СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ГОЛОЛЕДНЫХ, ИЗМОРОЗЕВЫХ И СЛОЖНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ НА ПРОВОДЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DETECTION OF ICE, HOARFROST AND COMPLEX DEPOSITS ON WIRE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для дистанционного непрерывного обнаружения гололедных, изморозевых и сложных отложений на проводе (тросе) воздушной линии электропередачи и на контактном проводе электротяговой сети.
Известен визуальный способ обнаружения отложений на проводах воздушной линии электропередачи и электротяговых сетей. Недостатками визуального способа являются: во-первых, то, что он требует непосредственного присутствия наблюдателя в месте контроля отложений, во-вторых, практически не реализуем в условиях плохой видимости и, в-третьих, точность способа из-за визуальной оценки ("на глаз") принципиально не высока.
Известны физические способы обнаружения отложений на проводах, основанные на измерении следующих параметров: освещенность фотоприемника в трубке (оптический способ), степень поглощения радиоактивного излучения (радиоактивный способ) [Минуллин Р.Г., Губаев Д.Ф. Обнаружение гололедных образований на линиях электропередачи локационным зондированием. - Казань.: КГЭУ, 2010, с.36-39. 208 с.].
Эти способы не находят должного применения. Устройство для осуществления оптического способа сложной конструкции, и есть возможность ложного срабатывания при запылении поверхности трубки. При применении радиоактивного способа возникает вредное радиоактивное излучение.
Известен датчик гололедных нагрузок, содержащий чувствительный элемент, кинематически связанный с преобразователем перемещения в электрический сигнал, имеющий кодирующее устройство в виде набора шариков, считывающее устройство, а также контактное устройство, которое через каналы телемеханики связано с устройством приема информации на диспетчерском пункте. Однако данное устройство для осуществления способа имеет низкую надежность из-за возможности подтекания залитой в корпус морозостойкой жидкости (масла), сложности производства ревизии и ремонта (необходимо сливать масло), наличия механических элементов, контактных узлов и подвижных сопряжений, которые истираются в процессе работы. (Авт. свид. РФ №94038387, МПК H02G 7/16,1996.).
Известен способ обнаружения образования гололеда на проводах линии электропередачи, включающий локацию участка провода зондирующими импульсами и контроль параметра, связанного с изменением условий их распространения по участку провода при появлении гололеда [Казадаев А.П., Лившиц А.Л., Рудакова P.M. О датчиках гололеда для воздушных линий электропередачи. Материалы II Всесоюзного совещания "Плавка гололеда на воздушных линиях электропередачи". Уфа, 1975, с. 165-174]. В известном способе с помощью приемного устройства производят фиксацию импульсного сигнала, частично отраженного от ближней границы зоны обледенения, а в качестве контрольного параметра используют время распространения зондирующих импульсов от начала участка провода до ближней границы зоны обледенения и обратно.
Однако фиксация частично отраженных импульсов существенно затруднена при плавном изменении толщины гололедных отложений вдоль провода, что обычно наблюдается на практике, так как амплитуда импульса при этом нарастает медленно, и он плохо выделяется среди помех. В том случае, когда провод равномерно покрыт гололедом по всей длине, известный способ не обеспечивает обнаружение появление гололеда. Кроме того, в данном способе очень высоки требования к чувствительности и помехозащищенности приемного устройства отраженных импульсов.
Известен способ обнаружения и появления гололеда на проводах линии электропередач, включающий локацию участка провода зондирующими импульсами и контроль параметра, связанного с изменением условий их распространения по участку провода при появлении гололеда. Участок провода ограничивают высокочастотными заградителями, а в качестве контрольного параметра принимают время распространения зондирующих импульсов от начала ограниченного участка провода до его конца и обратно. Затем 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 [патент на изобретение РФ №2287883, H02G 7/16, опубл. 20.11.2006].
Недостатком данного способа является то, что при реализации способа обнаружения по приращению затухания ВЧ непрерывных зондирующих сигналов практически невозможно установить требуемую величину порога приращения, т.к. на приращение затухания кроме самих отложений на провод в равной мере действует изменение параметров работы ВЛ и изменение метеоусловий, да и для разных видов отложений, при прочих равных условиях, затухание может отличаться в несколько раз.
