Система светового ограждения высоковольтных линий электропередачи
LIGHT PROTECTION SYSTEM OF HIGH-VOLTAGE POWER TRANSMISSION LINES

Изобретение относится к электроосветительным приборам и может использоваться в электроэнергетике в качестве защитных огней проводов высоковольтных линий. электропередачи для обеспечения безопасности полетов воздушных судов в районах аэродромов, воздушных трасс, а также районах поверхностей, возвышающихся над землей.
Известен ряд технических решений создания системы световых маркеров Для визуализации положения проводов высоковольтных линий электропередачи с использованием специальных световых шаров. Например, патент Великобритании GB 2232474 А (GB 2232474 А, "An Illiminated aerial marker" F21Q 3/00, опубл. 12.12.1990 г.) конструкция которого представляет собой шар с газоразрядными лампами, расположенными на поверхности шара, шар закрепляется на фазном проводе. Электропитание ламп осуществляется за счет отбора емкостного тока от линии электропередачи. Параметры неоновых газоразрядных ламп не связаны с геометрическими параметрами элементов всей конструкции, состав газа и рабочие параметры неоновой лампы в формуле изобретения и описании отсутствуют. Аналогичная конструкция запатентована в США (Пат №US 4839567, "Illuninated aerial marker", опубл. 13.06.1989).
Более универсальные конструкции, включая конструкции, содержащие газоразрядные трубки, описаны в патенте FR 2786253 A1 (FR 2786253 A1, "Dispositif de balisage lumineux pour de transport d'energie electrique", F21S 8/00, 24.11.1998). Принцип действия этих устройств аналогичен принципу действия указанных выше устройств.
Недостатками указанных выше устройств являются либо сравнительно низкий коэффициент полезного действия, вследствие потребления сравнительно большого тока из-за использования стандартных неоновых ламп и неоптимального согласования параметров газоразрядных ламп с геометрическими параметрами конструкций, либо необходимость использования высоковольтных понижающих трансформаторов и балластных резисторов, имеющих большой вес и сравнительно высокую стоимость.
Сферическую конструкцию имеет также световой воздушный маркер для высоковольтной линии электропередачи, описанный в патенте РФ №2556702 (Пат. РФ №2556702. Световой маркер для воздушных линии электропередачи. F21S 8/00, опубл. 20.07.2015, Бюл. №20). Отличается от ранее указанных аналогов тем, что в качестве источника света используются светодиоды. Электропитание осуществляется также за счет отбора емкостного тока от линии электропередачи через специальный преобразователь напряжения, что также является определенным недостатком устройства.
Известна также газоразрядная лампа низкого давления, предназначенная для использования в системах световых ограждений высоковольтных линий электропередачи (Пат. РФ №2697189 «Газоразрядная лампа», H01J 61/02, опубл. 13.08.2019 г., Бюл. №23). Конструкция лампы включает ряд элементов, улучшающих технические характеристики устройства, в частности: содержит балластные резисторы внутри корпуса лампы. Газовое наполнение лампы состоит из смеси неона и аргона, взятых в соотношении (300:1)…(400:1) и суммарном давлении 3≤p/d≤4, где р - давление газов в миллиметрах ртутного столба, d - диаметр, разрядного канала в миллиметрах. Технические характеристики системы световых ограждений, использующей газоразрядную лампу указанного типа (Пат. РФ №2697189) приблизительно соответствует характеристикам устройства светового ограждения воздушных линий электропередачи, рассмотренного ниже.
Аналогом заявляемого изобретения является патент РФ №2692056 «Устройство светового ограждения воздушных линий электропередачи» (Пат. РФ №2692056, F21S 8/00, опубл. 20.06.2019 г., Бюл. №17). Отличительным признаком данного патента является использование шунта специальной конструкции - в виде металлического гибкого троса, изготовленного из проволочных спиралей, соответствующим диаметру фазного провода линии.
