МОДУЛЬ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАЛЕДИ НА ДЛИННОМЕРНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ КОНСТРУКЦИЙ, В ЧАСТНОСТИ ПРОВОДАХ ВОЗДУШНЫХ ЛЭП
MODULE FOR PERIODIC DETERMINATION OF ICE ON LONG-DIMENSIONAL STRUCTURAL ELEMENTS, IN PARTICULAR, OVERHEAD POWER LINE WIRES

Изобретение относится к устройствам для обнаружения и оценки (качественной и/или количественной) осадков в виде льда на контролируемой поверхности и может быть использовано для мониторинга ситуации с возможным обледенением проводов воздушных линий электропередач (ЛЭП) и др. длинномерных элементов объектов электроэнергетики, строительства, добывающей промышленности и т.д.
Толщина льда (наледи) на проводах ЛЭП «может достигать 60-70 мм» [1. Защита проводов от обледенения. - URL: https://marketelectro.ru/content/zashchita-provodov-ot-obledeneniya (Дата публикации: 10.04.2016; дата обращения: 22.05.2021)].
В настоящее время применяется большое количество устройств, включая датчики обледенения, работа которых основана на различных прямых или косвенных методах определения наличия обледенения или предрасположенности к обледенению.
Согласно источнику информации [2. Сигнализатор обледенения (Раздел «Устройство и классификация сигнализаторов обледенения»). - URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D0%B3%D0%BD%D0%B0%D0%BB% D0%B8%D0%B7%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80_%D0%BE%D0%B1%D0%BB% D0%B5%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F (Дата обращения: 22.05.2021)], в состав сигнализаторов обледенения входят: датчик, вырабатывающий сигнал о степени обледенения, электронные блоки для усиления сигнала и его обработки по заданным критериям и устройство выдачи информации оператору.
В датчиках могут использоваться разные физические принципы. В соответствии с принципом работы датчика различаются несколько видов сигнализаторов:
- тепломерные сигнализаторы - температура датчика поддерживается постоянной за счет изменения мощности нагревателя, и в зависимости от мощности, затрачиваемой на поддержание температуры, и температуры окружающего воздуха вычисляется - находится датчик непосредственно в воздухе или обрастает льдом;
- вибрационные сигнализаторы - в них происходит измерение частоты колебаний мембраны, размах колебаний которой уменьшается при обрастании льдом, в связи с чем увеличивается их частота. На таком принципе работают, в частности, СО-121 и EW-164;
- радиоизотопные сигнализаторы;
- оптические (оптоэлектронные) сигнализаторы;
- акустические сигнализаторы;
- конденсаторные сигнализаторы.
Устройства и способы с использованием широкого спектра физических явлений достаточно информативно описаны, в частности, в обзорной части и описанию разработки «Способ обнаружения гололедных, изморозевых и сложных отложений на проводе и устройство для его осуществления» [3. RU 2 554 718 С2, H02G 7/16, 27.06.2015], а также «Способ и устройство для измерения толщины и плотности гололедных отложений» [4. RU 2 542 622 С1, G01B 17/02, 20.02.2015].
С позиций заявляемого технического решения ограничимся, прежде всего, аналогами, использующими датчики обледенения, основанные на явлении фазового перехода «лед-вода» при температуре плавления льда (0°С при нормальных атмосферных условиях) и принудительным нагревом чувствительных элементов датчика по крайней мере до этой температуры, и, естественно, измерением температуры чувствительных элементов в масштабе реального времени.
Известен модуль для мониторинга технического состояния провода линии электропередач (ЛЭП) и окружающей его среды, содержащий выполненный с возможностью установки на проводе линии электропередачи корпус с размещенными в его полости и связанными с входами микропроцессора датчиками контроля состояния провода, датчиками состояния окружающей среды в зоне расположения провода и блоком питания для электронных схем модуля, микропроцессор выполнен с возможностью передачи данных через приемопередатчик от датчиков на сервер, при чем корпус выполнен разъемным сферическим с центральным отверстием для размещения провода и состоит из двух соединенных между собой полусфер, с возможностью установки их на проводе линии электропередач одна под другой, а, по меньшей мере, часть нижней полусферы выполнена перфорированной [5. RU 194 038 U1, H02J 13/00, 26.11.2019].