Наиболее близким к заявляемому способу является аэродинамический способ обнаружения отложений на проводе промежуточного пролета воздушной линии электропередачи и устройство для его осуществления. Способ заключается в том, что на промежуточном пролете линии одновременно измеряют относительное направление ветра, скорость ветра и величину фактической ветровой нагрузки на провод с отложениями или без них, создаваемой этим ветром, по измеренным скорости и относительному направлению ветра рассчитывают величину ожидаемой ветровой нагрузки на провод без отложений и сравнивают ее с величиной фактической ветровой нагрузки, если фактическая ветровая нагрузка больше ожидаемой, то принимают решение о наличии отложений на проводе, а если фактическая и ожидаемая ветровые нагрузки равны, то принимают решение об отсутствии отложений на проводе [патент на изобретение РФ №2273933, МКИ H02G 7/16, Н04В 3/54, G08C 19/02, опубл. 10.04.2006].
Устройство для осуществления способа содержит канал телепередачи и два силоизмерительных датчика, каждый из которых подвешен подвижно между траверсой опоры и соответствующей гирляндой изоляторов, нижние концы обеих гирлянд изоляторов соединены между собой шарнирно, образуя V-образную подвеску провода, а верхние концы датчиков крепятся к траверсе опоры на расстоянии друг от друга, равном длине гирлянды изоляторов с датчиком, образуя с V-образной подвеской равносторонний треугольник. Устройство содержит измеритель относительного направления ветра, измеритель скорости ветра, три канала телепередачи, четыре функциональных преобразователя, двухвходовый и управляемый трехвходовый компараторы, при этом измеритель относительного направления ветра через четвертый канал телепередачи подключен ко второму входу четвертого функционального преобразователя, измеритель скорости ветра через третий канал телепередачи подключен ко второму входу двухвходового компаратора и к первому входу четвертого функционального преобразователя, первый вход двухвходового компаратора соединен с шиной нулевого потенциала, к первому выходу двухвходового компаратора подключен управляющий вход трехвходового управляемого компаратора, второй выход двухвходового компаратора является третьим выходом устройства, первый и второй силоизмерительные датчики соответственно через первый и второй каналы телепередачи подключены параллельно к соответствующим входам первого и второго функциональных преобразователей, к выходу первого функционального преобразователя подключен первый вход третьего функционального преобразователя, на выход второго функционального преобразователя подключен второй вход третьего функционального преобразователя, выход которого соединен с первым сигнальным входом управляемого трехвходового компаратора, второй сигнальный вход управляемого трехвходового компаратора соединен с выходом четвертого функционального преобразователя, первый и второй выходы управляемого трехвходового компаратора являются соответственно первым и вторым выходами устройства.
Главным недостатком аэродинамического способа является то, что он не позволяет выявить начало образования отложений и, как следствие, эффективно использовать профилактический подогрев, ускорить процесс принятия решения о проведении плавки. Ускорение проведения плавки позволит уменьшить время ее проведения, а значит, уменьшить разрушения кристаллической решетки провода; минимизировать вероятность аварии на линии.
Еще одним недостатком способа является то, что при его реализации необходимо дополнительное определение величины ожидаемой ветровой нагрузки на провод без отложений для использования ее в качестве эталона, что приводит к усложнению применения способа. Также надо отметить, что для достижения потребных вероятностей правильного обнаружения (минимизации риска гололедно-ветровых аварий) для каждого вида отложений, длины промежуточного пролета, предварительного тяжения и профиля местности нужно устанавливать свой порог обнаружения. Измерение тяжения провода ведется без учета линейного расширения провода под влиянием изменения температуры, что приводит к дополнительным погрешностям.
Аэродинамический способ, как и все остальные, имеет ограниченное применение для обнаружения отложений на проводах воздушных линий электропередачи. Аэродинамический способ не может быть применен на проводах контактной подвески электротяговьгх сетей, где требуется предупредить снижение качества токосъема с контактного провода и образование дуги при прохождении токоприемника, так как не позволяет выявить момент начала образования отложений, имеет низкую чувствительность при малых величинах отложений. Также надо отметить, что ввиду конструктивных особенностей контактной подвески тензорезисторные датчики тяжения могут быть применены только на несущем тросе, температурный режим которого сильно отличается от режима контактного провода при прохождении подвижного состава по секции электроснабжения.