Все указанные аналоги, хотя соответствуют существующим требованиям, предъявляемым к устройствам световых ограждений высоковольтных линий, однако технические характеристики таких устройств могут быть улучшены. В частности, коэффициент полезного действия (КПД) указанных выше аналогов не достаточно высокий вследствие использования резистивного балласта с высоким сопротивлением и газоразрядных ламп со сравнительно низким рабочим напряжением. Наличие балласта в аналогах, без которых невозможна устойчивая работа этих устройств, делает их более тяжелыми, чем в случае, если бы этот балласт отсутствовал.
2
За прототип заявляемого устройства принята система фирмы "OBSTA" с использованием неоновой газоразрядной ламы BALISOR (OBSTA. Системы светового ограждения. Издание 6, 2019, 60 С.). Система состоит из неоновой газоразрядной лампы, антенны и элементов крепления - подвеса лампы, шунта, изоляторов и зажимов. Длина антенны выбирается исходя из фазного напряжения линии электропередачи - от 3 м при напряжении 500 кВ до 40 м при напряжении 50 кВ. В системе используются лампы BALISOR тип В (артикул 100618 В49) или В33 (артикул 100616 В33), имеющие массу 4,7 кг и 4,0 кг соответственно. Параметры неоновых ламп BALISOR - состав используемого газа, внутренние элементы конструкции лампы и т.п. в открытых источниках информации не приводятся. Изучение образцов ламп BALISOR показывает, что внутри корпуса газоразрядной лампы размещены балластные резисторы в цепи катода и анода номиналом по 500 кОм. Площадь катодов лампы составляет приблизительно 1000 мм.
Принцип действия прототипа аналогичен принципу действия рассмотренных выше аналогов. Электропитание ламп в прототипе также осуществляется за счет отбора емкостного тока от линии электропередачи, а элементы конструкции образуют емкостной делитель напряжения. Стабилизация самостоятельного тлеющего разряда в лампах BALISOR произведена путем включения в цепь электропитания лампы резистивного балласта суммарной величиной приблизительно 1 МОм. Поэтому при рабочих токах лампы 10 мА тепловыделение на балластных резисторах составляет около 100 Вт. Это увеличивает массу газоразрядной трубки и всей конструкции, а также приводит к увеличению рабочей температуры лампы, что уменьшает ее срок службы.
Недостатками прототипа являются недостаточно высокий коэффициент полезного действия, сравнительно большая масса неоновой газоразрядной трубки, большая длина антенны при напряжениях линии электропередачи 110 кВ и менее, что увеличивает массу всей конструкции, а также маленькая площадь катодов по сравнению с размерами ламы.
Для устранения указанных недостатков предложено устройство, описанное ниже.
Технической задачей заявляемого изобретения является снижение энергопотребления устройством с одновременным увеличением яркости свечения, увеличение срока службы, уменьшение габаритов и массы устройства и упрощение конструкции.
Поставленная техническая задача решается тем, что газоразрядная лампа изготавливается в виде стеклянной спиральной трубки с разрядным каналом диаметром 4 мм длиной приблизительно 4 м в защитной оболочке из кварцевого стекла диаметром от 50 до 60 мм, рабочее давление неона в лампе выбрано в пределах 3…5 мм рт.ст., аргона - приблизительно 0,04 мм рт.ст., площадь катода лампы - приблизительно 8000 кв. мм, длина антенны выбрана 3 м - для линии электропередачи 500 кВ и 330 кВ, 5 м - для линии на 220 кВ, 10 м - для линии на 110 кВ, расстояние от антенны до фазного провода - от 400 до 700 мм, рабочая точка лампы выбрана на ветви вольтамперной характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением от 10 до 100 кОм.