Однако с позиций заявляемого технического решения, в нем представляет интерес только компоновка в корпусе, организация крепления корпуса на проводе, наличие датчика температуры провода, наличие микропроцессора, приемопередатчика и источника питания.
1
2
1
2
Близким аналогом заявляемого технического решения является устройство обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности для осуществления одновременно защищенного способа, содержащее датчик с конструктивно одинаковыми изолированными друг от друга первым и вторым чувствительными элементами, в составе каждого из которых имеются теплопроводная пластина с внешней рабочей поверхностью для атмосферного воздействия, встроенный датчик температуры пластины T, Т, нагреватель с тыльной ее стороны, а также аппаратную часть (микропроцессор) с устройствами управления, измерения, обработки информации, индикации и/или регистрации сигналов и передачи данных, при этом в устройстве обработки информации предусмотрена разностная схема определения величины ΔT(t)=T(t)-T(t), при этом чувствительные элементы одинаково горизонтально ориентированы в пространстве и удалены друг от друга на минимальное расстояние, устройство управления выполнено с возможностью включения второго нагревателя с задержкой времени после включения первого, а устройства индикации и/или регистрации сигналов выполнены с возможностью независимых прямых индикации и регистрации величины ΔT(t) [6. RU 2 685 631 С1, Е01В 7/00; Е01В 19/00; Е01Н 8/08; B64D 15/20, 22.04.2019. Автор - С.Г. Селянин; патентообладатели В.А. Бараусов и П.В. Григорьев].
Датчик предназначен в основном для контроля «ледового» состояния изделий в путевом хозяйстве на железной дороге (стрелочные переводы) и в авиации (летательные аппараты).
Однако, при всей своей безусловной эффективности и полезности, его использованию сопутствуют погрешности, обусловленные пространственным разнесением с объектом мониторинга (элемента, подверженного обледенению), плюс он конструктивно не приспособлен к использованию непосредственно на указанном элементе, в том числе на проводах воздушных ЛЭП.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по назначению (приоритетно) и совокупности существенных признаков является (в формулировке, адаптированной к сравнительной оценке с заявляемым решением) модуль периодического определения наледи на длинномерных элементах конструкций, в частности проводах воздушных ЛЭП, содержащий жестко взаимосвязанные рамой или корпусом, с возможностью крепления на контролируемых длинномерных элементах конструкций, в частности проводах воздушных ЛЭП, разнесенные по продольной оси модуля первый и второй датчики температуры, соответственно, первого и второго последовательных участков контролируемого элемента, микропроцессор с функциями измерения, как минимум, температуры в масштабе реального времени t, управления, обработки, регистрации и передачи информации, приемопередатчик беспроводной связи с внешним объектом, например диспетчерским пунктом или сервером, и по меньшей мере один источник питания электрическим током [7. Современные технологии мониторинга воздушных электросетей ЛЭП / Александр Самарин, Василий Масалов // Control Engineering Россия -июнь 2013. URL: https.//controlengrussia.com/otraslevye-resheniya/sovremenny-e-tehnologii-monitoringa-vozdushny-h-e-lektrosetej-le-р/ (Дата обращения: 22.05.2021). Раздел «Примеры коммерческих систем мониторинга воздушных сетей ЛЭП», подразделы «Система мониторинга провода ЛЭП САТ-1» и «Бесконтактные измерители тока и температуры провода; рис. 7. Общий вид прибора OTLM].
Однако, он основан на другом физическом принципе, чем заявляемое устройство, и непригоден для осуществления «разностного» теплофизического способа, заложенного в принцип действия аналога [6]. Это обусловливает ограниченные технико-эксплуатационные возможности (ТЭВ) устройства-прототипа.
