УСТРОЙСТВО ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ПРОВОДА, ГРОЗОЗАЩИТНОГО ТРОСА ИЛИ КАБЕЛЯ ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Область техники
Полезная модель относится к дистанционному контролю (мониторингу) объектов электроэнергетики и предназначена для получения и передачи на терминал обслуживаемой подстанции или диспетчерский пункт энергосистемы данных, позволяющих оценить состояние контролируемого элемента (провода, кабеля или грозозащитного троса) воздушной линии электропередачи (ВЛ) и дать кратковременный прогноз его изменений.
Уровень техники
Дистанционный контроль ВЛ используется как для определения непосредственно измеряемых параметров, так и для получения расчетным путем косвенных оценок состояния элементов ВЛ.
Известны устройства дистанционного контроля, размещаемые в корпусе, установленном на проводе ВЛ, и выполненные с возможностью измерения параметров, характеризующих состояние и/или положение контролируемого провода, и передачи результатов контроля наземному терминалу [патенты RU 95813, RU 115582, RU 2143165, RU 2222858].
Устройство по патенту RU 2222858, обладающее широким набором функций и наиболее близкое к заявляемому по технической сущности, выбрано в качестве прототипа. Прототип содержит корпус, предназначенный для установки на контролируемом проводе, и размещенные в корпусе источник автономного питания и управляющий блок, к которому подключены измерительный блок и беспроводный приемопередатчик, при этом управляющий блок выполнен с возможностью передачи результатов измерения и приема команд через беспроводный приемопередатчик, а измерительный блок снабжен датчиками тока и температуры контролируемого элемента линии [RU 2222858].
Прототип содержит в составе измерительного блока приемник спутниковых сигналов GPS или ГЛОНАСС с определителем положения в трехмерной системе координат, предназначенный для прямого получении информации о статическом и динамическом положении провода.
Недостаток прототипа - низкая точность трехмерных координат, получаемых от приемников спутниковых сигналов GPS или ГЛОНАСС, коммерчески приемлемых для данного применения, и, соответственно, низкая точность оценки габарита до земли и параметров колебаний провода, возникающих при эоловой вибрации или при пляске проводов, покрытых гололедными отложениями. Устранение этого недостатка за счет использования сложных и дорогих типов высокоточных приемников спутниковых сигналов лишает устройство коммерческой привлекательности.
Общий недостаток указанных известных устройств, включая выбранный прототип, состоит в том, что получаемая от устройства информация о текущем состоянии контролируемого элемента ВЛ не позволяет диспетчеру предприятия электрических сетей оценивать и прогнозировать поведение элементов ВЛ с высокой степенью достоверности, необходимой для принятия эффективных решений в сложных метеорологических условиях и/или напряженных режимах работы.
Раскрытие существа полезной модели
Технический результат полезной модели - увеличение информативности получаемых данных и, как следствие, повышение достоверности оценки и прогноза поведения контролируемого провода, грозозащитного троса (грозотроса) или размещенного на ВЛ кабеля.
Предметом полезной модели является устройство дистанционного контроля состояния провода, грозозащитного троса или кабеля воздушной линии электропередачи, содержащее корпус, предназначенный для установки на контролируемом элементе воздушной линии, и размещенные в корпусе источник автономного питания и управляющий блок, к которому подключены измерительный блок и беспроводный приемопередатчик, при этом управляющий блок выполнен с возможностью привязки результатов измерения к меткам точного времени, передачи данных и приема управляющих команд через беспроводный приемопередатчик, а измерительный блок снабжен датчиками тока и температуры контролируемого элемента линии и, по меньшей мере, одним измерителем из группы: инклинометр, трехпозиционный акселерометр с функцией G-сенсора, анемометр.
Вышеуказанный технический результат достигается при любой из приведенных альтернатив.
Полезная модель имеет развития, дополнительно повышающие информативность контроля, удобство эксплуатации и уточняющие реализацию устройства в частных случаях его осуществления.
Развития полезной модели состоят в том, что
управляющий блок снабжен автономным хронометром с возможностью его корректировки управляющими командами и/или приемником сигналов точного времени от спутниковой навигационной системы GPS и/или ГЛОНАСС;
- беспроводный приемопередатчик выполнен с возможностью обмена данными и командами с приемопередатчиками устройств аналогичного назначения, установленными на линии электропередачи;
- измерительный блок снабжен ультразвуковым или лазерным дальномером, ориентированным в направлении земли;
- устройство дополнительно снабжено автономным видеорегистратором, подключенным к блоку управления, который при этом выполнен с возможностью передачи изображения наземному терминалу через беспроводный приемопередатчик;
- источник автономного питания выполнен в виде элементов питания, не подлежащих подзарядке или в виде аккумулятора, снабженного средством подзарядки от солнечной батареи;
- анемометр снабжен направляющим аппаратом и ориентирован с возможностью измерения скорости воздушного потока, направленного поперек линии;
- измерительный блок снабжен датчиком температуры воздуха;
- управляющий блок связан с источником автономного питания и выполнен с возможностью контроля его состояния и передачи результатов контроля наземному терминалу через беспроводный приемопередатчик;
- датчик тока контролируемого элемента выполнен на основе эффекта Холла.