Сущность заявляемого изобретения и технический результат поясняются 7 фигурами. На фиг. 1 представлена конструкция заявляемого устройства, установленного на линию электропередачи, на фиг. 2 - электрическая эквивалентная схема для расчета режимов работы лампы, на фиг. 3 - типовая конструкция опоры высоковольтной линии электропередачи, на фиг. 4 - график зависимости напряжения на лампе до момента зажигания разряда как функция дополнительной электрической емкости, фиг. 5 - осциллограммы напряжения и тока в рабочем режиме лампы, фиг. 6 - чертеж неоновой лампы оптимальной конструкции, фиг. 7 - вольтамперная характеристика изготовленного образца лампы с отрицательным динамическим сопротивлением.
Конструкция, представленная на фиг. 1, состоит из неоновой газоразрядной лампы 1, тросового подвеса лампы 2, шунта антенна-лампа 3, распорок 4 (4 шт.), противокоронирующего элемента крепления 5, антенны 6, элементов крепления 7, элемента соединения распорки, шунта антенна-лампа и антенны 8, элемента крепления лампы 9, токопроводящего подвеса лампы 10 и фазного провода 11. На фиг. 5 зависимость 12 соответствует осциллограмме напряжения, зависимость 13 - осциллограмме тока, на фиг. 6 - 14 - канал разрядный, 15 - катод (2 шт.), 16 - труба из прозрачного кварцевого стекла, 17 - стакан (2 шт.), 18 - центратор (6 шт.), 19 - кольца герметизирующие (2 шт.), 20 - кольцо уплотнительное (2 шт.), 21 - фланец (2 шт.), 22 - электродный узел (2 шт.).
Принцип действия заявляемого устройства во многом схож с принципом действия прототипа и аналогов. Фазные провода высоковольтной линии электропередачи и антенна образуют емкостной делитель напряжения в результате чего на антенне наводится уменьшенное в заданное количество раз фазное напряжение. Когда напряжение, приложенное к газоразрядной лампе, достигает напряжения зажигания разряда, в лампе возникает газовый разряд и, как следствие, излучение светового потока. Принципиальным отличием заявляемого устройства от прототипа и аналогов заключается в том, что газовый разряд является аномальным (рабочая точка находится на ветви вольтамперной характеристики с отрицательным сопротивлением), резистивный балласт отсутствует, напряжение, достаточное для стабильного поддержания разряда лампы составляет 3,5 кВ, ток от 5 до 12 мА, а у прототипов и аналогов - обязательное присутствие резистивного балласта, напряжение поддержания разряда лампы составляет приблизительно 300 В, ток не менее 10 мА. Эти отличия влекут за собой изменение оптимальных размеров элементов конструкции: антенна в заявляемом устройстве имеет меньшую длину, а оптимальное расстояние до фазного провода отличается от расстояния в прототипе. Использование заявляемого устройства исключает потери мощности на резистивных балластах и снижает величину тока катодов. Увеличенное напряжение на газоразрядной лампе по сравнению с прототипом при одинаковых значениях протекающего тока, приводит к увеличению мощности, выделяемой в зоне газового разряда. Поэтому при меньших значениях тока, протекающего через лампу по сравнению с прототипом можно получить большую мощность излучаемого оптического излучения. Уменьшение тока разряда и увеличение площади катода лампы по сравнению с прототипом и аналогами, позволяет существенно снизить плотность тока катода, что дает увеличение срока службы катода и, соответственно, всей лампы, а также всего заявляемого устройства в целом.
a
b
c
а
b
с
доп
ламп
b
с
Выбор режимов работы газоразрядной лампы и параметров заявляемого устройства осуществлялись на основании выполненных экспериментальных исследований и результатов численного моделирования. Расчет режимов работы производился с использованием электрической схемы, изображенной на фиг. 2, где U, U, U = 190 кВ - фазное напряжение ЛЭП, С - емкость между фазой А и антенной лампы, C - емкость между антенной и фазой В, С - емкость между антенной и фазой С, С - дополнительная емкость, необходимая дня снижения напряжения в начальный момент времени, т.е. до зажигания лампы, R=10-100; кОм - минимальное активное сопротивление лампы в процессе горения. Для расчета емкостей C и С использовалась типовая конструкция ЛЭП 330 кВ (фиг. 3).