К недостаткам устройства обнаружения отложений на проводе промежуточного пролета воздушной линии электропередачи, осуществляющего аэродинамический способ, можно отнести наличие двух силоизмерительных датчиков, каждый из которых подвешен подвижно между траверсой опоры и соответствующей гирляндой изоляторов. Силоизмерительные тензорезисторные датчики дорогие и очень капризны в эксплуатации.
Шарнирное соединение нижних концов обеих гирлянд изоляторов может заклинить из-за образования на них гололеда.
Поставленной задачей предлагаемого изобретения является выявление начала образования и вида отложений в реальном времени на проводе (тросе) воздушной линии электропередачи и контактном проводе электротяговой сети, вне зависимости от величины тяжения провода, длины пролета и профиля трассы.
Поставленная задача достигается тем, что в соответствии с заявленным способом обнаружения гололедных, изморозевых и сложных отложений на проводе одновременно измеряют температуру воздуха и относительную влажность воздуха вблизи провода, температуру поверхности провода.
По измеренным температуре и влажности воздуха рассчитывают точку росы и точку десублимации, и если температура поверхности провода больше 0°С, то принимается решение об отсутствии отложений.
Если температура поверхности провода меньше либо равна 0°С, то температура поверхности провода сравнивается с расчетными точкой росы и точкой десублимации, при этом если температура поверхности провода больше точки росы и точки десублимации, то принимают решение об отсутствии отложений.
Если температура поверхности провода больше точки десублимации, но меньше либо равна точке росы, то принимают решение об образовании гололедных отложений,
Если температура поверхности провода больше точки росы, но меньше либо равна точке десублимации, то принимают решение об образовании изморозевых отложений.
Если температура поверхности провода меньше точки росы и точки десублимации, то принимают решение об образовании сложных отложений
Так как замеры производятся одновременно и по ним судят о состоянии системы провод-воздух в один момент времени, то изменением давления воздуха можно пренебречь.
а
в
а
ws
a
ws
a
Давление пара над жидкой средой р зависит от температуры воздуха t:  Давление пара р связано с относительной влажностью RH и давлением насыщенного пара р: p=RHp. Когда температура влажного воздуха равна точке росы T, воздух насыщается и давление пара над жидкой средой становится равным давлению насыщенного пара, следовательно:  а значит:
Аналогично определяется точка десублимации:
в
Так как температура воздуха t и относительная влажность воздуха RH на поверхности провода равна относительной влажности и температуре в объеме воздуха вблизи провода в месте установки измерителей температуры воздуха и относительной влажности воздуха на опоре, то по измеренным температуре воздуха и относительной влажности воздуха вблизи провода возможно определить точку росы и точку десублимации для сравнения с температурой поверхности провода, что позволяет определить начало образования отложений.
Устройство для осуществления способа обнаружения гололедных, изморозевых и сложных отложений на проводе содержит измеритель температуры воздуха, находящийся вблизи провода и соединенный с первым входом первого контроллера и первым входом второго контроллера; измеритель влажности воздуха, находящийся вблизи провода и соединенный со вторым входом первого контроллера и вторым входом второго контроллера, к выходу второго контроллера подключен первый вход третьего контроллера, второй вход которого подключен к выходу формирователя порога; накладной измеритель температуры провода, находящийся под потенциалом провода и соединенный через канал телепередачи со вторым входом четвертого контроллера, первый вход которого подключен к выходу формирователя порога, выход первого контроллера соединен с первым входом пятого контроллера и первым входом шестого контроллера, выход третьего контроллера соединен со вторым входом шестого контроллера, первый выход четвертого контроллера соединен со вторым входом пятого контроллера, а второй выход четвертого контроллера соединен с третьим входом шестого контроллера, выход пятого контроллера и выход шестого контроллера являются соответственно первым и вторым выходами устройства
Накладной измеритель температуры провода соединен со вторым входом четвертого контроллера через передающий провод и полностью находится под потенциалом провода.
Для функционирования устройства необходима установка измерителя температуры провода, примыкающего вплотную к проводу. Установка такого измерителя технически возможна на контактном проводе электротяговой сети в месте крепления к струне на верхней стороне провода. В этом месте провод жестко скреплен со струной, и измеритель не повлияет на осуществление токосъема с провода токоприемником, скользящим по нижней поверхности провода. Таким образом, заявленное устройство возможно применять на контактном проводе электротяговой сети.
