СПОСОБ МОНИТОРИНГА ГОЛОЛЕДНО-ВЕТРОВЫХ НАГРУЗОК ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ
METHOD FOR MONITORING OF ICE-AND-WIND LOADS OF OVERHEAD TRANSMISSION LINES

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для обнаружения гололедно-ветровых нагрузок и прогнозирования гололедообразования посредством выявления коронирования воздушных высоковольтных линий.
Прототипом предлагаемого изобретения является патент №2612742 - Способ мониторинга воздушных линий электропередач. Здесь, в выражении (11), при расчетах принято заполнение междуфазного пространства в  объема атмосферными осадками.
Однако, как показывают исследования (О.Г. Богаткин, Г.Г. Тараканов Основы метеорологии. - СПб, изд. РГГМУ 2006 - 232 с. - с. 85) «…Скорость падения капель дождя составляет 4-8 м/с, а самые крупные капли имеют скорость падения 10 м/с... Наиболее сильный дождь (дождь с наибольшей интенсивностью) выпадает из кучево-дождевых облаков. В этом случае интенсивность дождя может превышать 10 мм/ч...».
-6
-6
-6
-6
2
-6
3
3
-4
Для куба с сторонами 1 м, заполненного дождевыми осадками, при их выпадании верхний слой достигнет нижней поверхности за время 1 м/(4 м/с)=0,25 с. (скорость принята для наихудшего случая). Например, при интенсивности дождя 20 мм/ч=5,6*10 м/с за 0,25 с можно получить уровень воды - 5,6*10 м/с*0,25 с=1,4*10 м с объемом воды в кубе 1,4*10 м*1 м=1,4*10 м. От объема в 1 м, данное количество воды составит 1,4*10%. Такое относительно малое заполнение практически не изменит электрическую емкость между фазным проводом и землей.
Полученные данные показывают, что заполнение междуфазного пространства дождевыми осадками (даже при ливневом дожде, остальные виды осадков менее значительны) составляет небольшой процент, поэтому, рассмотренные в прототипе теоретические расчеты значительно расходятся с практическими данными, что является его недостатком.
Далее, ветровые нагрузки опираются на данных (настройки значений частоты), полученных по значениям (теоретическим) атмосферных осадков, что практически осуществить нереально.
Задача изобретения - определение гололедно-ветровых нагрузок и начала гололедообразования с учетом температуры проводов воздушных линий.
Поставленная цель достигается тем, что генерируют в высоковольтную линию высокочастотный сигнал с определением размаха колебаний проводов при ветровой нагрузке по максимальному изменению взаимного сопротивления, определяемого первым отношением напряжения в конце и током в начале участка и измерении температуры провода и согласно изобретению определяют второе отношение тока в конце и напряжения в начале участка и изменением частоты высокочастотного сигнала добиваются равенства максимальных относительно быстрых и медленных изменений первого и второго отношений, характеризующее значение гололедно-ветровой нагрузки и интенсивности коронирования воздушной линии соответственно.
Вариант устройства, реализующий предлагаемый способ, изображен на фиг. 1, где к одной фазе линии приложен высокочастотный синусоидальный сигнал через генератор Г1 конденсатор связи С2.
U
U
I
I
1
2
1
2
1
2
В начале и конце контролируемого участка линии установлены датчики напряжения, тока и температуры ДН3-ДН4; ДТ5-ДТ6, ДТЕМ7-ДТЕМ8 соответственно. Они измеряют высокочастотные напряжения, токи и температуру провода  - ;  - , τ - τ соответственно и передают информацию о них к приемному устройству ПрУ9.
Известные уравнения для линий с распределенными параметрами при пренебрежении активными потерями в линии с использованием высокочастотного сигнала (см. также прототип).
U
U
I
I
1
2
1
2
c,
_
где, , , ,  комплексные напряжения и токи в начале и конце рассматриваемого участка соответственно; Z β, х - комплексное характеристическое сопротивление, коэффициент фазы и длина линии соответственно.
c
Z и β определяются известными соотношениями
0
o
где, f - частота генератора Г1, L, C - погонные индуктивность и емкость линии соответственно.
Для погонных параметров можно записать
cp
пр
где, D, r, ε - среднее геометрическое расстояние между проводами; радиус провода; относительная диэлектрическая проницаемость среды соответственно.
С учетом (2) и (3) система (1) представится в виде
-4
1
cp
пр
где, к=0,208*10; к=138,44; α=D/r.
1
Можно получить значение аргумента кfx=(2n+1)π/2 (n-целое число),
откуда
1
Подставляя вышеприведенные значения, в частности при x=100 км, n=1000 получим -
-4
f=(2n+1)π/(2*100*0,208*10)=302,227 кГц.
