СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ГОЛОЛЕДНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ НА ПРОВОДАХ И ГРОЗОЗАЩИТНЫХ ТРОСАХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
METHOD FOR DETECTING GLASE-ICE ACCRETIONS ON WIRES AND LIGHTNING PROTECTION CABLES OF ELECTRIC POWER LINES

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для обнаружения гололедных образований на проводах и грозозащитных тросах линий электропередачи (ЛЭП).
Известен способ контроля уровня гололедной нагрузки на проводах линий электропередачи, реализованный, например, в устройствах [Авторское свидетельство №603034, H02G 7/16, опубл. 15.04.78, БИ №14; Авторское свидетельство №508843, H02G 7/16, опубл. 30.03.76, БИ №12]. Известный способ предполагает излучение на заданной частоте в линию электропередачи через высокочастотное присоединение зондирующих импульсов, прием зондирующих импульсов и фиксацию гололедных образований на контролируемом участке по дополнительному отраженному импульсу, соответствующему месту гололедообразования.
Недостатком известного способа является невозможность определения толщины стенки гололеда на ЛЭП.
Известен способ обнаружения гололедных образований, реализованный в устройстве сигнализации гололедных образований на проводах линий электропередачи [Авторское свидетельство №748615, H02G 7/16, опубл. 15.07.80, БИ №26].
Способ предполагает излучение сигналов на двух частотах, а его недостатком является сложная техническая реализация, связанная с размещением аппаратуры на разных концах ЛЭП.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ обнаружения гололедных образований на проводах и грозозащитных тросах линий электропередачи, включающий излучение и прием двухчастотных зондирующих импульсов через высокочастотное присоединение линии электропередачи, согласованную фильтрацию принятых двухчастотных импульсов и сравнение уровней последних, по которому принимают решение о наличии гололедных образований на линии электропередачи.
Способ-прототип реализуется устройством для обнаружения гололедных образований на проводах и грозозащитных тросах ЛЭП [Патент №2227953, H02G 7/16, опубл. 27.04.2004].
Устройство включает в себя устройство присоединения, подключенное к линейному тракту, коммутатор приема-передачи, усилитель мощности, входные фильтры, формирователь зондирующих импульсов, усилители, согласованные фильтры, амплитудные детекторы, пиковые детекторы, устройство ввода-вывода, персональный компьютер и двунаправленную магистраль обмена данными.
Устройство работает следующим образом.
з
1
2
1
2
1
2
Персональный компьютер через устройство ввода-вывода с выходов управления частотой заполнения и длительностью программно управляет формированием зондирующих импульсов с длительностью Т и частотами заполнения f и f, которые переходят одна в другую без разрыва фазы. Зондирующие импульсы усиливаются усилителем мощности до необходимого уровня мощности и через устройство присоединения поступают в линейный тракт. При этом коммутатор приема-передачи отключает приемный тракт устройства, защищая его от прямого воздействия радиоимпульсов. Зондирующий радиоимпульс, излученный в линейный тракт, распространяясь в нем, проходит последовательно все его неоднородности, отражается от их границ и конца линейного тракта. При этом зондирующий радиоимпульс претерпевает естественное затухание в линейном тракте и прирост затуханий частот заполнения f и f во времени за счет роста гололедных образований и других факторов. Для анализа характера явления, вызвавшего разный прирост затухания частот заполнения f и f, принимают радиоимпульс, отраженный от конца линейного тракта.
1
2
Персональный компьютер через устройство ввода-вывода открывает коммутатор приема-передачи в течение интервала Δt, который больше длительности зондирующего радиоимпульса на величину, учитывающую разброс времени его распространения во всех неоднородностях линейного тракта. Отраженный от конца линейного тракта радиоимпульс разделяется входными фильтрами на два радиоимпульса с частотами заполнения f и f соответственно, которые совместно с шумом подаются на выходы соответствующих согласованных фильтров, повышающих отношение сигнал/шум. С выходов согласованных фильтров радиоимпульсы поступают на входы амплитудных детекторов, которые выделяют их огибающие. Далее огибающие радиоимпульсов поступают на соответствующие пиковые детекторы, запоминающие их амплитудные значения, которые подаются на соответствующие аналоговые входы устройства ввода-вывода. В устройстве ввода-вывода эти амплитудные значения подвергаются аналого-цифровому преобразованию и поступают через двунаправленную магистраль обмена данными в персональный компьютер, который производит статистическую обработку смеси сигнала и шума по каждому из каналов путем усреднения с помощью суммирования с последующим нормированием результатов.
