Об эффективности борьбы с гололедными образованиями на проводах линий электропередачи

УДК 621.31

Соловьев В.А., Черный С.П., Сухоруков С.И.

ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ БОРЬБЫ С ГОЛОЛЕДНЫМИ ОБРАЗОВАНИЯМИ НА ПРОВОДАХ ЛИНИЙ

ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

В статье рассмотрена проблематика борьбы с гололедом, образующимся на проводах линий электропередачи (ЛЭП), описаны основные применяемые на сегодня способы и устройства для удаления гололеда с проводов ЛЭП. Предложен новый электродинамический способ удаления гололеда с проводов, приведены результаты экспериментального исследования предложенного способа.

Ключевые слова: ЛЭП, провода, удаление гололеда, источник тока, энергоэффективность.

Введение

Периодически возникающие в последнее время природные аномальные явления («ледяной дождь», обильный снегопад при резком понижении температуры и т.п.), приводящие к возникновению аварийных ситуаций в системах энергоснабжения, заставляют искать высокоэффективные способы борьбы с такими техногенными процессами. Основным фактором, обуславливающим возникновение аварийных ситуаций, является образование гололеда на проводах ЛЭП и несущих опорах, масса которого в несколько раз может превышать предельно допустимое значение, определяемое прочностными характеристиками ЛЭП. Примером такой аварии может служить обрыв гирлянды изолятора и отключение энергоснабжения на острове Сахалин 26 октября 2013 года. В результате были обесточены 7 населенных пунктов в Поронайском районе Сахалинской области (центральная часть острова), где проживает порядка 17 тысяч человек [1].

На сегодняшний день наиболее распространённым способом борьбы с гололедными отложениями на проводах ЛЭП является плавка гололеда постоянным или переменным током [2, 3]. При этом реализация данного способа требует отключения ЛЭП от генерирующих источников на длительное время, а токи, обеспечивающие необходимую величину тепловой энергии для плавки гололеда, могут достигать значений, приводящих к необратимым пластическим деформациям проводов.

Целесообразность переключения ЛЭП на устройства для плавки гололеда диктуется сведениями о массе отложившегося льда на проводах, которую в реальных условиях определить довольно сложно.

Использование композитных проводов [4, 5] не решает задачу устранения аварийных ситуаций в целом, поскольку с помощью этих проводов расширяется только диапазон механических нагрузок, которые могут выдержать провода. В целом переход на новые типы проводов связан со значительными затратами (стоимость провода ACCC в 5-6 раз выше провода марки АС того же сечения), кроме того, использование проводов с более высокими механическими характеристиками требует и изменения (усиления) устройств подвески изоляторов.

В [6-8] приведены примеры использования для оценки состояния проводов ЛЭП специальных робото-технических устройств. Однако не приведены сведения о том, как будут вести себя данные устройства в сложных климатических условиях (большие ветровые нагрузки, плохая видимость из-за снега). Кроме того, при

таких условиях затруднительно переключение робото-технического устройства с одного пролета ЛЭП на другой.

Использование для оценки состояния проводов ЛЭП датчиков гололеда [9, 10, 11] не всегда позволяет достичь желаемого результата. Это связано с тем, что большинство описанных в технической литературе датчиков гололеда (за исключением датчиков тензо-метрического типа) ориентировано на фиксацию начала образования гололедных отложений и не позволяет судить о массе отложившегося льда на проводах. Применение для этих целей устройств и сигнализаторов обледенения, широко используемых в авиационной технике, построенных на различных физических принципах (тепломерном, вибрационном, акустическом, радиоизотопном, оптическом и др.), не всегда приемлемо или из-за требуемой конструктивной доработки, или из-за трудности реализации в силу распределенности объекта обледенения.

Использование тензометрических датчиков [12] типа ДГВН обеспечивает одновременное измерение нагрузок в двух плоскостях: вертикальной (измерение массы образовавшегося льда) и горизонтальной (измерение силы ветра), но требует некоторого изменения узла подвески проводов. При этом взаимное влияние составляющих нагрузки практически полностью исключается. Нагрузка от массы провода компенсируется в момент установки датчика, а нагрузка от тяжения провода при изменении температуры (в горизонтальной плоскости, параллельной воздушной линии) датчиком не воспринимается. При наличии датчиков данного типа в качестве источника сигналов обратной связи может быть реализована управляемая система автоматического удаления льда.