Введенные измерители температуры воздуха, влажности воздуха и температуры проводав совокупности с системой обработки результатов измерений позволяют вычислить точку росы и точку десублимации воздуха, сравнить их с измеренной температурой поверхности провода и, по результатам сравнения, выработать решение о наличии и виде отложений на проводе и их виде или об отсутствии отложений на проводе.
Описание предлагаемого способа обнаружения гололедных, изморозевых и сложных отложений на проводе и устройства для его осуществления поясняется чертежами, где представлены:
Фиг.1 - блок-схема осуществления изобретения;
Фиг.2 - схема расположения постов измерения и передачи для воздушных линий электропередачи;
Фиг.3 - схема расположения постов измерения и передачи для контактной сети;
Фиг.4 - функциональная схема осуществления изобретения;
Фиг.5 - графики возможных вариантов исходов при различных значениях входных измеряемых параметров.
Устройство, осуществляющее предлагаемый способ для обнаружения гололедных, изморозевых и сложных отложений на проводе (тросе) воздушной линии электропередачи и на контактном проводе электротяговой сети, состоит из головной и периферийной подсистем (фиг.1). Головная подсистема состоит из принимающего модема и компьютера диспетчера с установленным программным обеспечением (не показан). Периферийная подсистема состоит из постов измерения и передачи (ПИиП).
Пост измерения и передачи (ПИиП) содержит измеритель температуры воздуха 1, измеритель относительной влажности воздуха 2, измеритель температуры провода 3, солнечную панель 4, аккумулятор 5, передающий модем 6 и электронный блок с контроллерами и аналогово-цифровым преобразователем 7.
Для воздушных линий электропередач ПИиП устанавливается на опоре (фиг.2). Модуль измерения температуры провода, состоящий из накладного измерителя температуры 3, солнечной панели 8, аккумулятора 9, аналогово-цифрового преобразователя 10 передающего модема 11, размещается на проводе (грозотросе) воздушной линии. В закрытом шкафу на кронштейнах на опоре находится аккумулятор 5, передающий модем 6, принимающий модем 12 и электронный блок с контроллерами и аналогово-цифровым преобразователем 7. Из шкафа выведены измеритель температуры воздуха 1 и измеритель относительной влажности воздуха 2. Аккумулятор 5 питается от солнечной панели, прикрепленной к опоре 4.
ПИиП для контактной сети устанавливается на консоли и отличается от ПИиП для воздушной линии электропередачи тем, что полностью находится под потенциалом провода (фиг.3). ПИиП для контактной сети содержит измеритель температуры воздуха 1, измеритель относительной влажности воздуха 2, измеритель температуры провода 3, солнечную панель 4, аккумулятор 5, передающий модем 6, электронный блок с контроллерами и аналогово-цифровым преобразователем 7 и передающий провод 13.
На фиг.4 изображена функциональная схема собственно самого устройства обнаружения отложений на проводе, содержащая 6 контроллеров (I-III, V-VII) и один формирователь порога IV.
На фиг.5 поясняются в виде графиков возможные варианты исходов при различных значениях входных измеряемых параметров. Ось абсцисс - ось времени, ось ординат - ось температур.
0
3
Фиг.5а поясняет случай, когда на проводе происходит конденсация при положительных температурах. Фиг. 5б поясняет случай, когда на проводе происходит конденсация при отрицательных температурах, образуется ледяная корка плотностью γ=900 кг/м.
0
0
0
3
3
Фиг.5в поясняет случай, когда на проводе происходит десублимация при отрицательных температурах, образуется кристаллическая изморозь, плотностью γ=50 кг/м. Фиг.5г и Фиг.5д поясняют случай, когда на проводе происходит десублимация и конденсация при отрицательных температурах, образуются сложные отложения с плотностью γ=500 кг/м. Процесс образования отложений во всех случаях (а-д) начинается в момент времени τ.
Устройство работает следующим образом
в
пов
а
t
В соответствии с принципом действия по заявляемому способу обнаружения гололедных, изморозевых и сложных отложений на проводе одновременно измеряют температуру воздуха t и относительную влажность воздуха RH вблизи провода, температуру поверхности провода t. По измеренным температуре воздуха и относительной влажности воздуха рассчитывают точку росы Т и точку десублимации T.
