СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ГОЛОЛЕДНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ НА ПРОВОДАХ И ГРОЗОЗАЩИТНЫХ ТРОСАХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
METHOD TO DETECT ICE FORMATIONS ON WIRES AND THUNDERSTORM ROPES OF POWER TRANSMISSION LINES

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для обнаружения гололедных образований на проводах и грозозащитных тросах линий электропередачи (ЛЭП) и определения длины и толщины гололедных отложений.
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, БИ № 12, 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. Персональный компьютер через устройство ввода-вывода с выходов управления частотой заполнения и длительностью программно управляет формированием зондирующих импульсов с длительностью Тз и частотами заполнения f1 и f2, 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 f1 и f2 во времени за счет роста гололедных образований и других факторов. Для анализа характера явления, вызвавшего разный прирост затухания частот заполнения f1 и f2, принимают радиоимпульс, отраженный от конца линейного тракта. 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 Δαf1 и Δαf2, соответствующие приростам затуханий частот f1 и f2. При достижении отношением Δαf1/Δαf2 заранее установленного значения g, которое постоянно для выбранных частот заполнения f1 и f2 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 f2 (Δαf2), которое пропорционально толщине стенки гололедных образований (при известной длине гололедных образований).
Недостатками известного способа-прототипа и устройства его реализующего являются низкое быстродействие и сложность, заключающаяся в поэтапном выполнении, не универсальность (требуется заранее указать подверженный гололедообразованию участок ЛЭП).
Для преодоления указанных недостатков предлагается новый способ обнаружения гололедных образований на проводах и грозозащитных тросах линий электропередачи, включающий передачу от начала линии до конца линии электропередачи радиоимпульсов, имеющих колоколообразную форму огибающей, приводящей к минимальной ширине спектра каждого радиоимпульса, и контроль параметров, связанных с изменением условий распространения радиоимпульсов по участку провода при появлении гололеда, в качестве контрольных параметров принимают время распространения и затухание радиоимпульсов при их распространении от начала ограниченного участка провода до его конца, определяют среднее значение температуры этого участка провода, а о появлении гололеда судят по изменениям времени распространения и затухания радиоимпульсов, вызванных появлением гололеда, с учетом влияния на контролируемые параметры температурного изменения длины участка провода, отличающийся тем, что в линию передают радиоимпульсы, имеющие разные частоты заполнения, последовательно измеряют затухание амплитуды принятых радиоимпульсов от величины задержки во времени, находят центральный максимальный пик результирующей зависимости, который позволяет точно определить время распространения узкополосного радиоимпульса по линии.
Предпосылки для реализации предлагаемого и более совершенного способа, позволяющего определять длину и толщину 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 отложении (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]. В результате, имея измеренные на разных частотах дополнительные затухания радиоимпульсов, можно оценить толщину гололедных отложений.
Второй предпосылкой для предлагаемого способа является разная зависимость дополнительных затухания и задержки радиоимпульса от длины гололедных отложений [Хакимзянов Э.Ф., Минуллин Р.Г., Мустафин Р.Г. Математическая модель задержки и затухания высокочастотных сигналов в линиях электропередачи с гололедными образованиями. / Энергетика Татарстана. 2011, №2], что приводит к возможности из двух измеренных параметров (дополнительных затухания и задержки радиоимпульса) сосчитать длину и толщину гололедных отложений. Каждое локационное измерение дает две измеренные величины: задержку dτ(измерение) и затухание амплитуды K(измерение) высокочастотного сигнала. Имеется возможность теоретически сосчитать задержку dτ(d, L) и затухание амплитуды K(d, L) высокочастотного сигнала, которые зависят от толщины d и длины L гололедных отложений. Совместное решение итерационным способом (методом последовательных приближений) двух уравнений:
позволяет однозначно определить толщину d и длину L гололедных отложений, при которых оба уравнения (1) и (2) выполняются одновременно.
Иными словами, используя две измеренные величины (dτ(измерение) и K(измерение)) - мы можем сосчитать два выходных параметра (толщину d и длину L гололедных отложений).