Проблема (задача), на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в разработке устройства, пригодного для использования в заявленных областях техники (и прежде всего на воздушных ЛЭП) и реализующего при этом теплофизический способ, заложенный в принцип действия аналога [6] («разностной» оценки температур двух чувствительных элементов датчика как критерии достоверности вазового превращения в наледи). То есть устранение недостатков и близкого аналога [6] и прототипа [7]. Таким образом, ставится задача расширения ТЭВ устройства.
В результате предварительного информационного поиска Заявителем не обнаружены какие-либо известные ранее устройства с заявляемой совокупностью существенных конструктивных признаков. Однако аналоги различной степени близости к потребной совокупности существенных конструктивных признаков (но не выше уровня релевантности «А») выявлены и использованы, наряду с упоминанием выше в обзоре способов, в настоящем кратком обзоре современного уровня техники в рассматриваемой области.
1
2
1
2
1
2
Решение обозначенной проблемы (задачи) достигается тем, что модуль периодического определения наледи на длинномерных элементах конструкций, в частности проводах воздушных ЛЭП, содержащий жестко взаимосвязанные рамой или корпусом, с возможностью крепления на контролируемых длинномерных элементах конструкций, в частности проводах воздушных ЛЭП, разнесенные по продольной оси модуля первый и второй датчики температуры, соответственно, первого и второго последовательных участков контролируемого элемента, микропроцессор с функциями измерения, как минимум, температуры в масштабе реального времени t, управления, обработки, регистрации и передачи информации, приемопередатчик беспроводной связи с внешним объектом, например диспетчерским пунктом или сервером, и по меньшей мере один источник питания электрическим током, согласно заявляемому изобретению, дополнительно содержит первый и второй конструктивно одинаковые электрические нагреватели, разнесенные по продольной оси модуля на расстояние L, обеспечивающее практическое отсутствие их теплофизического взаимовлияния и состоящие, в свою очередь, каждый из двух одинаковых секций, разнесенных по упомянутой продольной оси на расстояние L меньше расстояния L, определяющее длину упомянутых участков контролируемого элемента, с возможностью принудительного нагрева этих участков до температуры не менее температуры плавления льда во всем возможном диапазоне эксплуатационных метеорологических условий, каждый из упомянутых датчиков температуры установлен на равном расстоянии L / 2 между соответствующими секциями нагревателей, при этом первый и второй нагреватели подключены к упомянутому источнику питания через упомянутый микропроцессор с возможностью асинхронного их включения с задержкой времени Δt, в микропроцессоре предусмотрена схема определения разности ΔT (t) температур поверхности T (t) первого и Т (t) второго участков контролируемого элемента как функций времени t:
2
с передачей вовне, посредством приемопередатчика, дополнительно разности (1), а рама или каркас модуля выполнены открытыми, по крайней мере, для атмосферных осадков, на всех участках длин L/2 контролируемого элемента.
2
Решение обозначенной проблемы (задачи) достигается также дополнительным конструктивным признаком на базе вышеописанной основной совокупности конструктивных признаков заявляемого устройства: в микропроцессоре дополнительно предусмотрена схема вычисления массы растаявшего льда на участках длин L / 2 контролируемого элемента по интенсивности его нагрева до температуры плавления, то есть по постоянной времени эмпирической кривой (1) (это позволяет еще в большей мере расширить ТЭВ устройства за счет возможности не только качественной оценки «есть обледенение или его нет» и «больше/меньше», но и дополнительно количественной оценки «масса наледи» или «толщина наледи»).
Рассмотрим пример конструктивного выполнения заявляемого устройства и его работу, с привлечением иллюстративного материала (см. фиг. 1 - 5).
на фиг. 1 изображена укрупненная блок-схема заявляемого устройства (модуля), где позициями обозначены:
1 и 3 - секции первого нагревателя; 2 - первый датчик температуры; 4 - провод ЛЭП или иной длинномерный элемент; 5 и 7 - секции второго нагревателя; 8 - рама или корпус модуля; 9 - микропроцессор; 10 и 11 - нормально-разомкнутые контакты (условно, для наглядности, с вероятной заменой эквивалентной электронной схемой) раздельного включения/выключения первого и второго нагревателей; 12 - «разностная» схема (вычислитель разности показаний датчиков температуры; 13 - измеритель продолжительности нулевого участка фазового превращения (перехода); 14 - измеритель мощности нагревателей; 15 - вычислитель массы / толщины наледи; 16 - приемопередатчик; 17 - источник питания.
