщины ледовых отложений на проводе ЛЭП имеет датчик в виде конденсатора, образуемого обкладками 2 и 3, источник 7 электрического питания, накопительный конденсатор 8 и коммутатор в виде двух выключателей 5 и 6.
Коммутатор предназначен для попеременного соединения датчика с источником электрического питания и накопительным конденсатором. Для этого он соединен с источником электрического питания, датчиком и накопительным конденсатором (в частности, с одним выводом каждого из них; вторые выводы источника электрического питания, датчика и накопительного конденсатора на фиг. 2 соединены вместе).
В преимущественном варианте, показанном на фиг. 2, коммутатор исполнен в виде одного переключателя 5, переключаемый элемент (контакт) которого соединен с обкладкой 2 датчика, а те элементы (контакты), между которыми происходит переключение, соединены с источником 7 электрического питания и накопительным конденсатором 8. При простоте этой схемы обеспечивается отсутствие замыкания накопительного конденсатора на источник питания без дополнительных мер, в силу конструктивных особенностей коммутатора в виде переключателя. В другом варианте коммутатор может содержать два выключателя, каждый из которых одним концом соединен с обкладкой датчика. Другой конец одного выключателя соединен с источником электрического питания, а другой конец другого выключателя соединен с накопительным конденсатором. Благодаря применению двух выключателей вместо одного переключателя может обеспечиваться большая надежность устройства.
Для обеспечения работоспособности устройства требуется предотвращение соединения источника электрического питания и накопительного конденсатора, по меньшей мере, в измерительном режиме. Во втором варианте выполнения коммутатора с использованием двух выключателей для этого механическим, электрическим или программным способом может обеспечиваться отсутствие возможности одновременного замыкания обоих выключателей.
Выключатели и переключатели преимущественно выполнены с возможностью замыкания/размыкания под управлением генератора управления (не показан). Они могут представлять собой электромеханические реле или электронные ключи. Генератор управления преимущественно может изменять частоту замыкания/размыкания выключателей и/или переключателей.
x
x
b
x
b
Устройство работает следующим образом. Датчик соединяют с источником 7 электрического питания путем переключения коммутатора в соответствующее положение (в частности, в показанное на фиг. 2 положение переключателя 5) и заряжают его в течение некоторого времени, которое можно назвать временем заряда датчика. Датчик приобретает заряд Q=C⋅U, где C - неизвестная емкость датчика, a U - напряжение источника электрического питания.
x
x
x
н
н
н
н
х
н
н
b
н
н
b
х
х
н
н
b
Затем датчик путем переключения коммутатора отключают от источника 7 электрического питания и соединяют с накопительным конденсатором 8 (в частности, переключатель 5 переключают в положение, протовоположное показанному на фиг. 2) и заряжают накопительный конденсатор от датчика в течение времени заряда накопительного конденсатора. Заряд Q теперь будет на двух конденсаторах, и общее напряжение снизится: Q=(С+C)U, где С - емкость накопительного конденсатора, U - напряжение на накопительном конденсаторе (совпадает с напряжением на датчике в этом положении переключателя). Из этих равенств емкость C=C⋅U/(U-U), или, с учетом того, что U много меньше U ввиду малости емкости C, C=C⋅U/U.
Затем измеряют напряжение на накопительном конденсаторе и определяют толщину ледяных отложений на проводе преимущественно путем сравнения с калибровочными значениями напряжения на накопительном конденсаторе, полученными при измерении или моделировании ледяных отложений известных толщин. Для этого устройство определения толщины ледяных отложений на проводе преимущественно имеет в своем составе вычислительный модуль (например, микропроцессор) и память (не показаны). Память содержит предварительно рассчитанные/смоделированные/измеренные данные напряжение на накопительном конденсаторе или его изменения в зависимости от толщины ледяных отложений на проводе. Вычислительный модуль выполнен с возможностью получения величины напряжения на накопительном конденсаторе и вычисления/определения толщины ледяных отложений на проводе путем сравнения получаемых/рассчитываемых данных с данными из памяти.
Определение толщины ледяных отложений возможно благодаря следующему явлению. Диэлектрическая проницаемость пространства между обкладками датчика зависит от того, чем это пространство заполнено. Диэлектрическая проницаемость при наличии ледяных отложений будет больше, чем без них, и его емкость, соответственно, также будет больше. Следовательно, измерение емкости датчика и ее сравнение с калиброванной величиной (определенной, например, при отсутствии ледяных отложений) позволяет определить наличие/отсутствие ледяных отложений и/или их толщины (отсутствие ледяных отложений может трактоваться как их нулевая толщина).
Поскольку емкость датчика мала, для получения более точных данных и снижения погрешности измерения шаги заряда датчика и последующего заряда накопительного конденсатора возможно повторять, а толщину ледяных отложений на проводе возможно определять по величине напряжения на накопительном конденсаторе после нескольких таких циклов. Кроме того, возможен вариант, когда толщину ледяных отложений на проводе ЛЭП определяют по времени/количеству циклов, необходимому для достижения напряжением на накопительном конденсаторе заданной величины - это время или количество циклов зависят от емкости датчика и, как следствие, того заряда, который он может принять при его соединении с источником электрического питания.
