CC BY
149
МЕТОДЫ РАННЕГО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ И БОРЬБЫ С ГОЛОЛЕДНЫМИ ОТЛОЖЕНИЯМИ НА ПРОВОДАХ ЛЭП
© Баранов А.П.*
Кумертауский филиал Уфимского государственного технического университета, г. Кумертау
В статье рассматриваются особенности гололедных образований на линиях электропередачи. Анализируются факторы, влияющие на возникновение гололедных отложений на проводах воздушных линий, рассматриваются методы обнаружения гололеда, определяются критерии и индикаторы раннего появления гололедных отложений. Описываются так же методы по борьбе с гололедом на проводах воздушных линий ЛЭП. Статья предназначена для инженерно-технических работников, занимающихся разработкой и эксплуатацией систем электрических сетей.
Воздушные линии (ВЛ) ЛЭП сооружаются на открытой местности и поэтому подвергаются различным атмосферным воздействиям, которые в зависимости от географического положения проявляются в той или иной степени и оказывают основное влияние на надежность работы линии. Поэтому для обеспечения надежной работы ВЛ необходимо обеспечивать ее защиту различными устройствами в зависимости от вида климатических воздействий. На образование гололедных отложений влияют сочетания температуры с скоростями ветра. Считается, что перспективными являются плавка гололеда и увеличение жесткости провода на кручение, которое осуществляется за счет подвески грузов ограничителей закручивания провода. Плавка становится затруднительной на ЛЭП из-за большого перепада температур провода и наружного воздуха, а порывы ветра до 12-15 м/сек могут сделать плавку невозможной. Плавка гололеда предварительным нагревом провода, с целью удаления его при малой толщине, хотя и дает положительный эффект, но затруднена в применении в практических условиях из отсутствия средств по оповещению о начале гололедообразования. Наблюдение и анализ полученных данных показали, что нагрев и плавление одностороннего гололеда являются эффективным способом удаления гололеда. Практически всегда в пределах нескольких секунд провод освобождается от гололеда около поддерживающих зажимов, где он имеет одностороннюю форму за счет повышенной жесткости на кручение, и лишь несколько минут спустя в средней части пролета, где гололед имеет цилиндрическую форму. Для удаления одностороннего гололеда с проводов ВЛ можно использовать сочетание токов КЗ (короткого замыкания) с АПВ,
* Старший преподаватель кафедры ПА.
что является нормальным режимом работы ВЛ. Удаление одностороннего гололеда, образованного грузами ограничителями закручивания провода, существенно повышает оперативность и эффективность борьбы с гололедными отложениями на проводах ВЛ.
Вторым опасным для воздушных линий явлением, возникающим при гололеде и ветре, связанным с колебательным процессом, является пляска проводов, которая обычно возникает при сочетании порывистого ветра с гололедом при скоростях ветра 5-20 м/сек и направлении под углом 30-90° к оси линии. Так как гололед откладывается по фазным проводам достаточно неравномерно стрелы провеса проводов с гололедом и без гололеда могут отличаться на несколько метров. Такой разница провеса, а также неодновременный сброс гололеда при его таянии, вызывающий «подскок» отдельных проводов, могут привести к перекрытию воздушной изоляции и к их схлестыванию.
В отличии от вибрации пляска характеризуется малой частотой, большой амплитудой колебания и большой длиной волны. На проводах образуются стоячие волны, когда длина полуволны становится кратной длине пролета.
В настоящее время обледенение проводов можно классифицировать по четырем группам:
1 группа - обледенения, возникающие в результате сублимации водяного пара. К ним относятся иней и кристаллическая изморозь.
2 группа - обледенения, возникающие в результате осаждения и замерзания переохлажденной воды. К ним относятся зернистая изморозь и гололед.
3 группа - обледенение, возникающее в результате отложения и замерзания мокрого снега.
4 группа - сложное отложение льда. К ней относятся зернистая изморозь на гололеде, гололед на зернистой изморози и ряд чередующихся слоев гололеда и изморози.
На небольших участках ВЛ производится, как правило, механическое удаление гололеда. Для этой цели используются шесты, веревки и другие подручные средства. При механическом удалении гололеда без отключения ВЛ должны использоваться шесты из бакелита, стеклопластика и другого изоляционного материала.