f1
f2
1
2
f1
f2
1
2
2
f2
Таким образом, из смеси сигнала и шума выделяются огибающие радиоимпульсов соответствующих частот заполнения, затем измеряются с достаточной степенью точности амплитудные значения и величины снижения уровней амплитудных значений Δα и Δα, соответствующие приростам затуханий частот f и f. При достижение отношением Δα/Δα заранее установленного значения g, которое постоянно для выбранных частот заполнения f и f и имеет место только при увеличении затухания линейного тракта при гололедных образованиях, устройство в соответствии с программой начинает измерять снижение уровня амплитудных значений только частоты f (Δα), которое пропорционально толщине стенки гололедных образований. Далее для повышения надежности обнаружения гололедных образований в соответствии с программой устройство определяет, что они находятся в пределах участка, где они наиболее вероятны по многолетним статистическим данным. Для этого приемный тракт открывается для приема радиоимпульсов, отраженных от границ гололедных образований в известных пределах времени, соответствующих их возможным дальней и ближней границам. Для этого по команде компьютера через устройство ввода-вывода по цепи управления коммутатор приема-передачи открывается в интервале времени Δt′, а затем в интервале Δt′′.
1
2
Радиоимпульсы, принятые в интервале Δt′ и имеющие отношение изменения амплитуд частот изменения f и f
f1
f2
Δα/Δα〈g,
считаются отраженными от ближней границы гололедных образований, а радиоимпульсы, принятые в интервале Δt′′ и имеющие отношение уровней
f1
f2
Δα/Δα〈g,
считаются отраженными от дальней границы. По разности времени приема радиоимпульсов, отраженных от границ неоднородности, определяется протяженность гололедных образований.
Недостатками известного способа-прототипа и устройства его реализующего являются низкое быстродействие и сложность, заключающаяся в поэтапном выполнении.
f1
f2
Согласно описанию устройства [Патент №2227953, H02G 7/16, опубл. 27.04.2004] при реализации способа-прототипа на первом этапе определяется отношение Δα/Δα и только при достижении этого отношения установленного значения g выполняется второй этап. Второй этап предполагает выявление ближней и дальней границы гололедообразования, причем для этого необходимы «многолетние статистические данные».
Применение поэтапной процедуры усложняет процесс обнаружения гололедных образований, затягивает его по времени, требует длительного сбора многолетних данных.
1
2
В качестве дополнительных недостатков следует отметить и низкую помехозащищенность. Известно, что применение узкополосных сигналов на фиксированных частотах f и f существенно уступает по помехозащищенности применению широкополосных сигналов [например, Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. - М.: Радио и связь, 1981].
Кроме того, способ-прототип обладает низкой универсальностью. Так, указанный способ не позволяет фиксировать изменение толщины стенки гололеда вдоль длины анализируемого участка. Устройством фиксируется лишь ближняя и дальняя границы гололедообразования. Отсутствие оценки толщины стенки гололедообразования вдоль анализируемого участка ЛЭП может не позволить с достаточной точностью определить уровень механической нагрузки на ЛЭП и приводить к неправильным решениям по применению плавки гололеда (например, плавка гололеда может не вводиться, когда она необходима).
Предпосылки для реализации предлагаемого и более совершенного способа, позволяющего определять толщину стенки гололеда на анализируемом участке ЛЭП, связаны теоретическими положениями [например, Ишкин В.Х., Цитвер И.И. Высокочастотная связь по линиям электропередачи 330-750 кВ. - М.: Энергоиздат, 1981], характеризующими влияние на высокочастотные параметры ЛЭП гололедно - изморозевых отложений и осадков.
Рассмотрим такое влияние на высокочастотные параметры внутритросовых трактов ЛЭП, как наиболее подверженных воздействию гололедно-изморозевых отношений [Ишкин В.Х., Цитвер И.И. Высокочастотная связь по линиям электропередачи 330-750 кВ. - М.: Энергоиздат, 1981, с.80-87].
В частности, дополнительное затухание внутритросового тракта, обусловленное влиянием гололедно-изморозевых отложений, существенно зависит от частоты сигнала, распространяющегося по анализируемому участку ЛЭП, а также от температуры окружающей среды, в том числе определяющей разновидности гололедно-изморозевых отложений (кристаллическая изморозь; зернистая изморозь; гололед). Зависимость дополнительного затухания от частоты и температуры носит явно выраженный нелинейный характер и может быть охарактеризована графиками [Ишкин В.Х., Цитвер И.И. Высокочастотная связь по линиям электропередачи 330-750 кВ. - М.: Энергоиздат, 1981, рис.3.16; 3.17].