При значении частоты f=302,227 кГц, посылаемого в линию сигнала генератора из (4) имеем
U
jI
1
2
1
1
=*кlgα*sin (кf x),
I
U
1
2
1
1
=j(/(кlgα)sin(кf x)
или
cp
пр
cp
Полученные 2 уравнения (5) позволяют определить значение α=D/r, пропорциональное среднему геометрическому расстоянию между проводами 3-х фазной линии. Изменение D через напряжения и токи датчиков, устанавливаемых по краям контролируемого участка характеризует ветровую нагрузку на линию.
Согласно (5) значение α можно получить по 2-м соотношениям и этим можно увеличить достоверность результатов измерений сравнением указанных значений.
Для линий 6-10 кВ
По данным источников:
Кабашов В.Ю. Исследование возможных сближений проводов сельских ВЛ 6-10 кВ при их маятниковых колебаниях под действием ветра // Научно-методический электронный журнал «Концепт». - 2016. - Т. 15. - С. 1331-1335.
Кабашов В.Ю. Повышение надежности сельских воздушных линий электропередачи 10 (6) кВ в условиях воздействия ветровых и гололедных нагрузок. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва 2011. проведены нижеследующие расчеты.
Расчеты при ветровых нагрузках
Для простоты расчетов, во всех нижеприведенных случаях, средний провод принят неподвижным.
пр
0
cp0
пр
При горизонтальном расположении проводов при расстоянии между крайними и средним проводами 1,2 м и радиусе - r=0,48 см по известному выражению можно получить  Соответственно lgα=lg(D/r)=lg(151/0,48)=2,5.
1
cp1
пр
Возьмем известное среднее значение минимального расстояния между проводами 0,9 м (с отклонением от нормального положения в 0,3 м) при скорости ветра 12 м/с и получим  lgα=lg(D/r)=lg(113/0,48)=2,37.
При отдалении друг от друга среднего и крайних проводов на 1,5 м  lg(188/0,48)=2,59.
1
2
2
1
1
1
2
2
1
2
1
2
2
1
0
Относительное полное изменение отношений напряжения и тока будут: ((U/I=U/I) - (U/I=U/I)/(U/I=U/I)=((lg(188/0,48)-lg(113/0,48))/lg(151/0,48))*100%=8,8%.
1
cp1
пр
Аналогично, имеем среднее значение минимального расстояния между проводами 0,7 м (с отклонением от нормального положения в 0,5 м) при скорости ветра 16-18 м/с и получим  lgα=lg(D/r)=lg(88/0,48)=2,26.
При отдалении друг от друга на 1,7 м,  lg(214/0,48)=2,65.
1
2
2
1
1
1
2
2
1
2
1
2
2
1
0
Относительное полное изменение отношений напряжения и тока будут: ((U/I=U/I)-(U/I=U/I))/(U/I=U/I)=((2,65-2,26)/2,5)*100%=15,6%.
Расчеты при гололедно-ветровых нагрузках
1
cp1
пр
При гололеде и скорости ветра 12 м/с сближение увеличивается в среднем на 28% и тогда (аналогично, как и выше) получим 0.9-(0,9/100)*28≈0,65 м и  lgα=lg(D/r)=lg(82/0,48)=2,23.
При отдалении друг от друга на 1,75 м,  lg(220/0,48)=2,66.
1
2
2
1
1
1
2
2
1
2
1
2
2
1
0
Относительное полное изменение отношений напряжения и тока будут: ((U/I=U/I)-(U/I=U/I))/(U/I=U/I)=((2,66-2,23)/2,5)*100%=17,2%.
1
cp1
пр
Аналогично, при скорости ветра 16-18 м/с (сближение проводов сохраняем прежним), получим 0.7-(0,7/100)*28≈0,5 м и  lgα=lg(D/r)=lg(63/0,48)=2,12.
При отдалении друг от друга на 1,9 м,  lg(239/0,48)=2,7.
1
2
2
1
1
1
2
2
1
2
1
2
2
1
0
Относительное полное изменение отношений напряжения и тока будут: ((U/I=U/I)-(U/I=U/I))/(U/I=U/I)=((2,7-2,12)/2,5)*100%=23,2%.
Частота маятниковых колебаний проводов, составляющая доли одного Гц, снижающаяся с повышением массы гололедной нагрузки можно прослеживать по изменениям во времени отношений напряжений и токов датчиков контролируемого участка.
Линии 110 кВ и выше
Филиал ОАО «ИНЖЕНЕРНЫЙ ЦЕНТР ЕЭС» «ФИРМА ОРГРЭС» Методы борьбы в России с вибрацией, гололедом и пляской проводов и грозозащитных тросов на воздушных линиях. - презентация.