Анализ статистических данных по многим регионам показывает, что к числу основных причин гололедных аварий относятся недостатки в проектировании и сооружении ВЛ, причем часто это не вина проектировщиков. Желание оптимизировать затраты на строительство линий электропередач особенно напряжением 220 кВ и выше не позволяет заказчику включать в технические требования к проектируемой ВЛ повышение ее механических свойств путем применения усиленных конструкций опор, арматуры, изоляции, а так же сокращение пролетов.
Основным методом борьбы с гололедом при эксплуатации протяженных ВЛ является его плавка за счет нагревания проводов протекающим по
ним током. Существует достаточно большое количество схем плавки гололеда, определяемых схемой электрической сети, нагрузкой потребителей, возможностью отключения линий и другими факторами.
Схема плавки гололеда переменным током искусственного короткого замыкания показана на рис. 1а.
Рис. 1. Принципиальные схемы плавки гололеда переменным (а) и выпрямленным (б) током
ВЛ одним концом подключается к источнику питания, которым, как правило, служат шины 6-10 кВ подстанций или отдельный трансформатор, провода на другом конце ВЛ замыкаются. Напряжение и мощность источника выбираются таким образом, чтобы обеспечить протекание по проводам ВЛ тока в 1,5 ... 2 раза превышающего длительно допустимый ток. Такое превышение допустимого длительного тока оправдано кратковременностью процесса плавки (~1 ч), а также более интенсивным охлаждением провода в зимний период. Ориентировочные величины токов при различной продолжительности плавки гололеда переменным током приведены а табл. 1, в последнем столбце которой указан ток, предупреждающий образование гололеда на проводах.
Таблица 1
Марка провода Ток плавки, А, при продолжительности, мин Ток предупр., А
30 60 100
АС 50 330 270 240 160
АС 70 410 330 290 205
АС 95 510 400 350 245
АС 120 565 450 400 275
АС 150 660 525 460 325
АС 185 750 600 520 375
АС 240 860 690 610 440
Для ВЛ напряжением 220 кВ и выше с проводами сечений 240 мм и более плавка гололеда переменным током требует очень больших мощностей источника питания (десятки МВ-А). Для параметров проводов ВЛ такого класса справедливо соотношение Я << X. Полная мощность источника увеличивается за счет большой и бесполезной для плавки гололеда реактивной нагрузки. На таких ВЛ плавка гололеда осуществляется выпрямленным током.
Принципиальная схема плавки гололеда выпрямленным током показана на рис. 16. Выпрямитель и2 подключается к шинам 6-10 кВ подстанций или отдельному трансформатору. Используются, как правило, две схемы плавки гололеда выпрямленным током: «фаза-фаза» и «фаза - две фазы».
Параметры выпускаемых отечественной промышленностью нерегулируемых выпрямительных блоков, подключаемых к переменному напряжению 10кВ: выпрямленное напряжение 14 кВ; выпрямленный ток 1200 А; мощность на выходе 16800 кВт.
Для получения большей мощности выпрямительные блоки можно включать последовательно или параллельно.
Разработана на базе управляемого трехфазного мостового выпрямителя установка для плавки гололеда, подключаемая к серийному силовому трансформатору или шинам соответствующего напряжения (до 35 кВ). В отличие от нерегулируемых выпрямительных блоков эта установка позволяет при плавке гололеда плавно изменять выходные параметры в диапазоне: выпрямленное напряжение 0 ... 50 кВ; выпрямленный ток 0 ... 1200 А; мощность на выходе 0 ... 60000 кВт.
Первоначально продолжительность времени плавки определяется на ПЭВМ по данным прямого наблюдений на ВЛ в светлое время суток в зависимости от характера отложений и погодных условий (размер, плотность, температура, скорость и направление ветра). Окончательное время корректируется по фактическому току плавки на ПЭВМ. Для этого разработана и внедрена специальная программа «Гололед». До разработки этой программы время продолжительности плавки определялось по расчётным кривым и номограммам. Применение ПЭВМ позволяет облегчать работу диспетчера электрических сетей и сократить время на подготовку и проведение плавки (расчетные данные с фактическими данными расходятся на 5-10 %)/
Большое внимание в электрических сетях уделяется подготовке к гололедному сезону: составляется план организационных и технических мероприятий, проводится анализ организации борьбы с гололедом в прошедшем сезоне, разработка новых схем плавок, проверка и испытание оборудования участвующего в схемах плавки гололеда. Кроме того, все схемы плавок на грозовых тросах ВЛ 35-220 кВ опробываются рабочим напряжением до начала гололедного сезона, так же со всем персоналом, привлекаемом к борьбе с гололедом, проводятся учёба и инструктажи по организации наблюдений за гололедообразованием на ВЛ и пляской проводов.
