СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ГОЛОЛЕДНО-ИЗМОРОЗЕВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ НА ПРОВОДАХ И ГРОЗОЗАЩИТНЫХ ТРОСАХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
METHOD OF DETECTING GLAZE-ICE AND RIME DEPOSITS ON WIRES AND GROUND PROTECTION TIRES OF ELECTRIC TRANSMISSION LINES

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для обнаружения гололедно-изморозевых отложений на проводах и грозозащитных тросах линий электропередачи (ЛЭП).
Гололедно-изморозевые отложения на проводах линий электропередачи при достижении критических значений массы отложений представляют угрозу для целостности линий электропередачи, вызывая дополнительную механическую нагрузку на провода и грозозащитные тросы линий электропередачи, и могут вызывать их обрывы. Допустимые размеры гололедно-изморозевых отложений определяются конструктивными параметрами линии согласно нормативному документу [Правила устройства электроустановок. Седьмое издание, переработанное и дополненное. М., НЦ ЭНАС, 2003 г. 299 с.]. При образовании гололедно-изморозевых отложений с критическими размерами необходимо проведение специальных мероприятий для освобождения линий электропередачи от гололедно-изморозевых отложений. Для этого применяется плавка гололедно-изморозевых отложений повышенными электрическими токами, которые разогревают провода и проплавляют гололедно-изморозевые отложения. Плавка является дорогостоящей процедурой и обычно сопровождается отключением потребителей и нарушением требований бесперебойности электропитания промышленных потребителей. В связи с этим необходима своевременная информация о динамике нарастания гололедно-изморозевых отложений и их критических размерах с целью проведения упреждающих плавок при возникновении угрозы аварии и для сокращения времени плавки при исчезновении угрозы обрыва проводов и грозозащитных тросов линий электропередачи.
3
Следует отметить, что на проводах и грозозащитных тросах линий электропередачи могут образовываться как гололедные отложения (с плотностями около 900 кг/м), так и изморозевые отложения (с меньшими плотностями). Причем при одинаковой погонной массе гололедно-изморозевые отложения с меньшей плотностью представляют большую угрозу целостности линий электропередачи, так как помимо одинаковой гололедной нагрузки они дополнительно вызывают большую ветровую нагрузку на провода и грозозащитные тросы линий электропередачи из-за большего диаметра (парусности) отложений.
Аналогом является способ обнаружения образования гололеда на проводах линии электропередачи [RU 2287883 С1, МПК H02G 7/16, опубл. 20.11.2006]. Отличием способа является то, что участок провода ограничивают высокочастотными заградителями, в качестве контрольного параметра принимают время распространения зондирующих импульсов от начала ограниченного участка провода до его конца и обратно, определяют среднее значение температуры этого участка провода, а о появлении гололеда судят по изменению времени распространения зондирующих импульсов, вызванному появлением гололеда, с учетом влияния на контролируемый параметр температурного изменения длины участка провода.
Недостатком аналога является то, что способ не дает количественной информации о размерах гололедно-изморозевых отложений из-за того, что не учитывает частотную зависимость диэлектрических свойств гололедных отложений от их температуры и плотности.
В качестве прототипа выбран способ обнаружения гололедных образований на проводах и грозозащитных тросах линий электропередачи [RU 2409882 С1, МПК H02G 7/16, опубл. 20.01.2013], включающий излучение и прием зондирующих импульсов через высокочастотное присоединение линии электропередачи, согласованную фильтрацию принятых импульсов, при этом дополнительно, по крайней мере, с помощью одного датчика измеряют температуру воздуха, окружающего линию электропередачи, зондирующие импульсы подвергают время частотной модуляции, при этом согласованную фильтрацию принятых импульсов производят несколькими фильтрами, частотные характеристики которых учитывают затухание соответствующих зондирующих импульсов на разных частотах с учетом температуры воздуха, окружающего линию электропередачи, и толщины стенки гололеда, а решение о наличии гололедных образований и толщине стенки гололеда принимают по превышению заданного значения максимальным из результатов фильтрации.
Недостатком способа является невозможность определения толщины стенки, плотности и погонной массы гололедно-изморозевых отложений, отличных от гололеда (например, изморози).
Этот недостаток обусловлен тем, что в способе-прототипе согласованную фильтрацию принятых импульсов производят несколькими фильтрами, частотные характеристики которых не учитывают влияние плотности гололедно-изморозевых отложений на затухание зондирующих импульсов на разных частотах.
3
При этом возможна ситуация, когда образовавшиеся на проводах или грозозащитных тросах изморозевые отложения (отложения с плотностями меньше 900 кг/м) по результатам согласованной фильтрации будут обнаружены, однако решение о толщине стенки этих отложений будет принято не корректно, что может привести как к проведению преждевременной плавки, если будет получено завышенное значение толщины стенки изморозевых отложений, так и к проведению запоздалой плавки, если значение толщины стенки изморозевых отложений будет занижено.