Если в ЛЭП излучается широкополосный зондирующий импульсный сигнал (сигнал с времячастотной модуляцией) в пределах полосы пропускания высокочастотного присоединения (около 1 МГц), то проходя участок ЛЭП, имеющий гололедно-изморозевые отложения, этот зондирующий сигнал приобретает дополнительное затухание, неравномерное в пределах его полосы излучения. Такое неравномерное дополнительное затухание эквивалентно дополнительной частотной модуляции широкополосного зондирующего сигнала и связано с прохождением последним зоны (участка) гололедообразования. Причем характер модуляции (т.е. величина затухания на отдельных частотах) будет определяться температурой окружающего воздуха, а также толщиной стенки гололеда.
Таким образом, оценивая характер частотной модуляции широкополосного зондирующего сигнала, отраженного от зоны (участка) гололедообразования, а также измеряя температуру окружающего воздуха, можно косвенно определить толщину стенки гололеда.
Следует заметить, что частотные зависимости дополнительного затухания, связанного с гололедно-изморозевыми отложениями, связаны с конструктивным исполнением ЛЭП и должны быть предварительно определены на основе расчетов.
К особенностям конструктивного исполнения следует отнести расположение фазных проводов (вертикальное или горизонтальное), расстояние между ними, наличие грозотроса на ЛЭП, одноцепное или двухцепное исполнение, расщепленность фазных проводов и др.
Для выявления (распознавания) дополнительной частотной модуляции широкополосного зондирующего сигнала в результате отражения от участка ЛЭП, имеющего гололедно-изморозевые отложения, целесообразно использовать множественную согласованную фильтрацию. При этом каждый из набора согласованных фильтров должен иметь импульсную характеристику, соответствующую широкополосному зондирующему сигналу, подверженному дополнительной частотой модуляции при определенных значениях температуры окружающего воздуха и толщины стенки гололеда. А число таких согласованных фильтров должно выбираться исходя из условий обеспечения диапазонов изменения температуры окружающего воздуха и толщины стенки гололеда.
Тогда характер приобретенной дополнительной модуляции зондирующим сигналом может быть определен по результатам множественной согласованной фильтрации. Максимальное значение будет на выходе того согласованного фильтра, чья импульсная характеристика наиболее «похожа» на принимаемый широкополосный зондирующий сигнал с дополнительной частотой модуляцией.
Таким образом, зная характер частотной модуляции широкополосного зондирующего сигнала (характер затухания этого сигнала на разных частотах), а также температуру окружающего воздуха, по заранее определенным зависимостям с учетом конструктивного исполнения ЛЭП, можно определить толщину стенки гололеда.
Для более точной оценки толщины стенки гололеда на ЛЭП следует учесть дополнительное затухание, обусловленное утечкой по гирляндам изоляторов и изолирующим распоркам. При этом целесообразно использовать дополнительные расчетные соотношения [Ишкин В.Х., Цитвер И.И. Высокочастотная связь по линиям электропередачи 330-750 кВ. - М.: Энергоиздат, 1981, с.85].
Отметим, что задача определения толщины стенки гололеда имеет важное значение. Именно при достижении толщины стенки гололеда заданных значений, связанных с недопустимостью гололедных нагрузок на ЛЭП конкретного конструктивного исполнения, требуется введение режима плавки гололеда на ЛЭП.
Задача изобретения - повышение быстродействия и упрощение способа обнаружения гололедных образований на проводах и грозозащитных тросах линий электропередачи, выраженные в переходе к одноэтапной процедуре реализации способа.
Поставленная задача достигается тем, что в соответствии с предлагаемым способом обнаружения гололедных образований на проводах и грозозащитных тросах линий электропередачи, включающим излучение и прием зондирующих импульсов через высокочастотное присоединение линии электропередачи, согласованную фильтрацию принятых импульсов, согласно предположению дополнительно, по крайней мере, с помощью одного датчика измеряют температуру окружающего ЛЭП воздуха, а зондирующие импульсы подвергают времячастотной модуляции, при этом согласованную фильтрацию принятых импульсов производят несколькими фильтрами, частотные характеристики которых учитывают затухание зондирующих импульсов на разных частотах с учетом температуры окружающего воздуха и толщины стенки гололеда, решение о наличии гололедных образований и толщине стенки гололеда принимают по превышению заданного значения, максимального из результатов фильтрации.
Вариант устройства, реализующего предлагаемый способ, изображен на чертеже.