Исследование предложенного способа удаления гололеда с проводов ЛЭП

В [13] предложен альтернативный способ удаления льда с проводов ЛЭП. Сущность данного способа состоит в комбинированном (механическом и тепловом) воздействии на провода. Если через провода пропускать импульсы тока определенной скважности и амплитуды, то под воздействием силы Ампера провода, расположенные в одной плоскости, будут испытывать силовые возмущения, приводящие их в колебательное движение. Колебательные движения проводов с определенной частотой приведут к упругопластиче-ской деформации двухслойной структуры «провод-лед», что и приведет к разрушению ледового покрытия проводов.

Для повышения эффективности процесса разрушения ледового покрытия необходимо, чтобы частота колебаний обледеневших проводов была близка к резонансной частоте собственных колебаний подвешенного провода. Кроме того, для ослабления адгезионных свойств границы раздела «провод-лед» желательно, чтобы температура провода была несколько выше температуры льда.

Для оценки работоспособности данного способа удаления льда с проводов ЛЭП были проведены экспериментальные исследования на физическом макете линии электропередачи в масштабе 1:100. Лед на провода наносился путем сбрызгивания проводов из пульверизатора при температуре окружающего воздуха -12°С. Возмущающие электрические воздействия создавались с помощью источника постоянного тока, переключаемого программируемым микроконтроллером Siemens LOGO! (рис. 1).

б

Рис. 1. Экспериментальный стенд: а - макет ЛЭП; б - генератор импульсов

В силу того, что масса осаждаемого льда на проводах является величиной переменной, а распределение ледового покрытия на проводах - неравномерным, то для приведения проводов в колебательный процесс с частотой, близкой к резонансной, необходимо, чтобы электрический источник возмущающих воздействий был управляемым.

На рис. 2 приведен один из возможных вариантов реализации такого управляемого источника возмущающих воздействий.

Силовая часть источника выполнена в виде однофазного моста из ЮБТ-транзисторов, управляемого с

помощью микроконтроллера через специальные микросхемы-драйверы. Это позволяет формировать на выходе источника импульсы тока заданной формы, частоты, скважности и величины (в том числе, и двух-полярные импульсы). Управление на основе микроконтроллера позволяет программно задавать необходимые настройки импульса, осуществлять связь источника с компьютером, а также автоматическую подстройку частоты под изменяющиеся параметры линии [14].

' К нагрузке

Рис. 2. Структурная схема управляемого источника тока:

+ им - напряжение, подаваемое на мост; ДТ - датчик тока, ДН - датчик напряжения

Так как математическое описание вынужденных колебательных движений свободно подвешенного провода представляет собой сложную задачу, требует учета множества параметров и не позволяет выявить однозначную связь между механическими параметрами колебаний и электрическими параметрами возмущающих воздействий [15, 16], авторами была проведена серия экспериментов на физическом макете ЛЭП в масштабе 1:40 с использованием вышеописанного управляемого источника возмущающих воздействий. На рис. 3 приведены кривые зависимости амплитуды колебаний провода от частоты возмущающих воздействий для свободно подвешенного провода и провода с ледяным покрытием при равномерном его распределении по длине провода.

0.5 0.7 0.9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 /Гц Рис. 3. Кривые зависимости амплитуды колебаний провода от частоты возмущающих воздействий

а

Выводы:

На приведенных кривых четко прослеживается резкое повышение амплитуды колебаний при приближении частоты возмущающих воздействий к частоте собственных колебаний провода. Кроме того, видно, что при увеличении массы максимум амплитуды колебаний сдвигается в сторону низких частот. На частотах, отличных от резонансных, амплитуда колебаний провода снижается, а на частотах, близких к резонансным (амплитуда колебаний максимальна), не происходит схлестывания проводов. Время удаления льда с проводов в несколько раз меньше времени, необходимого на плавку гололеда стандартным способом. Это подчеркивает высокую энергетическую эффективность предложенного способа.

Список литературы

1. Циклон оставил без света 17 тысяч человек на Сахалине // Энергетика. Режим доступа: http://pronedra.ru/energy /2013 /10 /27/cyklon-sahalin/.

2. Борьба с гололедом - Эксплуатация воздушных линий электропередачи // Энергетика: оборудование, документация. Режим доступа: http://forca.ru/instrukcii-po-ekspluatacii/ vl/ekspluataciya-vozdushnyh-linii-elektroperedachi _4. html.

3. Инновационные технологии управления. В 2 книгах. Кн. 1. : монография / В.А. Соловьев, С.П. Черный, В.М. Козин, С.И. Сухоруков [авт.кол. : Баранников А.А., Дунская, Ильиных С.А., и др.]. Одесса: КУПРИЕНКО СВ, 2013. 128 с.