Для получения более точных и достоверных значений толщины ледяных отложений возможно изменять частоту переключения коммутатора, то есть изменять время заряда датчика и/или время заряда накопительного конденсатора и определяют толщину ледяных отложений на проводе на основании показателей, полученных для разных указанных времен (частоты переключения). Благодаря тому, что данные измерений зависят от частоты коммутации и для разных сред зависят по разному, возможно определение вида отложений или осадков на проводах (лед, снег, вода) или их отсутствия исходя из показаний, полученных в результате измерений на разных частотах коммутации.
Далее описывается конкретный вариант реализации устройства. Устройство в соответствии с изобретением содержит несколько емкостных датчиков, генератор прямоугольных импульсов со скважностью 2 с возможностью перестройки частоты в больших пределах и с фиксированной амплитудой генерируемого напряжения, имеющий два противофазных выхода с одинаковыми, кроме фаз, выходными характеристиками, блок переключателей, позволяющий коммутировать оба выхода генератора на любой из емкостных датчиков, накопительный конденсатор, сравнивающий элемент, блок вычислений и регистрации, блок передачи информации диспетчеру по радиоканалу. Устройство питается от встроенного батарейного или аккумуляторного источника питания. В то же время возможен вариант, когда питание осуществляется от ЛЭП (например, с использованием бесконтактного съема или других способов, известных из уровня техники).
Емкостные датчики состоят из двух приемо-передающих обкладок, которые вместе с проводом ЛЭП и воздушной средой в области расположения обкладок образуют воспринимающий конденсатор. Обкладки представляют собой надетые на провод разрезные металлические кольца, заключенные в диэлектрическую изоляцию. Расстояние между обкладками, а также необходимое количество датчиков выбирается исходя из конкретных требований к диапазону определяемых толщин ледяных отложений. В случаях, когда необходима более высокая точность, количество датчиков увеличивается до нескольких штук.
Устройство работает следующим образом. Накопительный конденсатор разряжается путем замыкания соединенного с ним разряжающего переключателя. После этого переключатель размыкается и удерживается в разомкнутом состоянии.
Источник напряжения, входящий в состав источника электрического питания, обеспечивает напряжение, равное нескольким вольтам. С помощью блока переключателей источник напряжения подключается к двум приемо-передающим обкладкам датчика. Источник напряжения и соединенный с ним выключатель образуют генератор прямоугольных импульсов. Выключатели 5 и 6 размыкаются и замыкаются с частотой переключений, так что они не бывают в замкнутом состоянии одновременно.
Замыкание выключателя, соединенного с источником электрического питания, передает заряд воспринимающему конденсатору в виде датчика. Размыкание этого выключателя и замыкание выключателя, соединенного с накопительным конденсатором, передает заряд от воспринимающего конденсатора датчика накопительному конденсатору. Попеременное размыкание и замыкание выключателей повышает напряжение накопительного конденсатора ступенчатым образом.
Напряжение конденсатора и опорное напряжение, генерируемое источником опорного напряжения, сравниваются с помощью сравнивающего элемента, представляющего собой компаратор напряжения, встроенный в микроконтроллер. На этом же микроконтроллере построен блок вычислений и регистрации. Микроконтроллер производит подсчет импульсов заряда/разряда емкости датчика до момента, пока не будет достигнуто опорное напряжение на накопительном конденсаторе. Затем эти же операции повторяются на другой частоте. На обеих частотах поочередно подключаются датчики к генератору импульсов.
После измерения емкости на двух различных частотах (например, на частотах менее 5 кГц и более 5 кГц) информация передается в блок обработки информации. По соотношению полученных значений емкостей или времен/количеств циклов принимается решение о наличии или отсутствии ледяных отложений и влаги на проводе, а по соотношению емкостей между разными приемо-передающими обкладками оценивается толщина ледяных отложений. В случаях, когда необходима более высокая точность, измерения проводятся и на других частотах.
Напряжение на накопительном конденсаторе, при котором заканчивают циклы заряда-разряда воспринимающего конденсатора, выбирают от 60% до 70% от напряжения источника. Это позволяет производить измерение с необходимой точностью на наиболее линейном участке зарядной кривой накопительного конденсатора.
Число измерений для усреднения выбирается в диапазоне от 10 до 100. Число измерений последовательно увеличивается, начиная от 10, до того момента, пока полученные результаты предыдущего измерения и последующего измерения не станут совпадать с точностью не хуже 1%. Такое усреднение позволяет устранить зависимость от влияния таких факторов, как временной уход параметров воспринимающего конденсатора, изменений в проводимости и емкости, вызванных отложениями воды и пыли на проводе ЛЭП, а также влажностью воздуха.
При проведении полного цикла измерений раз в 10 минут и передаче диспетчеру полученной информации в случае появления или изменения толщины ледяных отложений среднее потребление устройства составляет от 50 до 100 мкА, что позволяет работать устройству от батареи емкостью 16 Ач не менее 10 лет. Простота схемотехники, конструкции датчиков, изменяемое число датчиков в зависимости от конкретных требований и различные используемые типы радиоканалов (стандарты GSM/GPRS, ISM, BLE) позволяют подобрать оптимальную конфигурацию устройства для каждого случая.