доп
доп
2
В момент включения лампы на нее будет приложено напряжение, в большей степени, определяемое величиной С. При отсутствии данной емкости в начальный момент времени падение напряжения на лампе будет приблизительно 100 кВ, что может отрицательно сказаться на работе лампы. Однако, использование дополнительной сравнительно небольшой емкости (2,5 нФ) может существенно снизить данное напряжение. Принимая расчетную длину антенны 9 м, ее диаметр 25 мм, а радиус фазного провода 24 мм (для провода 300 мм), получаем зависимость напряжения в начальный момент от емкости С (фиг. 4).
Расстояние от фазного провода до антенны выбрано в пределах от 400 до 700 мм, так как это исключает образование короны, приблизительно обеспечивает расчетное значение емкости и создает напряжение, достаточное для устойчивой работы неоновой газоразрядной лампы. Выбор данного расстояния позволяет использовать стандартные изоляторы, в частности, полимерного линейного изолятора типа ЛК-70/10-III-СС, имеющего совместно с элементами крепления длину 540 мм. Для напряжений 500 кВ и выше расстояние от фазного провода до антенны следует выбирать ближе к верхней границе указанной величины для предотвращения образования коронных разрядов.
2
2
Площадь катодов выбрана приблизительно равной 8000 мм по следующим причинам. Известно, что чем больше площадь катода и меньше плотность катодного тока, тем дольше срок службы газоразрядной лампы. Однако увеличение площади катодов влечет за собой увеличение габаритов и массы газоразрядной лампы. В заявляемом полезном устройстве диаметр катодов выбран равным 28 мм, что является максимально возможным диаметром с учетом необходимости обеспечить механическое крепление катода внутри защитной трубки. Длина катода выбрана равной - 90 мм. Суммарная площадь двух катодов в данной конструкции лампы равна 7912 мм, что в 7,5 раз больше, чем у прототипа. Уменьшение длины катодов приведен к уменьшению их площади, соответственно, и долговечности газоразрядной ламы. Увеличение длины - увеличит габариты и массу лампы, а срок службы лампы, возможно, будет определяться какими-либо другими факторами.
После зажигания лампы напряжение на ней снижается, а протекающий ток определяется ее сопротивлением. Вообще говоря, после зажигания лампы, форма напряжения сильно искажается за счет нелинейной вольтамперной характеристики. Типичная осциллограмма напряжения и тока изображена на фиг. 5. Поэтому в данном случае использование привычного термина «действующее значение напряжения» является неточным. Однако в связи с тем, что форма тока близка к синусоидальной, в первом приближении можно использовать величину действующего значения тока.
Оптимальные параметры неоновой газоразрядной трубки были выбраны из следующих соображений. Известно, что яркость свечения неоновых трубок прямо пропорционально зависит от электрической мощности, потребляемой трубкой. Существует несколько способов увеличения этой мощности. Первый, и наиболее распространенный - увеличение тока, протекающего по трубке. Второй - увеличение внутреннего электрического сопротивления трубки. Наиболее перспективным способом увеличения сопротивления считается использование другой (нестандартной) смеси заполняющих газов. Для неоновых ламп, используемых для создания рекламных вывесок, оптимальной является смесь К4 (75% неона, 25% аргона). По сравнению с другими газовыми смесями, К4 дает яркость свечения лампы на 20,2% больше, чем стандартная смесь. При работе с лампами такого типа конструкция высоковольтного осветительного прибора должна иметь либо трансформатор, либо балластный резистор, включенный последовательно с лампой для стабилизации режима работы лампы. В первом случае увеличивается цена и масса устройства. Во втором случае - использовании балластного резистора, как например в некоторых аналогах, а также в конструкции лампы прототипа - лампы BALISORS фирмы OBSTA (см. выше), возникают дополнительные потери энергии на балластном резисторе. Расположение балластного резистора внутри корпуса неоновой лампы приводит к увеличению ее температуры, что снижает срок службы лампы и всего устройства в целом.