пoв
пoв
а
пoв
a
пoв
а
Если t>0С, то t сравнивается с Т. Если t>T, то считается, что провод сухой. Если t≤Т, то считается, что происходит конденсация влаги на провод.
пoв
пoв
а
г
а
t
пoв
t
пoв
а
0
a
пoв
i
0
пoв
а
п
0
0
3
Если замеры измерителя температуры провода показывают, что t≤0С, то tсравнивается с расчетными Т и Т. Если Т и T меньше t, то провод считается сухим, если T<t≤Т, то считается, что на проводе конденсируется и замерзает влага, образуется ледяная корка плотностью γ=900 кг/м, если T<t≤T, то считается что на проводе десублимирует влага, образуется кристаллическая изморозь, плотностью γ=50 кг/м, если t меньше Т и Т, то считается что на проводе образуются сложные отложения с плотностью γ=500 кг/м.
0+1
пoв
в
При описании работы устройства рассмотрим его действие в момент времени τ(фиг. 5) для различных соотношений входных параметров (температура поверхности провода t, температура воздуха t и относительная влажность воздуха RH).
а
Аналоговые сигналы о температуре воздуха и относительной влажности воздуха с выходов измерителей температуры воздуха 1 и относительной влажности воздуха 2 соответственно поступают на вход аналогово-цифрового преобразователя 7. Оцифрованные сигналы о температуре воздуха и относительной влажности воздуха с выхода аналогово-цифрового преобразователя 7 поступают на вход а и вход b контроллера I соответственно, а также на вход с и вход d контроллера II соответственно. Контроллер I рассчитывает точку росы Т, контроллер II рассчитывает расчетную точку десублимации
i
Сигнал с выхода е контроллера II поступает на вход f контроллера III, на вход g которого подается сигнал «0» с выхода h формирователя порога IV. Если расчетная точка десублимации меньше нуля  то на выходе i контроллера III образуется  (точка десублимации равна расчетной точке десублимации), если расчетная точка десублимации больше либо равна нуля  то на выходе i контроллера III образуется T=0 (точка десублимации равна нулю).
пoв
пoв
пoв
а
пoв
а
пoв
а
пoв
а
Аналоговый сигнал о температуре поверхности провода t поступает от измерителя температуры провода 3 на вход аналогово-цифрового преобразователя 7 через провод 4, если ПИиП имеет исполнение для контактной сети. Если ПИиП имеет исполнение для воздушной линии электропередачи, то сигнал поступает на вход аналогово-цифрового преобразователя 10 и потом, посредством модемов 11 и 12, передается на вход к контроллера V, на вход 1 которого подается сигнал «0» с выхода h формирователя порога IV. Если температура поверхности провода больше нуля градусов Цельсия t>0, то сигнал о температуре поверхности провода t с выхода m контроллера V поступает на вход п контроллера VI, на вход о которого поступает сигнал о точке росы Т с выхода р контроллера I. Контроллер VI производит сравнение температуры поверхности провода t и точки росы Т, и если t<Т, то на выход q контроллера VI поступает сигнал «провод сухой», а если t≥Т, то на выход q контроллера VI поступает сигнал «провод влажный».
пoв
пoв
а
i
пoв
а
i
Если температура поверхности провода меньше либо равна нулю градусов Цельсия t≤0, то сигнал t с выхода r контроллера V поступает на вход s контроллера VII, на вход t которого поступает сигнал о точке росы Т с выхода р контроллера I, а на вход и контроллера VII - сигнал о точке десублимации T с выхода i контроллера III. Контроллер VII производит сравнение t, Т и T.
а
i
пoв
i
пoв
а
0
а
пoв
i
0
пoв
а
i
0
3
3
Если Т и T меньше t, то на выход v контроллера VII поступает сигнал «провод сухой», если T<t≤Т то на выход v контроллера VII поступает сигнал «на проводе конденсируется и замерзает влага, образуется ледяная корка плотностью γ=900 кг/м» если Т<t≤T, то на выход v контроллера VII поступает сигнал «на провод десублимирует влага, образуется кристаллическая изморозь плотностью γ=50 кг/м», если t меньше Т и T, то на выход v контроллера VII поступает сигнал «на проводе образуются сложные отложения с плотностью γ=500 кг/м».
При любом исходе сигнал с выхода q или выхода и поступает на вход модема 6 и передается в головную подсистему.