пр
0
cp0
пр
cp
пр
Согласно имеющимся размерам, например для напряжения 110 кВ, при горизонтальном расположении проводов при минимальном расстоянии между проводами 3,5 м и минимальном диаметре 11,4 мм=0,114 см (радиус - r=0,114/2=0,057 см), по известному выражению можно получить  Соответственно lgα=lg(D/r)=lg(441/0,57)=2,89. Поскольку размах колебаний при пляске проводов может достигать размера стрелы провеса проводов, то при рассматриваемой стреле провеса 5 м можно оценить в некоторый момент D и lgα при неизменном r
1
cp1
пр
Возьмем случай отклонения проводов в некоторый момент на половину стрелы провеса с отдалением друг от друга на 2,5 м от нормального положения (5/2=2,5 м) Можно получить  см, lgα=lg(D/r)=lg(877/0,57)=3,18.
При сближении всех фаз в момент отдаления друг от друга на 2 м  lg(200/0,57)=2,54.
cp
cp2
cp1
cp0
Для данного случая относительное полное изменение D будет: (D-D)/D=(200-559 (877))/441*100%=81 (153)%.
1
2
1
cp
1
2
2
1
0
1
0
1
2
2
1
1=
1
1
1
2
2
1
2
1
2
Согласно (5) можно получить = U/I=к*lgα. Для указанных D получим: (U/I=U/I)=к*lgα=138,44*2,89=400,09 Ом; (U/I=U/I)к*lgα=138,44*3,18=440,24 Ом; (U/I=U/I)=к*lga=138,44*2,54=351,63 Ом.
1
2
2
1
1
1
2
2
1
2
1
2
2
1
0
Относительное полное изменение отношений напряжения и тока будут: ((U/I=U/I)-(U/I=U/I))/(U/I=U/I)=((440,24-351,63)/400,09)*100%=22%.
Практическая реализация соотношения (5)
Устанавливается значение частоты сигнала генератора, посылаемого в линию согласно (4а).
1
уст
При отсутствии ветровых нагрузок (например, по отсутствию изменений напряжений и токов, поступающих на центральный сервер с датчиков контролируемого участка) определяются отношения напряжений и токов согласно (5), равные характеристическому сопротивлению к*lgα. Корректировкой значения частоты генератора добиваются равенства значений отношений напряжений в обоих уравнениях (5). Фиксируется установленное значение частоты f.
уст
При наличии изменений отношений напряжений согласно (5), корректировкой значений частоты генератора относительно f добиваются максимальное совпадение значений по обоим выражениям (5) для одних и тех же моментов времени.
С использованием (5) можно определить скорость изменения (увеличение или уменьшение) амплитуды и периода колебаний во времени.
Увеличение скорости изменения амплитуды и периода колебаний (с снижением частоты внутри диапазона 2-0,2 Гц) свидетельствует о нарастании массы гололеда (снижение частоты колебаний обусловлено нарастанием массы гололеда).
Полученные данные можно использовать и при проведении мероприятий по повышению надежности линий по ветровым нагрузкам, поскольку выявление фактических таких нагрузок в районах прохождения воздушных линий является актуальной задачей.
Перевод (масштабирование) полученных значений амплитуд колебаний по (5) в действительные значения нагрузок на линии можно осуществить экспериментальным путем по нескольким фактическим замерам на линии тем или иным путем. Измеренные по (5) периоды колебаний, очевидно являются фактическими и связаны с массой гололедной нагрузки. В данном случае можно использовать плавку гололеда.
Прогнозирование гололеда.
Для линий 110 кВ и выше (Техника высоких напряжений. Учебник для студентов электротехнических и электроэнергетических специальностей вузов. Под общей ред. Д.В. Разевига. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1976.488 с. с ил. - с. 51; 57)
Объемный заряд короны, образовавшийся в один из полупериодов переменного напряжения, за время до изменения полярности провода может переместиться на несколько десятков сантиметров. Вследствие этого объемные заряды обоих знаков совершают возвратно-поступательное движение вблизи провода.
Туман способствует интенсивному образованию капелек воды на провод. Иней, гололед, изморозь вызывают формирование на поверхности провода кристаллов льда, которые значительно усиливают электрическое пол. Дождь и мокрый снег вызывают существенное увеличение неровностей на поверхности провода.
1
2
2
1
0
0
cp0
пр
При отсутствии ветра, выше было получено значение (U/I=U/I)=lgα=lg(D/r)=lg(441/0,57)=2,89.
пр
1
2
2
1
к
к
cpк
пр
Объемный заряд короны равносильно увеличению диаметра провода (за счет увеличения проводимости объемного заряда) и при учете увеличения r всего на 10 см (вместо возможных нескольких десятков см), получим (U/I=U/I)=lgα=lg(D/r)=lg(441/10,57)=1,62,
с относительным изменением (2,89-1,62)/2,89=0,43=43%.
