CC BY
3УДК 620.9
Норец А.О.
магистрант кафедры автоматизация производственных процессов
Карагандинский технический университет им. Абылкаса Сагинова
(г. Караганда, Казахстан)
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АВТОНОМНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ СИСТЕМ СБОРА ИНФОРМАЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ
Аннотация: в настоящее время диагностика воздушных высоковольтных линий электропередач осуществляется визуально службами линий, эксплуатирующими организациями. Одним из основных узлов в системе диагностики является источник автономной электроэнергии. Качество электроснабжения элементов системы диагностики, расположенных на опоре, или в непосредственной близости от опоры определяет надежность системы диагностики, достоверность передачи информации и качество работы всей системы в целом.
Целью исследования является разработка источников электропитания малой мощности для питания системы диагностики элементов крепления, расположенных под землей от электрохимической коррозии. Одним из вариантов электропитания являются земляные батареи.
Ключевые слова: линии электропередачи, автономный источник электропитания, земляные батареи.
С увеличением энергопотребления и расширением промышленности в Казахстане происходит увеличение числа линий электропередач. Надежность этих линий существенно зависит от климатических условий и их изменчивости. Одной из важных проблем, влияющих на бесперебойную передачу электроэнергии, является электрохимическая коррозия, проявляющаяся на креплениях опор высоковольтных линий электропередач.
Для решения этой проблемы предлагается разработка автоматизированных систем диагностики, которые будут установлены в верхней и нижней части опоры. Система диагностики включает себя локальные системы, расположенные на опоре, и системы сбора информации, расположенные в диспетчерском пункте. Локальные системы, расположенные на опоре, распределены по всей опоре, в верхней и нижней частях, поэтому необходим источник электропитания. Надежность этих систем обеспечивается устойчивой бесперебойной системой электропитания.
Основным требованием к источнику электропитания является то, что он должен работать под землёй в непосредственной близости от опоры и генерировать мощность 50 Вт при напряжении на нагрузке 12 В, интервал времени между передачей файлов информации - 1 месяц, а время передачи информации не превышает 5 минут.
Специалистами КарТУ проведены исследования, в промышленных условиях, влияние электрохимической коррозии на металлические элементы конструкции в непосредственной близости от опор ВВЛЭП - 500 кВ. В процессе экспериментальных исследований было установлено, что время передачи информации не превышало 5 минут. За это время происходит опрос датчиков, сбор информации, архивация, установление связи с диспетчерским пунктом, подтверждение установленной связи и пятикратная передача информации.
Устойчивая работа системы диагностики является ключевым фактором для обеспечения надежности и качества транспортировки электроэнергии средствами воздушных высоковольтных линий электропередач (ВВЛЭП). Ресурс работы ВВЛЭП по проекту составляет не менее 50 лет, однако учитывая климатические условия, агрессивность грунтовых вод, блуждающих токов, наведенных в грунте, происходит значительное сокращение бесперебойного срока эксплуатации.
Для питания в нижней части опоры необходима ЭДС=12 В, для этого нужно последовательно соединить 17 гальванических элементов Фиг 1. Зная внутренне сопротивление элементов, выявлены следующие требования:
• Количество земляных батарей - 17 шт.,
• рН=5-8,
• Размер пластин - 90 х 150 мм,
• Площадь пластин - 13500 мм2,
• Сопротивление 7п Си = 70 Ом,
• Rобщ=1,2 кОм,
• I = 0.01 А.
Предлагается взять за основу конструкцию, которая представлена на рисунке 2.
Конструктивно земляная батарея состоит из последовательно соединённых 17 гальванопар позиция 1 (Рис. 2), скобы 2, тросика 4, пластмассовой гильзы 5, электрических проводов 3, блока импульсного преобразователя 6, накопителя электроэнергии 7, импульсного стабилизатора напряжения 8.
В процессе работы земляной батареи позиция 1 (Рис. 2) происходит снижение напряжения на её зажимах. С целью обеспечения требуемой стабильной величины напряжения к зажимам земляной батареи подключается блок импульсного преобразователя 6, обеспечивающего стабилизацию напряжения на зажимах накопителя электроэнергии 7, например, емкостного типа. На временном интервале работы системы сбора и передачи информации напряжение на зажимах накопителя снижается. Для обеспечения стабильного напряжения на нагрузке на выходе накопителя установлен импульсный стабилизатор напряжения позиция 8 (Рис. 2).
На основании анализа энергопотребления приемо-передающей аппаратуры, контрольно-индикационных датчиков, временных интервалов опроса и передачи информации на диспетчерский пункт установлено, что система диагностики работает в кратковременном режиме. В режиме передачи энергии осуществляется энергопотребление напряжением 12 В. Время паузы при отсутствии энергопотребления составляет 1 месяцу. Время на сбор и передачу информации требуется 5 минут.