Для достижения технического результата заявляемого в изобретении, была произведена доработка газоразрядной трубки, используемой для рекламного освещения, с наиболее близкими к требуемым параметрам: трубка с диаметром 8 мм, напряжением пробоя - 5-6 кВ, длина трубки - 3,8 м, давление неона - 16 Тор, рабочий ток - 25-30 мА. При использовании емкостного метода отбора тока от проводов высоковольтных линий электропередачи указанную величину тока сложно обеспечить технически. Поэтому необходимо изменение параметров газоразрядной лампы для снижения рабочего тока до 5-12 мА.
Для выбора оптимального состава газа с целью увеличения напряжения зажигания и поддержания тлеющего разряда было изготовлено несколько образцов неоновых ламп и после испытаний был выбран образец с наилучшими параметрами. Принимая во внимание, что ток, протекающий через трубку пропорционален произведению давления на диаметр трубки (J~p*d), для использования в заявляемом устройстве, параметры трубки были выбраны исходя из необходимости снижения тока в 3-4 раза: диаметр трубки уменьшен до 4-5 мм (в 1,6…2 раза), давление - до 8 мм. рт.ст. (в 2 раза). Длина трубки была выбрана равной 4 м. Соотношение давления газа в миллиметрах ртутного столба к диаметру разрядного канала (p/d) в заявляемом устройстве составляет от 1.6 до 2 (т.е. 1.6≤p/d≤2), что отличает его от аналога (Пат. РФ №2697189 «Газоразрядная лампа»), описанного выше, в котором выбрано соотношение указанных величин как 3≤p/d≤4.
Было изготовлено несколько лабораторных образцов неоновых ламп с параметрами, близкими к вышеуказанным, в том числе и с внутренним блоком балластных резисторов. Экспериментально были измерены основные характеристики изготовленных ламп и выбран образец с наилучшими достигнутыми параметрами. Чертеж неоновой лампы оптимальной конструкции приведен на фиг. 6. Основным конструктивным узлом в лампе является газоразрядная трубка 14 с катодными электродами 15. Разрядный канал трубки свернут в спиральную конструкцию. Такая конструкция разрядной трубки позволяет разместить в лампе длину разрядного канала около 4 м, что обеспечивает при работе трубки интенсивный световой поток. Экспериментальные исследования показали, что разрядный канал диаметром 4 мм и длиной 4 м при токе разряда 15 мА позволяет получить световой поток свыше 800 лм. Для обеспечения тока разряда необходимой величины в лампе используются катодные электроды 15.
2
При питании трубки переменным напряжением с частотой 50 Гц электроды выполняют поочередно функции анода и катода. При этом катодный электрод работает в режиме холодного катода. Это требует от материала электродов, его конструкции и подготовки рабочей поверхности определенных условий. Стоимость такого катода должна быть минимальной. В газовых гелий-неоновых лазерах хорошо зарекомендовали себя холодные катоды из алюминия А6. При соответствующей технологической подготовке поверхности катодного узла, которая предусматривает образование на его поверхности окисной пленки из алюминия, эти катоды зарекомендовали себя с лучшей стороны. При определенных условиях их работы, а именно плотности токосъема с рабочей поверхности катодного узла не более 0,2 мА/см и давлении рабочего газа неона порядка 3-5 м рт.ст. такие катоды обеспечивают долговечность предположительно более 150 тыс.часов. Так как площадь катодов газоразрядной лампы заявляемом устройстве почти в несколько раз больше чем у прототипа, а тока катода - в 1,5…2 раза меньше, можно предположить, что срок службы лампы заявляемом устройстве будет существенно больше срока службы лампы прототипа.