3
3
Например, согласно проведенным нами расчетам гололедные отложения на проводах с плотностью ρ=900 кг/м вызывают дополнительное погонное затухание высокочастотных сигналов Δα=2 дБ/км и дополнительную задержку сигналов Δτ=0,93 мкс/км, а изморозевые отложения с плотностью ρ=500 кг/мпри такой же погонной массе вызывают дополнительное погонное затухание высокочастотных сигналов Δα=3,2 дБ/км, т.е. более чем в 1,5 раза превышающее затухание, и дополнительную задержку сигналов Δτ=0,96 мкс/км. Расчеты проведены для типичной линии электропередачи 110 кВ с горизонтальным расположением проводов с радиусом r=8 мм, при температуре воздуха, окружающего линию электропередачи, θ = -5°С, значения погонных затуханий и задержек приведены для частоты сигналов ƒ=200 кГц. Физически эти отличия обусловлены зависимостью комплексной диэлектрической проницаемости гололедно-изморозевых отложений от их плотности.
Данный пример иллюстрирует то, что при отсутствии учета плотности гололедно-изморозевых отложений может быть определена толщина стенки только гололедных отложений, при этом при образовании на линии электропередачи изморозевых отложений значения толщины стенки будут определены ошибочно.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа обнаружения гололедно-изморозевых отложений на проводах и грозозащитных тросах линий электропередачи, в котором устранены недостатки аналога и прототипа.
Техническим результатом предлагаемого способа является обеспечение обнаружения наличия гололедно-изморозевых отложений и определения толщины стенки, плотности и погонной массы гололедно-изморозевых отложений на проводах и грозозащитных тросах ЛЭП.
Таким образом, в отличие от способа-аналога и способа-прототипа ставится задача обнаружения более широкого класса отложений - как гололедных, обнаружению которых посвящены способ-аналог и способ-прототип, так и дополнительно изморозевых отложений.
Технический результат достигается тем, что в способе обнаружения гололедно-изморозевых отложений на проводах и грозозащитных тросах линий электропередачи, включающем излучение и прием зондирующих импульсов через высокочастотное присоединение линии электропередачи, согласованную фильтрацию принятых импульсов, измерение с помощью по крайней мере одного датчика температуры воздуха, окружающего линию электропередачи, при этом согласованную фильтрацию принятых импульсов производят несколькими фильтрами, частотные характеристики которых учитывают затухание соответствующих зондирующих импульсов на разных частотах с учетом температуры воздуха, окружающего линию электропередачи, и толщины стенки гололедных отложений, решение о наличии гололедных отложений и толщине их стенки принимают по превышению заданного значения максимальным из результатов согласованной фильтрации, согласно настоящему изобретению указанную согласованную фильтрацию осуществляют с учетом не только температуры воздуха, окружающего линию электропередачи, но и с учетом толщины стенки и плотности изморозевых отложений, а по превышению заданного значения максимальным из результатов согласованной фильтрации одновременно с решением о наличии гололедных отложений принимают решение о наличии изморозевых отложений, при этом дополнительно определяют толщину стенки и плотность изморозевых отложений с учетом индекса схемы сравнения, с которой поступил сигнал о превышении заданного значения, а также дополнительно вычисляют значение погонной массы гололедно-изморозевых отложений исходя из толщины стенки и плотности гололедно-изморозевых отложений с учетом радиуса провода линии электропередачи.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ обнаружения гололедно-изморозевых отложений на проводах и грозозащитных тросах линий электропередачи.
На чертеже (фиг.1) цифрами обозначены следующие блоки и элементы устройства:
1. Блок управления
2. Датчик температуры воздуха, окружающего ЛЭП
3. Передатчик
4. Линия электропередачи
5. Устройство высокочастотного присоединения
6. Приемник
7. Вычислительный блок
8. Блок согласованной фильтрации
11
NK
8…8 согласованные фильтры блока 8
9. Блок сравнения
11
NK
9…9 схемы сравнения блока 9
10. Блок принятия решения о наличии гололедно-изморозевых отложений.
11
NK
1
2
K
1
2
N
Способ обнаружения гололедно-изморозевых отложений на проводах и грозозащитных тросах линий электропередачи включает в себя излучение передатчиком 3 и прием приемником 6 зондирующих импульсов через устройство 5 высокочастотного присоединения линии 4 электропередачи, согласованную фильтрацию принятых импульсов в блоке 8, измерение с помощью датчика 2 температуры воздуха, окружающего линию 4 электропередачи, при этом согласованную фильтрацию принятых импульсов производят несколькими фильтрами 8…8, частотные характеристики которых учитывают затухание соответствующих зондирующих импульсов на разных частотах с учетом измеряемой датчиком 2 температуры воздуха, окружающего линию 4 электропередачи, а также толщины стенки b, b…b и плотности ρ, ρ…ρ гололедно-изморозевых отложений.
11
NK
11
NK
Решение о наличии гололедно-изморозевых отложений, толщине стенки и их плотности принимают в блоке 10 по превышению значения, заданного в схемах 9…9 сравнения, максимальным из результатов согласованной фильтрации в блоках 8…8.
В блоке 10 также вычисляют значение погонной массы гололедно-изморозевых отложений исходя из толщины стенки и плотности гололедно-изморозевых отложений с учетом радиуса провода линии 4 электропередачи.