4. Высокотемпературные провода: повышение пропускной способности ВЛ // EnergyFuture.ru: Профессионально об энергетике будущего и настоящего. Режим доступа: http://energyfuture.ru/vysokotemperaturnye-provoda-povyshenie-propusknoj-sposobnosti-vl.

5. Обзор новых технологий в энергетике. Вып. 1. М.: Департамент технического развития ОАО «МРСК Центра», 2008. 11 с.

6. Робот LineScout на линиях электропередач // Мир роботов Roboting.ru. Режим доступа: http://roboting.ru/1253-robot-linescout-na-liniyax-yelektroperedach. html.

7. Expliner - робот для обслуживания линий электропередач выходит на работу // Новости технологий. Режим доступа: http://techvesti.ru/node/3807.

8. Робот Expliner инспектирует высоковольтные линии // Мир роботов Roboting.ru. URL: http://roboting.ru/957-robot-

expliner-inspektiruet.html.

9. Пат. 2079944 С1 Российская Федерация, МПК H 02 G 7/16. Сигнализатор начала обледенения / Р.М. Рудакова; М.Б. Гузаиров; И.Г. Асмандияров; заявитель и патентообладатель Уфимский государственный авиационный технический университет - № 95107564/07; заявл. 11.05.1995; опубл. 20.05.1997.

10. Пат. 2080723 С1 Российская Федерация, МПК H 02 G 7/16. Сигнализатор начала обледенения проводов воздушных линий электропередачи / Р.М. Рудакова; Ю.А. Воронов; А.М. Фарвазов; заявитель и патентообладатель Уфимский государственный авиационный технический университет. №95107566/07; заявл. 11.05.1995; опубл. 27.05.1997.

11. Пенчев Е. А. Емкостный метод индикации гололёд-но-изморозевых об-разований : автореф. дис. ...канд. техн. наук. : 11.00.09 / Пенчев Евгений Александрович. Одесса, 1984.

12. Тензометрический датчик тип ДГВН // Элна-Север плюс. Режим доступа: http://elna-severplus.ru/produkcija /tenzometricheskie-datchiki/tip-dgvn-datchik-gololedno-vetrovyh/.

13. Пат. 2442256 C1 Российская Федерация, МПК H 02 G 7/1 6. Способ удаления обледенения с проводов линий электропередач / В.М. Козин, В.А. Соловьев, Д.А. Орлов, С.И. Сухоруков, К.С. Малых; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Амурский гуманитарно-педагогический государственный университет». №2010144485/07; заявл. 29.10.2010; опубл. 10.02.2012, Бюл. № 4. 4 с. : ил.

14. Сухоруков С.И. , Соловьев В.А. Управляемый источник тока для экспериментальной установки по удалению льда с проводов ЛЭП // Электротехнические комплексы и системы управления, 2013. № 4. С. 6-10.

15. Способ удаления гололеда с проводов контактных сетей и линий электропередач / В.М. Козин, В.А. Соловьев, С.И. Сухоруков, Д.А. Орлов // Прикладные задачи механики деформируемого твердого тела и прогрессивные технологии в машиностроении: сборник статей. Вып. 4. Комсомольск-на-Амуре: ИМиМ ДВО РАН, 2013. С. 126-137.

16. Сергеева А.М., Ткачева А.В., Одиноков В.И. Построение математической модели процесса деформирования ледяного покрова ледокольным судном // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. Науки о природе и технике. 2012. № 1-1(9). С. 24-31.

Information in English

Power Transmission Line Wires De-Icing Efficiency

Solovyev V.A., Chernyi S.P., Sukhorukov S.I.

The paper presents a short overview of the problem of power transmission line wires de-icing, the main methods and devices for power transmission line wires de-icing are described. A new electrodynamic method is offered and the results of experimental research are shown.

Keywords: power transmission line, wires, de-icing, current source, power efficiency.

References

1. Cyklon ostavil bez sveta 17 tysyach chelovek na Sahaline [Cyclon caused power outage for 17 thousand citizens of Sakhalin]. Energetika [Power industry]. Mode of access: http://pronedra.ru/energy/2013/10/27/cyklon-sahalin/.

2. Borba s gololedom - Ekspluatatsiya vozdushnyh linii

elektroperedachi [Deicing - overhead power transmission line operation]. Power industry: equipment, specifications. Mode of access: http://forca.ru/instrukcii-po-ekspluatacii/vl/ekspluataciya-vozdushnyh-linii-elektroperedachi_4.html.