На фиг. 2 изображена упрощенная схема датчиковой части (совокупность компонентов 1, 2, 3, 5. 6, 7) модуля, установленного на провод ЛЭП или иной длинномерный элемент, вид сбоку, совмещенный с графиком распределения температуры нагрева элемента по его длине, где
1
2
L - расстояние между первым и вторым нагревателями; L - расстояние между секциями каждого нагревателя; X - координаты по продольной оси модуля; Y - температура поверхности элемента (по показаниям датчиков температуры);
1
2
2
1
2
ф1
ф2
2
ф
ф2
ф1
На фиг. 3 показаны графики значений температуры чувствительных элементов и их разности с течением времени работы первого и второго нагревателей при асинхронном включении последних при равной мощности тепловыделения (теоретический график), где T и Т - измеряемая температура поверхностей обледенелых рабочих участков (L) первого и второго чувствительных элементов; T - Т -разность температуры в каждый момент времени t; Δt - временная задержка включения второго нагревателя после включения первого; t, t - продолжительность (периоды) фазовых превращений (таяния льда) на поверхностях рабочих участков (L) первого и второго чувствительных элементов соответственно, Δt - перекрытие периодов t и t;
1
2
1
2
на фиг. 4 - графики значений температуры чувствительных элементов и их разности с течением времени работы нагревателей при асинхронном включении последних (экспериментальный, при обледенелых рабочих поверхностях, как один из результатов лабораторно-отработочных испытаний образца ЛОИ), где измеряемая датчиками температура T и Т обозначены позициями 1 и 2 соответственно, а их разность T - Т - позицией 3.
1
2
1
2
на фиг. 5 - графики значений температуры чувствительных элементов и их разности с течением времени работы нагревателей при асинхронном включении последних (экспериментальный, при «чистых» рабочих участках, как другой из результатов испытаний образца ЛОИ), где измеряемая датчиками температура T' и Т' обозначены позициями 1 и 2 соответственно, а их разность Т' - Т' - позицией 3.
На фиг. 4 и 5 по оси абсцисс отложено условное время в дискретных отсчетах, а по оси ординат - температура в условных единицах, которые могут быть приведены к градусам Цельсия, поскольку получены в результате реального опыта.
Для наглядности кривые 1 и 2 разогрева сдвинуты вниз на значение температуры (см. ось ординат), соответствующее моменту включения. В результате нулю на графиках отвечает температура в момент включения нагревателей.
Модуль (см. фиг. 1, 2) периодического определения наледи на длинномерных элементах 4 конструкций, в частности проводах 4 воздушных ЛЭП, содержит жестко взаимосвязанные рамой (или корпусом) 8, с возможностью крепления на контролируемых длинномерных элементах 4 конструкций, в частности проводах 4 воздушных ЛЭП (см. фиг. 2):
2
- разнесенные по продольной оси модуля (ось X на фиг. 2) первый 2 и второй 6 датчики температуры, соответственно, первого и второго последовательных участков контролируемого элемента (L);
- микропроцессор 9 с функциями измерения, как минимум, температуры в масштабе реального времени t, управления, обработки, регистрации и передачи информации;
- приемопередатчик 16 беспроводной связи с внешним объектом, например диспетчерским пунктом или сервером (не показаны);
- по меньшей мере один (общий) источник питания 17 устройств модуля электрическим током.
1
2
1
2
Модуль дополнительно содержит первый и второй конструктивно одинаковые электрические нагреватели, разнесенные по продольной оси модуля на расстояние («теплоизолирующее расстоянием») L, обеспечивающее практическое отсутствие их теплофизического взаимовлияния. Они состоят, в свою очередь, каждый из двух одинаковых секций - 1, 3 и 5, 7, разнесенных по упомянутой продольной оси X на расстояние L меньше расстояния L, определяющее длину упомянутых участков (L) контролируемого элемента 4, с возможностью принудительного нагрева этих участков до температуры не менее температуры плавления льда во всем возможном диапазоне эксплуатационных метеорологических условий (0°С при нормальных атмосферных условиях).