При непогоде интенсивность коронирования линий 110 кВ и выше значительно повышается, что приводит к изменениям отношений напряжений к токам датчиков контролируемого участка не ниже 43% и при минусовой температуре провода можно провести профилактический подогрев проводов.
Вариант реализации ПрУ9 на подстанции и передающего устройства в конце линии приведен на фиг. 2 с графиками прохождения сигналов на фиг. 3.
1
2
1
2
Генератор высокочастотных синусоидальных сигналов Г1 посылает сигнал в высоковольтную линию через конденсатор С2 и между фазой и землей выделяются напряжения U, U, измеряемое датчиками напряжения ДН3, ДН4. На выходах датчиков тока ДТ5, ДТ6 выделяются сигналы действующих значений высокочастотных токов фазы линии I и I. Температуру проводов измеряются датчиками температур ДТЕМ7, ДТЕМ8.
3
1
2
1
2
1
1
2
1
1
2
На входы ППУ10 поступают сигналы с выходов ДН4, ДТ5, ДТ6, ДТЕМ7, ДТЕМ8. При этом сигналы с выходов ДН4, ДТ6, ДТЕМ8 поступают на вход ППУ10 посредством ППУ11, установленного в конце линии. На выходе приемо-передающего устройства ППУ10 непрерывно вырабатываются тактовые импульсы U, поступающие на вход счетчика импульсов Сч12. Сигналы с выходов ДН3 и ППУ10 поступают на устройства деления УД13 и УД14 и отношения сигналов К и К соответственно приведены на фиг. 2 и фиг. 3. Выходные сигналы К и К УД13 и УД14 соответственно суммируются арифметическим сумматором СУМ15. Как показано на фиг. 2, например при частоте f=100 кГц разность К и К не равна 0 и условие (5) не соблюдается. При f=100 кГц за указанное время [6 периодов (6Т=6*1/100кГц=60 мкс)] значения К и К приняты постоянными.
4
2
1
2
3
5
1
2
4
5
В данном случае на выходе СУМ15 вырабатывается сигнал логической 1 - U, благодаря которому частота Г1 повышается на заданную ступень f, что видно на фиг. 2. Здесь же видно, что при этом разность К и К увеличилась и СУМ15 производит снижение частоты генератора до значения f через U, при котором разность К и К равняется 0 (с заданной погрешностью). Через элемент ИЛИ16, логическими 1 U и U производится сброс Сч12.
1
2
cp
На фиг. 3 показаны изменения К и К (случай, когда они равны), характеризующие колебания фазных проводов линии согласно (5) при изменении D в известном диапазоне частот (0,2-2) Гц при ветровой нагрузке. Здесь приведен один период колебания и при частоте 0,2 Гц с значением 1/0,2=5 сек. В данном случае переменная составляющая (для удобства анализа) имеет синусоидальную форму.
1ик
2ик
пр
Также здесь приведены практически постоянные составляющие К, К с равными значениями и обусловленные изменением эффективного радиуса (повышается проводимость пространства вокруг провода) фазного провода r (см. (5)) благодаря его коронированию.
6
На интервале Δt, согласно фиг. 3, в амплитудном детекторе АД17 и устройстве выделения постоянного напряжения УВПН18 записываются амплитудное значение переменной составляющей ветровой нагрузки и значение постоянной составляющей, обусловленное коронированием соответственно. На этом интервале от заднего фронта U срабатывает ждущий мультивибратор ЖМ19 и одновременно происходит сброс запоминающих устройств ЗУ20 и ЗУ21 с записью в них новых значений с выходов АД17 и УВПН18 соответственно.
8
9
1maxвн
1minвн
1maxвн
1minвн
Расчет значений U и U, для приведенного на фиг. 3 сигнала в виде суммы постоянной и синусоидальной составляющих, производится по известным соотношениям (|К|+|К|)/2 и (|К|-|К|)/2.
При логическом 0 на выходе ИЛИ16, в конце интервала Δt через элементы НЕ22 и ЖМ19 на входах элемента И23 появляются логические 1, открывающая ключи К24 и К25 с индикацией значений ЗУ20 и ЗУ21 в индикаторах ветровой нагрузки ИВН26 и интенсивности коронирования ИИК27.
1
2
На интервалах фиг. 3 с частотами f и f на обоих входах И23 одновременно логические 1 отсутствуют, поэтому ключи закрыты и в индикаторах не будут зафиксированы недостоверные данные.
В индикаторах температур провода ИТЕМ28 и ИТЕМ29 на границах контролируемого участка отображаются соответствующие значения, поступающие от датчиков через ППУ10 и ППУ11.