Краткое описание фигур чертежей
Фиг.1 иллюстрирует функциональную блок-схему устройства с учетом развитии полезной модели; на фиг.2. показан общий вид устройства, установленного на ВЛ.
Осуществление полезной модели с учетом ее развитий
На фигурах показаны:
1 - провод, грозотрос или кабель (контролируемый элемент) ВЛ,
2 - корпус;
3 - источник автономного питания;
4 - управляющий блок;
5 - измерительный блок;
6 - беспроводный приемопередатчик,
7 - датчик тока на основе эффекта Холла,
8 - датчик температуры контролируемого элемента,
9 - инклинометр (измеритель угла наклона к горизонтали);
10 - трехпозиционный акселерометр с встроенной функцией G-сенсора (измеритель трехмерного вектора ускорения с функцией вычисления пространственных координат);
11 - анемометр (измеритель скорости бездушного потока), ориентированный поперечно направлению ВЛ;
12 - автономный хронометр;
13 - приемник сигналов точного времени от спутниковой навигационной системы GPS и/или ГЛОНАСС;
14 - ультразвуковой или лазерный дальномер, ориентированный в направлений земли;
15 - автономный видеорегистратор;
16 - солнечная батарея,
17 - датчик температуры воздуха,
Кроме того, на фигурах показаны антенны 18 и 19, которыми снабжены приемопередатчик 6 и приемник 13 соответственно.
Ниже в качестве примера реализации полезной модели описывается устройство, в котором измерительный блок снабжен тремя измерителями:
инклинометром 9 (измеритель угла наклона к горизонтали), трехпозиционным акселерометром 10 с функцией G-сенсора (измеритель трехмерного вектора ускорения с функцией определения смещения относительно исходного положения или исходной точки) и анемометром 11 (измеритель скорости воздушного потока, ориентированный поперечно направлению ВЛ).
Корпус 2 устанавливается на контролируемом элементе 1 (проводе, грозотросе, оптическом или ином кабеле) в одном из пролетов ВЛ, предпочтительно в пролете, относящемся к числу опасных с точки зрения нарушения нормативных требований. Для корректной работы инклинометра 9 корпус 2 должен размещаться на наклонной части элемента 1. Корпус 2 устанавливается так, чтобы дальномер 14 и видеорегистратор 15 были ориентированы в направлении земли, а анемометр 11 ориентирован (например, с помощью направляющего аппарата) поперек элемента 1. Датчики температуры 8 и 17 должны иметь хороший тепловой контакт с элементом 1 и окружающим его воздухом соответственно, а также хорошую термоизоляцию от остальных элементов устройства.
Если источник 3 выполнен в виде элементов питания, не подлежащих подзарядке, то они должны периодически обновляться в процессе эксплуатации. Если источник 3 выполнен в виде аккумулятора, снабженного средством подзарядки от солнечной батареи 16, то он может подзаряжаться постоянно или периодически. Во всех случаях целесообразен контроль состояния источника 3 блоком 4 с передачей соответствующих данных наземному терминалу.
Приемопередатчик 6 может быть выполнен, например, в виде модема сотовой связи по протоколу GPRS. В тех случаях, когда устройство размещается в районах, не покрытых надежной сотовой связью беспроводные приемопередатчики 6 могут быть выполнены, например, с возможностью обмена данными и командами с приемопередатчиками других аналогичных устройств, установленных на той же или соседней линии электропередачи.
Устройство работает следующим образом.
Через антенну 19 приемник 13 получает метки точного времени от спутниковой системы GPS или ГЛОНАСС. В заданные моменты времени управляющий блок 4 считывает сигналы с датчиков 7-11, 14 и 17 измерительного блока 5, при необходимости оцифровывает сигналы, датчиков, имеющих аналоговый выход, привязывает полученный массив данных к меткам точного времени и сохраняет во внутренней памяти блока 4.
Периодически или по запросу наземного терминала (с которого на блок 4 через приемопередатчик 6 поступает соответствующая управляющая команда) накопленные данные, аннотированные соответствующими метками времени, считываются из внутренней памяти блока 4 и через приемопередатчик 6 и антенну 18 передаются наземному терминалу.
При отсутствии покрытия сотовой связью на трассе ВЛ передача данных наземному терминалу и получение команд от него может производиться от устройства к устройству, которые, последовательно принимая и передавая информацию, обеспечивают, в конечном итоге, связь каждого из них с наземным терминалом диспетчера.
Вместо меток времени от приемника 13 могут использоваться метки времени от автономного хронометра 12, который может быть выполнен с возможностью устанавливать (по принятой через приемопередатчик 6 управляющей команде) периодичность опроса датчиков и сеансов передачи данных наземному терминалу.
В аналогичном порядке (периодически или по команде наземного терминала) могут передаваться изображения, получаемые видеорегистратором 15.