8
Использование радиочастотных импульсов с колоколообразной формой огибающей приводит к узкому спектру радиоимпульса. Практически возможно увеличить длительность радиоимпульса τ до времени прохождения радиоимпульса от начала линии электропередачи до его конца и обратно: τ≤2·L/C, где L - длина линии электропередачи, С - скорость распространения радиоимпульса по линии электропередачи (примерно равна скорости света 3·10 м/с). При этом условии прием отраженных сигналов будет происходить после окончания передачи радиоимпульса. Рассмотрим в качестве примера линию электропередачи длиной L=30 км. При этом максимально возможная длина радиоимпульса будет равна τ=0,2 миллисекунды. Соответственно ширина спектра радиоимпульса ΔF≈2/τ=10 кГц. В результате появляется возможность использовать предлагаемый способ совместно с аппаратурой ВЧ связи по ЛЭП (работая на разных частотах).
Измерение времени распространения узкополосного радиоимпульса по ЛЭП имеет особенность, связанную с получением необходимой точности измерения времени распространения. При этом измерения на нескольких разных частотах позволяют повысить точность измерений времени распространения узкополосного радиоимпульса по ЛЭП. Радиочастотный импульс U(t) имеет периодическое синусоидальное заполнение: U(t)=V(t)·sin(2π·F·t), где V(t) - колоколообразная огибающая радиоимпульса, F - частота заполнения радиоимпульса, t - время. Для определения времени распространения радиоимпульса от передатчика до конца линии, и обратно, производят поиск максимума коррелятора К принятого импульса W(t) и импульса передатчика U(t+τ), при изменении величины задержки во времени τ.
На фиг.1 построен коррелятор К (вертикальная ось) от величины задержки во времени τ (горизонтальная ось). Видно, что коррелятор К тоже является периодической функцией от τ, и пики 1, 2, 3 коррелятора К имеют близкие амплитуды, и проблематично определить максимум 2 коррелятора К (относительно боковых пиков 1, 3). Для решения этой проблемы последовательно измерим два коррелятора К1 и К2, для двух радиочастотных импульсов U1(F1) и U2(F2), имеющих разные частоты заполнения F1 и F2. При этом корреляторы К1 и К2 имеют совпадающий (по параметру τ) центральный пик, а боковые пики не совпадают (за счет разных частот F1 и F2 радиоимпульсов). Поэтому после перемножения двух корреляторов К1·К2 пики 4, 5, 6 произведения корреляторов (фиг.2) центральный (максимальный) пик 5 сохранит свою амплитуду, а боковые пики 4 и 6 уменьшатся по амплитуде (поскольку боковые пики слегка смещены друг относительно друга). Это позволяет однозначно определить максимум 5 коррелятора и точно определить время распространения узкополосного радиоимпульса по ЛЭП.
Практическая ценность предлагаемого способа связана с тем, что для оценки угрозы повреждения линии электропередачи под действием гололедных отложений принципиально важно определять вес гололедных отложений, приходящийся на один пролет (вес гололедных отложений на проводе, подвешенном между двумя опорами). Предлагаемый способ позволяет определить толщину d и длину L гололедных отложений, из которых мы можем рассчитать массу М гололедных отложений, приходящийся на один пролет
М=ρ·(d2-R2)·L(пролета),
где ρ - плотность гололедных отложений, R - радиус провода линии электропередачи, L(пролета) - расстояние между двумя опорами.
Знание массы М гололедных отложений, приходящийся на один пролет, позволяет точно оценить степень угрозы повреждения линии электропередачи.
Суммируя, можно утверждать, что данный способ определения параметров гололедных отложений на проводах линии электропередачи позволяет реально оценивать степень угрозы разрушения линии электропередачи при появлении гололедных отложений. Приведенные оценки показывают неоспоримые, очевидные преимущества предлагаемого метода перед прототипом.
Повышение точности, быстродействия, упрощение способа определения образования гололеда на проводах линии электропередачи и его универсальность (нет необходимости в предварительном определении участка, подверженного гололедообразованию) позволит своевременно провести профилактический нагрев проводов, что уменьшит вероятность возникновения аварий.