3. Solovyev V.A., Chyerhyi V.A., Kozin V.M., Suhorukov S.I. Innovatsionnye tehnologii upravlenita [Innovative control technology]. 2 Volumes. Vol. 1. : monograph / [Barannikov A.A., Dunskaya, Ilyinyh S.A. and others]. Odessa: KUPTIYENKO SV, 2013. 128 p.

4. Vysokotemperaturnye provoda: povyshenie propusknoj sposobnosti vl [High temperature wires: transmission capacity improvement of high voltage lines]. EnergyFuture.ru: Power energy of the future and present. Mode of access: http://energyfuture.ru/vysokotemperaturnye-provoda-povyshenie-propusknoj-sposobnosti-vl.

5. Obzor novyh tehnologii v energetike [Overview of new technologies in power industry]. Issue 1. Department of technological development of OJSC «MRSK Tsentra», 2008. 11p.

6. Robot linescout na liniyax yelektroperedach [LineScout robot on power transmission lines]. Mir robotov Roboting.ru. URL: http://roboting.ru/1253-robot-linescout-na-liniyax-yelektroperedach.html.

7. Expliner robot dlya obsluzhivaniya yelektroperedach vyhodit na rabotu [Expliner, the robot for power transmission line maintenance, is put into operation]. Tech news. URL: http://techvesti.ru/node/3807.

8. Robot expliner inspektiruet vysokovoltnye linii [Expliner surveys high voltage lines]. Mir robotov Roboting.ru. Mode of access: http://roboting.ru/957-robot-expliner-inspektiruet.html.

9. RF Patent 2079944 d, МПК H 02 G 7/16. Indicator of ice formation / Rudakova R.M.; Guzairov M.B.; Asmandiyarov I.G.; patent applicant and patent holder Ufa state aircraft technical university. №95107564/07; applied on 11.05.1995; published on 20.05.1997.

10. RF Patent 2080723 d, МПК H 02 G 7/16. Indicator of ice formation start on overhead power transmission lines / Rudakova R.M.; Voronov Yu.A.; Farvazov A.M.; patent applicant and patent holder Ufa state aircraft technical university. №95107566/07; applied on 11.05.1995; published on 27.05.1997.

11. Penchev E.A. Emkostnyi metod indikatsii gololedno-izmorozevyh obrazovanii [Capacitance method of glaze-ice and rime deposition indication]: synopsis of Dissertation for the degree of PhD. (Engineering): 11.00.09 / Penchev Evgenie. Odessa, 1984.

12. Tenzometricheskie datchiki tip DGVN [Strain gage transducer of DGVN type]. Elna-sever plus. Mode of access: http://elna-severplus.ru/produkcija/tenzometricheskie-datchiki/ tip-dgvn-datchik-gololedno-vetrovyh/.

13. RF Patent 2442256 C1, МПК H 02 G 7/16. Method of power transmission lines deicing / Kozin V.M., Solovyev V.A., Orlov D.A., Suhorukov S.I., Malyh K.S.; patent applicant and patent holder Federal state educational institution of higher professional education «Amur pedagogical state university». No. 2010144485/07; applied on 29.10.2010; published on 10.02.2012, Certificate No. 4, 4 p. : Fig.

14. Suhorukov S.I., Solovyev V.A. Upravlyaemyi istochnic toka dlya eksperimentalnoy ustanovki po udaleniyu lda s provodov LEP [Controlled current source for pilot installation of power transmission line deicing]. Electro technical complexes and control systems, 2013. No. 4, pp. 6-10.

15. Kozin V.M., Suhorukov S.I., Solovyev V.A., Orlov D.A. Sposob udaleniya gololyeda s provodov kontaktnyh setei i liniy elektroperedach [Method of overhead contact system and power transmission lines deicing]. Applied problems of deforma-ble solid body mechanics and advanced technology in machine building: collected articles. Issue 4. Komsomolsk-on-Amur: IMIM DVO RAN, 2013, pp. 126-137.

16. Sergeeva A.M., Tkacheva A.V., Odinokov V.I. Postroenie matematicheskoi modeli protsessa deformirovaniya ledyanogo pokrova ledokolnym sudnom [Mathematical modeling of ice cover deformation process by ice-breaking ship]. Proceedings of Komsomolsk-on-Amur state technical university. Natural and engineering sciences, 2012, № I-1(9), pp. 24-31.