11
NK
11
NK
Таким образом, отличием предлагаемого способа является то, что согласованную фильтрацию принятых импульсов в блоке 8 осуществляют не только с учетом температуры воздуха, окружающего линию 4 электропередачи, но и с учетом толщины стенки и плотности изморозевых отложений, а по превышению заданного в схемах 9…9 сравнения значения максимальным из результатов согласованной фильтрации в блоках 8…8 одновременно с решением о наличии гололедных отложений в блоке 10 принимают решение о наличии изморозевых отложений, при этом в блоке 10 дополнительно определяют толщину стенки и плотность изморозевых отложений с учетом индекса схемы сравнения, с которой поступил сигнал о превышении заданного значения, а также в блоке 10 дополнительно вычисляют значение погонной массы гололедно-изморозевых отложений исходя из толщины стенки и плотности гололедно-изморозевых отложений с учетом радиуса провода линии 4 электропередачи.
Способ обнаружения гололедно-изморозевых отложений на проводах и грозозащитных тросах линий электропередачи реализуют следующим образом.
11
NK
1
2
N
1
2
K
Блок 1 управления вырабатывает управляющие сигналы, которые запускают передатчик 3 высокочастотных зондирующих импульсных сигналов (например, видеоимпульсов или время частотно модулированных импульсов), приемник 6 отраженных импульсов и датчик 2 температуры воздуха, окружающего ЛЭП. Импульсы из передатчика 3 через устройство 5 высокочастотного присоединения поступают в линию 4 электропередачи. Отраженные от неоднородностей волнового сопротивления линии электропередачи импульсы через устройство 5 высокочастотного присоединения поступают на вход приемника 6 отраженных импульсов, где их оцифровывают, и затем из приемника 6 поступают на входы блока согласованных фильтров 8 вычислительного блока 7. Импульсную характеристику каждого согласованного фильтра 8…8 блока 8 согласованной фильтрации выбирают таким образом, чтобы учитывать влияние гололедно-изморозевых отложений с определенной толщиной стенки и определенной плотностью на условия распространения высокочастотных импульсных сигналов с учетом конструктивных особенностей ЛЭП и температуры воздуха, окружающего ЛЭП. Блок 8 согласованной фильтрации может быть представлен в виде банка-матрицы, где согласованным фильтрам каждой строки этой матрицы соответствует определенная плотность ρ, ρ…ρ гололедно-изморозевых отложений, а каждому столбцу фильтров соответствует определенная толщина стенки b, b…6 гололедно-изморозевых отложений.
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].
11
NK
Таким образом, согласованные фильтры 8…8 используют не только для определения факта появления гололедно-изморозевых отложений на анализируемом участке ЛЭП, но и служат для определения толщины стенки и плотности гололедно-изморозевых отложений. Следует отметить, что при изменении значений температуры, получаемых с датчика 2 температуры воздуха, окружающего ЛЭП, импульсные характеристики согласованных фильтров блока 8 согласованной фильтрации должны быть скорректированы с учетом нового значения температуры.
11
NK
11
NK
11
NK
11
NK
Сигналы с выходов согласованных фильтров 8…8 подают на входы схем 9…9 сравнения, где их сравнивают с пороговыми (уставочными) значениями, превышение которых свидетельствует о факте наличия гололедно-изморозевых отложений на анализируемом участке ЛЭП. По факту превышения порогового значения в одной из схем 9…9 сравнения поступает сигнал в блок 10, где обнаруживают наличие гололедно-изморозевых отложений на ЛЭП, причем индекс схемы 9…9 сравнения, с которой поступил сигнал, характеризует толщину стенки гололедно-изморозевых отложений и их плотность. Погонную массу гололедно-изморозевых отложений вычисляют исходя из толщины их стенки и плотности с учетом радиуса провода (или грозозащитного троса) линии 4 электропередачи.
11
NK
Таким образом, факт образования гололедно-изморозевых отложений на линии 4 электропередачи обнаруживается по превышению порогового значения сигналов на выходах одного из согласованных фильтров 8…8.
Результаты обнаружения гололедно-изморозевых отложений, а также толщины их стенки, плотности и их погонной массы стандартными средствами передают на пункт (на чертеже не представлен) диспетчера для принятия им решения о необходимости начала или окончания плавки гололедно-изморозевых отложений на линии электропередачи.
Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволит обеспечить обнаружение наличия гололедно-изморозевых отложений и определение толщины стенки, плотности и погонной массы гололедно-изморозевых отложений на проводах и грозозащитных тросах ЛЭП.
Техническая эффективность от использования предлагаемого способа обусловлена возможностями оптимизации процедуры плавки гололедно-изморозевых отложений на проводах и грозозащитных тросах ЛЭП, а именно:
1) проведением своевременных упреждающих плавок при возникновении угрозы аварии;
2) сокращением времени плавки при исчезновении угрозы обрыва проводов;
3) предотвращением плавок при отсутствии угрозы аварии (при гололедно-изморозевых отложениях с допустимыми значениями погонных масс) за счет обеспечения предлагаемым способом своевременной информации о наличии гололедно-изморозевых отложений, толщине их стенки, плотности и их погонной массе.