Высоковольтное рабочее напряжение на лампу подается через электродные узлы 22 (на чертеже слева и справа). При напряжении на электродных узлах 3,5±0,2 кВ разрядный канал диаметром 4 мм и длиной 4 м обеспечивает в трубке поддержание разрядного тока порядка (12-15) мА, что соответствует проведенной теоретической оценке. Остальные элементы конструкции лампы (16-21, фиг. 7) обеспечивают механическую прочность и герметичность лампы.
Изготовленный образец имел следующие технические характеристики:
- Наполнение лампы - неон 7 мм рт.ст. и аргон 0,04 мм рт.ст.
- Напряжение возникновения разряда - не более 4,5 кВ.
- Напряжение поддержания разряда - 3,6±0,1 кВ.
- Рабочий ток разряда - 13±1 мА.
- Габаритные размеры - 975×∅60 мм.
- Вес - 2,4 кг.
Вольтамперная характеристика (зависимость напряжения на лампе от протекающего тока) приведена на фиг. 7. Как следует из полученной зависимости рабочий участок обратной вольтамперной характеристики имеет отрицательное дифференциальное сопротивление и устойчивая работа лампы на этом участке характеристики обеспечивается медленными релаксационными процессами в лампе. В частности, в таком режиме не может работать лампа, используемая в прототипе заявляемого устройства. Поэтому заявляемое устройство и конструкция прототипа имеют принципиальные различия в параметрах используемых элементов конструкции.
Отсутствие балластных резисторов в заявляемом устройстве является упрощением конструкции газоразрядной лампы и всего устройства в целом.
Газоразрядная неоновая лампа заявляемого устройства может также работать с использованием балластных сопротивлений меньшего, чем в прототипе номинала.
Возможность заявляемого устройства работать при меньших токах разряда, чем прототип, позволяет уменьшить длину антенны, что наиболее важно при напряжениях в линии 110 кВ и ниже. Уменьшение длины антенны снижает общую массу конструкции как за счет массы самой антенны, так и за счет уменьшения количества изоляторов, требуемых для закрепления антенны к фазному проводу. Уменьшаются также и общие габариты конструкции.
Масса неоновой газоразрядной лампы заявляемого устройства (2,4 кг) также существенно меньше, чем масса лампы прототипа (4 кг).
Заявляемое устройство было опробована на испытательном высоковольтном лабораторном стенде, а также лаборатории исследования источников света в целях определения соответствии конструкции требованиям Государственных стандартов (ГОСТ Р 51177-2017 «Арматура линейная. Общие технические условия» п. 4.4.7, метод испытаний - ГОСТ Р 51155-2017 «Арматура линейная. Правила приемки и методы испытаний» п. 5.2.17 и 5.2.18) и требованиям ИКАО (Документ №9157 AN/901, Руководство по проектированию аэродромов. Часть 4. Визуальные средства. 2004. 218 С.). В частности, световой поток при токе лампы 4 мА составлял 99,8 люмена, а при 10 мА - 423,6 люмена. Проведенные измерения подтвердили соответствие параметров заявляемого устройства существующим нормативным документам и стандартам.
Заявляемое устройство было испытано в реальных условиях эксплуатации на линии электропередач напряжением 330 кВ «Копорская-Пулковская» Федеральной Сетевой Компании Единой Энергетической Системы РФ в 2018 г. На высоковольтной линии было установлено 70 устройств светового ограждения с параметрами, соответствующими параметрам заявляемого изобретения. За время опытной эксплуатации в течение 12 месяцев сбоев, аварийных ситуаций или изменений параметров работы системы не зафиксировано.
Таким образом, заявляемое изобретение снижает энергопотребление устройства светового ограждения с одновременным увеличением яркости свечения, увеличением срока службы, уменьшением габаритов и массы устройства и имеет более простую конструкцию.