1
N
1
N
1
N
Устройство содержит устройство присоединения 2, подключенное к линейному тракту 1, коммутатор приема-передачи 3, усилитель мощности 4, входной фильтр 5, формирователь зондирующих импульсов 6, усилитель 7, согласованные фильтры 8…8, амплитудные детекторы 9…9, схемы сравнения 10…10, устройство ввода-вывода 11, персональный компьютер 12, двунаправленную магистраль обмена данными 13 и датчик температуры окружающего ЛЭП воздуха 14.
Способ реализуется следующим образом.
Персональный компьютер 12 через устройство ввода-вывода 11 управляет устройством формирования зондирующих импульсов. При этом устройство 6 формирует широкополосные зондирующие импульсы в пределах полосы пропускания устройства присоединения 2 (до 1 МГц). В качестве широкополосных зондирующих импульсов могут применяться импульсные сигналы с различными видами времячастотной модуляции [например, Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория. Справочник. Изд. 2-е. перераб. и доп. / Под ред. Я.Д.Ширмана. - М.: Радиотехника, 2007. - С.271-276].
Зондирующие радиоимпульсы усиливаются, проходя через блок 4 до необходимого уровня мощности, и через устройство присоединения 2 излучаются в линейный тракт. По команде персонального компьютера 12 коммутатор 3 блокирует приемный тракт на время излучения зондирующего импульса и тем самым обеспечивает его защиту.
1
N
1
N
1
N
1
N
Отраженные от неоднородностей ЛЭП импульсы поступают через коммутатор приема-передачи 3, входной фильтр 5 и усилитель 7 на входы согласованных фильтров 8…8. Как указывалось ранее, импульсные характеристики согласованных фильтров 8…8 выбираются таким образом, чтобы учитывать затухание на участке гололедообразования на разных частотах с учетом конструктивных особенностей ЛЭП и температуры окружающего ЛЭП воздуха. Принцип согласованной фильтрации обеспечивает максимальный выходной результат в случае совпадения сигнала, поступающего на вход согласованного фильтра, с импульсной характеристикой этого фильтра [например, Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория. Справочник. Изд. 2-е, перераб. и доп. / Под ред. Я.Д.Ширмана. - М.: Радиотехника, 2007, с.237-241]. Таким образом, согласованные фильтры 8…8 используются не только для определения факта гололедообразования на анализируемом участке ЛЭП, но и служат для выявления закона дополнительной частотной модуляции, приобретенной зондирующим импульсом при прохождении этого участка. Приобретенная дополнительная частотная модуляция отраженного сигнала зависит от температуры окружающего ЛЭП воздуха и толщины стенки гололеда, поэтому за счет фиксации датчиком 14 температуры окружающего ЛЭП воздуха приходят к однозначному измерению толщины стенки гололеда на анализируемом участке ЛЭП. С учетом температуры окружающего ЛЭП воздуха персональным компьютером 12 корректируются импульсные характеристики фильтров 8…8.
1
N
1
N
1
N
Сигналы с выходов согласованных фильтров 8…8 подаются через соответствующие амплитудные детекторы 9…9 на входы соответствующих схем сравнения 10…10.
1
N
1
N
На вторые входы схем сравнения 10…10 из памяти персонального компьютера 12 подаются пороговые (уставочные) значения, превышение которых свидетельствует о факте гололедообразования на анализируемом участке с учетом затухания в тракте ЛЭП. По факту превышения порогового значения в одной из схем сравнения 10…10 обнаруживается гололед на ЛЭП, а номер схемы сравнения 10 характеризует толщину стенки гололеда.
1
N
1
N
Ответ на вопрос, на каком из участков ЛЭП произошло гололедообразование, позволяет определить временная фиксация сигналов на выходах схем сравнения 10…10. Эта фиксация осуществляется персональным компьютером посредством устройства ввода-вывода 11. Расчет расстояния до участка гололедообразования осуществляется персональным компьютером исходя из скорости распространения зондирующего сигнала по ЛЭП и зафиксированного времени соответствующей схемы сравнения 10…10.
Таким образом, факт гололеда образования на ЛЭП обнаруживается по превышению порогового значения продетектированных сигналов на выходах одного из согласованных фильтров. Фиксация времени этого превышения позволяет оценить расстояние до участка гололедообразования на ЛЭП, а номер согласованного фильтра характеризует толщину стенки гололедообразования.
Отражение результатов обнаружения гололедообразования и толщины стенки гололеда производится стандартными средствами вывода персонального компьютера 12.