Рис. 1. Реализация маломощного автономного источника электропитания. 1 - земляная батарея, 2 - петля, 3 - провод, 4 - трос, 5 - цилиндр.
На рабочем интервале с марта по октябрь, работоспособность гальванопары зависит от температуры на глубине ее расположения, при отрицательной температуре раствор замерзает, соответственно земляная батарея не будет работать. В связи с этим рабочим временем для источника питания является период с марта месяца по октябрь, для данного период определен функционал работоспособности гальванической пары.
Работу земляной батареи в грунте, можно описать уравнением энергетической характеристики, проанализировав ионные процессы и возмущающие факторы для работы гальванического элемента, получим уравнение:
Е
з _ 10
= /1 (рЮ + /2 (Си, гп)
(1)
Главной отличительной особенностью является то, что если температура будет равна нулю, то соответственно и значение энергетической характеристики будет равно нулю [1].
Энергетические показатели земляных батарей выражают высокую зависимость от уровня pH грунтовых вод. Присутствие в среде как алкалийных,
так и кислотных компонентов приводит к возникновению миграции ионов, что существенно влияет на эффективность батарейных систем [2].
* к.%
4 .1 а 1 1 1 4 ) 4 7 { 1 ТС 11 11 11 и
■1.5 5.0 5.5 6,0 6.5 7.0 7.5 8,0 рН
КИСЛЫЙ рН ке&трмышП рн щелочной рН
Рис. 2. Зависимость рН от концентрации химических элементов.
Проанализировав данную зависимость pH химических элементов, можно сделать вывод, что поскольку гальванический элемент состоит из чередующихся медно-цинковых пластин, pH для меди и цинках равен от 5.0 до 7.0, что соответствует среде установки земляных батарей. Апроксимировав графики значений меди и цинка, получим график функции sin(x).
Энергетические показатели земляных батарей также зависят от периода окисления меди и цинка [3].
Энергетические показатели земляных батарей выражают высокую зависимость от уровня pH грунтовых вод. Присутствие в среде как алкалийных, так и кислотных компонентов приводит к возникновению миграции ионов, что существенно влияет на эффективность батарейных систем.
Рис. 3. Зависимость скорости коррозии от времени.
Определив время и скорость окисления, можно выявить толщину пластин земляной батареи.
Для пластин цинка, скорость окисления равна 13—17 мкм/год, соответственно, для работы сроком 5 лет, достаточной толщиной пластины является 65мкм. Для медных пластин скорость окисления равна 0,05 мм/год, соответственно достаточная толщина пластины 25 мкм [4].
Интервал времени работоспосбности
источника электропитания —у—м—м—*—*—*
й л
и Н
0123456789 10 11 12
Время года
Рис. 4. Интервал времени работоспосбности источника электропитания.
Помимо рН и окисления работа земляных батарей зависит от фактора окружающей среды - температуры, которая может принимать значения: Дtaкт -температура больше 0, активна весной и летом, Д^ассив - пассивная температура,
0
при которой не происходит разрушение электрохимической коррозии. Данный график является апроксимированной синусоидой.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Нечаев А.В. Основы электрохимии // Федеральное агентство по образованию Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина. 2018. №1. С. 145;
2. Перелыгин Ю.П., Рашевская И.В. Расчет относительной доли ионов металла, перешедших в нерастворимый гидроксид, в зависимости от рн раствора // Химические Науки. 2018;
3. Бытько Н.Д. Физика. Ч.3 и 4. Электричество //М: «Высшая школа». С. 275;
4. Иванов М.Г., Нечаев А.В. Свойства металлов // Министерство образования и науки Российской Федерации. 2018. С. 168.
Norets A.O.
Karaganda Technical University named after Abylkas Saginov (Karaganda, Kazakhstan)
RESEARCH AND DEVELOPMENT OF AUTONOMOUS POWER SOURCES FOR LOCAL INFORMATION COLLECTION SYSTEMS HIGH-VOLTAGE OVERHEAD POWER LINES
Abstract: currently, diagnostics of overhead high-voltage power lines is carried out visually by line services and operating organizations. One of the main nodes in the diagnostic system is a source of autonomous electricity. The quality of the power supply of the diagnostic system elements located on the support or in the immediate vicinity of the support determines the reliability of the diagnostic system, the reliability of information transmission and the quality of operation of the entire system as a whole.
The aim of the study is to develop low-power power sources to power the diagnostic system offastening elements located undergroundfrom electrochemical corrosion. One of the power supply options is earth batteries.
Keywords: power transmission lines, autonomous power supply, earth batteries.