2
1
2
Каждый из упомянутых датчиков температуры установлен на равном расстоянии L / 2 между соответствующими секциями 1, 3 и 5, 7 нагревателей (см. фиг. 2). При этом первый и второй нагреватели подключены к источнику питания 17 через микропроцессор 9 (см. фиг. 1) с возможностью асинхронного их включения с задержкой времени Δt (как правило, несколько секунд - подробнее см. далее по тексту). В микропроцессоре 9 предусмотрена схема 12 («разностная схема») определения разности ΔT (t) температур поверхности T (t) первого и Т (t) второго участков контролируемого элемента 4 как функций текущего времени t:
с передачей вовне (например, на диспетчерский пункт и/или сервер), посредством приемопередатчика 16, дополнительно разности (1).
2
Рама (или корпус) 8 модуля выполнена открытой, по крайней мере, для атмосферных осадков, на всех участках длин L / 2 контролируемого элемента 4.
2
В микропроцессоре 9 может быть дополнительно предусмотрена схема («вычислитель») 15 вычисления массы растаявшего льда («вычислитель», по известным в физике формулам) на участках длин L / 2 контролируемого элемента 4 по интенсивности его нагрева до температуры плавления (до «нулевой площадки» фазового перехода), то есть по постоянной времени эмпирической кривой (1).
В основу работы (функционирования) описанного устройства положено следующее явление (используемое и в близком аналоге [6]): кривая роста температуры поверхности рабочего участка элемента 4, граничащей с контролируемой средой (наледью или воздухом, в идеальном случае отсутствия атмосферных возмущений ее поверхности, имеет горизонтальный участок. Этому горизонтальному участку отвечают моменты времени, соответствующие плавлению льда или снега (фазовому переходу в жидкое состояние), находящегося на рабочей поверхности элемента 4.
Сигнал, используемый для выработки решения о наличии наледи, является разностью сигналов от двух идентичных чувствительных элементов (в составе датчиковой части модуля), причем в процессе измерения температуры нагреватель одного из них включается с опережением Δt относительно другого (см. фиг. 1). Такое асинхронное включение нагревателей обеспечивает асинхронность вкладов полезного сигнала, обусловленного плавлением льда, в сигнал каждого из каналов (первого и второго по номеру чувствительного элемента), в то время как мешающий сигнал, обусловленный атмосферными воздействиями, является синхронным вкладом.
1
2
Математически это подробно объяснено в аналоге [6]: при синхронном (в каждый момент времени t) вычитании T - Т (в «разностной» схеме 12 микропроцессора 9) влияние потоков воздуха (как вредный сигнал) обнуляются, и при отсутствии наледи:
синхр.
синхр.=
Т - T0;
1
2
асинхр.1
асинхр.2
T-T=T-T ≠ 0,
а при наличии на участках L2 наледи, вклады полезных сигналов в моменты времени, соответствующие фазовому превращению (переходу), аннулируются:
асинхр.1
асинхр.2
T=T;
1
2
асинхр.1
асинхр.2
T - T=T - T=0.
1
2
2
1
2
Обнуление разности T - Т свидетельствует о наличии наледи на участках L элемента 4. На практике отслеживаются моменты времени, в которые разность T - Т становится меньше заданного порогового значения.
На достигнутом этапе (или по окончании всех операций функционирования) делают заключение о качественной характеристике обледенения рабочих поверхностей пластин - наличии или отсутствии льда на них по установленному критерию: о наличии свидетельствует только практическое обнуление величины (3): ΔT (t)=0, являющейся нулевой площадкой фазового превращения (перехода).