Наземный терминал обрабатывает данные мониторинга для выработки рекомендаций по управлению режимом эксплуатации ВЛ (включая рекомендации по началу и прекращению плавки гололеда). Вклад датчиков и измерителей блока 5 в осуществление мониторинга и получение оценок и прогнозов, используемых для выработки этих рекомендаций, поясняется ниже.
Датчик 7 позволяет определить фактическую величину тока, протекающего через элемент 1 в контролируемом пролете ВЛ. Этот ток может не совпадать с током, измеренным на концах ВЛ, как из-за наличия промежуточных отпаек, так и из-за утечек и неучтенных подключений (в том числе несанкционированных). Выполнение датчика 7 на основе эффекта Холла позволяет контролировать как переменный, так и постоянный ток (это может быть рабочий ток ВЛ постоянного тока или ток плавки гололеда на проводе или грозотросе).
Датчик 8 контролирует температуру элемента 1 для предотвращения его перегрева или недопустимого теплового удлинения как в рабочем режиме, так и в режиме плавки гололеда.
Инклинометр 9 контролирует изменение (относительно исходного значения) угла наклона корпуса 2 (и, следовательно, элемента 1) по отношению к горизонтали.
Используя показания инклинометра 9, можно рассчитать фактическое удлинение элемента 1 под суммарным воздействием температуры и распределенной вертикальной нагрузки, например, от гололедных отложений. Знание фактической длины элемента 1 в пролете ВЛ позволяет также рассчитать стрелу его провисания и, следовательно габарит до земли или наземных объектов. Затем, используя известную зависимость длины элемента 1 от температуры, можно по показаниям датчиков 8 и 9 выделить вклад, внесенный в удлинение элемента 1 увеличением распределенной вертикальной нагрузки, и оценить интенсивность гололедных отложений.
В зависимости от достоверно определенной величины обнаруженных гололедных отложений может быть принято решение по их удалению в режиме плавки или решение по увеличению токовой нагрузки для профилактического прогрева проводов.
Акселерометр 10 измеряет трехмерный вектор ускорения, вызванного равнодействующей сил негравитационной природы. Результаты этих измерений используются для определения инерциальной скорости и изменения пространственных координат устройства относительно заранее установленных первоначальных трехмерных координат (встроенная функция G-сенсора). Это, в свою очередь, позволяет определить частоту и амплитуду колебаний контролируемого элемента 1.
Анемометр 11 (например, термоанемометр), ориентированный в горизонтальном направлении поперек элемента 1 (например, с помощью направляющего аппарата), выдает данные об относительной скорости V воздушного потока, направленного поперек элемента 1. Эти данные могут быть использованы, в частности, для расчета частоты образования и срыва вихрей Кармана [Методические указания по типовой защите от вибрации и субколебаний проводов и грозозащитных тросов воздушных линий электропередачи напряжением 35-750 кВ, РД 34.20.182-90, СПО РПГРЭС, Москва, 1991] по формуле:
где υ - частота образования и срыва воздушных вихрей, Гц;
V - относительной скорости воздушного потока, м/с;
D - диаметр элемента 1, мм.
При совпадении частоты и с одной из собственных частот колебаний элемента 1 возникают его устойчивые вынужденные колебания (вибрация) с этой частотой. Интенсивность (амплитуда) этих опасных колебаний зависит от скорости и равномерности воздушного потока, величины самодемпфирования провода и эффективности работы гасителей вибрации, в случае их установки на проводе.
Одним из наиболее информативных параметров мониторинга ВЛ является величина тяжения провода или другого контролируемого элемента ВЛ. Если с использованием измерителей 10 и 11 определены частота и амплитуда вибрации провода, то величина тяжения N может быть рассчитана по формуле:
где ω - частота колебаний, Гц
m - известная погонная масса провода, кг/м,
А - амплитуда колебаний, м.
Совместное применение измерителей 9, 10 и 11 позволяет анализировать их данные как по отдельности, так и в сочетании и, тем самым, дополнительно увеличить точность и достоверность оценок и, как  следствие, повысить эффективность принимаемых решений по предотвращению аварий и снижению риска опасных воздействий.
Дальномер 14 непосредственно определяет расстояние, по которому рассчитывается текущее значение габарита провода до земли или до находящегося в момент измерения под линией наземного объекта.
Видеорегистратор 15 позволяет диспетчеру получать визуальные подтверждения сделанных по показаниям датчиков оценок состояния, положения и поведения контролируемого элемента ВЛ и оперативной обстановки в ее охранной зоне.
Датчик 17 измеряет температуру окружающего воздуха, которая используется в расчетах допустимой токовой нагрузки, а также для обнаружения локальных повышений температуры воздуха в контролиуемом пролете (например, из-за близких пожаров или возгораний в охранной зоне ВЛ).
Промышленная применимость
Предлагаемое устройство применимо для контроля состояния и положения различных протяженных элементов, подвешенных между опорами ВЛ - изолированных проводов, грозотросов, кабелей.
Полезная модель может быть осуществлена с применением имеющихся в продаже электронных приборов, хорошо зарекомендовавших себя при использовании в других областях техники (например, в планшетах, смартфонах, навигаторах, автомобильных видеорегистраторах и т.п).