Введена дополнительная операция: определяют количественно массу m (и/или пересчитывают на толщину h через плотность льда и площадь рабочей поверхности элемента 4) обледенения рабочих поверхностей элемента 4 по интенсивности его нагрева до температуры плавления, то есть по постоянной времени эмпирической кривой (1).
Эта дополнительная операция реализуется также в микропроцессоре, конкретно - в его «вычислителе» 15.
После чего может быть дана окончательная (полная, с учетом количественной характеристики) оценка «ледовой обстановки» на месте установки датчика.
Регистрации и/или индикация сигналов выполнены с возможностью независимых прямых индикации и регистрации величины ΔT(t), а также, при необходимости, передачи удаленному пользователю (например, диспетчеру или на сервер), посредством приемопередатчика 16 (см. фиг. 1).
Поскольку устройство выполнено с возможностью включения второго нагревателя с задержкой времени Δt (см. фиг. 3-5) после включения первого, в модуле (точнее, в микропроцессоре 9) предусмотрено устройство независимого включения/выключения подачи электропитания от источника 17 через микропроцессор 9, контакторы 10 и 11 (см. фиг. 1) на секции 1, 3 и 5, 7 нагреватели, на базе известных электронных средств. Для очевидности иллюстративного материала на фиг. 1 приведена условная электрическая аналогия - нормально-разомкнутые контакты 10, 11).
Рекомендуется интервал задержки Δt включения второго нагревателя задавать величиной, меньшей продолжительности фазового перехода минимально значимого количества льда на рабочей поверхности первого чувствительного элемента, но большей интервала, при котором разностный сигнал является величиной того же порядка, что и сигнал помехи измерения. Практически величина Δt составляет, как правило, несколько секунд (что оговорено выше в описании работы).
Возможность технологической/промышленной реализации заявляемого изобретения, а также работоспособность и эффективность (в соответствии с техническими требованиями) подтверждена Заявителем путем изготовления и успешных лабораторно-отработочных испытаний в климатических условиях, аналогичных заданным эксплуатационным. Все комплектующие и материалы для изготовления модуля освоены промышленностью и находятся в свободном доступе. В частности, в качестве электронагревателей могут быть использованы транзисторы КТ818Б. Электронные и электрические компоненты микропроцессора 9 также известны и широко применяются в промышленности и НИОКР. Возможный канал передачи данных - GSM (900/1100/1800/1900 МГц); возможный протокол передачи - SMS/GPRS. Источник питания может быть выполнен (как в прототипе [7]) - в виде встроенного токового трансформатора. Получаемая энергия используется для питания всего устройства. Никаких внешних источников питания не требуется. Также в модуле может быть использован GPS-приемник. Измеренные значения тока и температуры привязаны, таким образом, к конкретным координатам положения блока на ЛЭП и меткам точного времени. Данные измерений периодически передаются вовне, в частности в диспетчерский пункт, оборудованный, например, системой SCADA, через стандартный /ЕС-протокол. Данные доступны через веб-браузер.
При испытаниях образца ЛОИ, были получены эмпирические данные:
- графики нагрева (см. фиг. 4) при наледи с фазовым переходом (плавлением льда), с демонстрацией практического обнуления разности температуры первого и второго рабочего участков на перекрытии «площадок фазового перехода»;
- графики нагрева (см. фиг. 5) «чистого» элемента 4, для сравнения с графиками фиг. 3 и визуализации при этом технического результата.
эксперимент
Измеренные посредством экспериментального образца устройства толщины h (как обледенения) достаточно точно совпали с измеренными (априорно известными) величинами h непосредственно на рабочих участках элемента 4.
Таким образом, использование заявляемого изобретения (устройства) позволяет достичь технического результата в соответствии с решаемой проблемой, а именно - разработать устройство, пригодное для использования в заявленных областях техники (и прежде всего на воздушных ЛЭП) и реализующее при этом теплофизический способ, заложенный в принцип действия аналога [6] («разностной оценки температур двух чувствительных элементов датчика как критерии достоверности вазового превращения в наледи). То есть устранить недостатки и близкого аналога [6] и прототипа [7] одновременно. Таким образом, можно констатировать расширение ТЭВ устройства.