На период интенсивного гололедообразования электрические сети переводятся работу на особый режим - «ГОЛОЛЕД». Организуются круглосуточные наблюдения за гололедообразованием, проводятся плавки, а если нужно то и механическое удаление гололеда. Все плановые работы отменяются, кроме аварийного характера, организуются дополнительные бригады ОВБ, расставляются дежурные по узловым подстанциям.
Много времени при проведении плавки отнимает сборка и разборка схем, переезды бригад ОВБ (в среднем 2-2,5 часа, когда линия выведена из нормального режима работы, сама плавка занимает в среднем 30 минут). Количество плавок в год колеблется от 20 до 400 шт.
Внедрение автоматических, надежных сигнализаторов гололеда экономически оправдано.
Контроль процесса гололедообразования и своевременное включение схем плавки гололеда на ВЛ, должны производиться на основании данных получаемых с датчиков гололеда.
Все способы, датчики и устройства предупреждения гололёда можно условно разделить на:
- механические;
- магнитные;
- частотные;
- оптические;
- омические
- термические;
- радиационные;
- комбинированные.
Механические. Все механические устройства содержат датчик гололедной нагрузки, реагирующий на механическую нагрузку от образовавшегося гололеда, веса провода, а также ветровую нагрузку. Датчик подвешивается между траверсой и гирляндой изоляторов и может быть выполнен, как правило, в виде динамометра (пружины) или же с использованием упругого чувствительного элемента, преобразующего вес гололеда в выходной сигнал.
Магнитные. Устройства, реагирующие на изменение магнитного ноля провода при нарастании на нем гололёдных отложений. Изменение фиксируется индукционным датчиком.
Устройства, которые преобразуют величины механических напряжении в ферромагнитных материалах в частоту следования прямоугольных электрических импульсов.
Устройства для измерения гололедной и ветровой нагрузок на воздушных линиях электропередачи, содержащие магнитоупругий датчик силы, подвешенный между траверсой опоры и гирляндой изоляторов с фазным проводом, контролирует нагрузку на ЛЭП.
Частотные. Устройства для обнаружения гололеда, содержащие высокочастотный генератор, датчики атмосферных осадков, выполненные в виде элементов колебательного контура высокочастотных генераторов и частотомер. В роли датчиков могут выступать» например» катушки индуктивности» витки, которых разделены воздушными промежутками, емкость цепи фаза-земля (зависящая от толщины гололеда на проводах и влажности воздуха).
Оптические. Одним из перспективных направлении в развитии систем регистрации и предупреждения возможности образования гололеда является использование в подобных устройствах в качестве датчиков оптическое волокно» которое дает возможность контролировать плавку гололеда и ее окончание.
Омические. Устройства для контроля уровня гололедной нагрузки на проводах линий электропередачи, содержащие датчики гололедной нагрузки, которые изменяют свое сопротивление под действием веса гололеда, К ним можно отнести тензорезисторный датчик силы (измеряемая сила преобразуется в изменение электрического сигнала), пьезоэлектрический преобразователь силы, содержащий пьезоэлемент, генератор электрических колебаний и измерительный прибор (под действием измеряемой силы изменяется амплитуда колебательной скорости колебании пьезоэлемента, что приводит к изменению электрического напряжения, которое является мерой измеряемого усилия).
Термические. Тензометрический датчик усилий, в котором применен термочувствительный материал с памятью формы и с электроконтактным нагревом в качестве тензометрического датчика. При приложении усилия и деформации термочувствительного элемента его электрическое сопротивление изменяется пропорционально измеряемому усилию или деформации
Радиационные. Радиационный датчик гололеда содержит источник р-излучении, укрепляемый на проводе» и приемник - излучении, закрепленный на опоре. При отсутствии льда приемник улавливает наиболее интенсивное излучение. При появлении льда на проводе или источнике интенсивность облучения приемника падает.
Появление микропроцессоров связанное с созданием средств вычислительной техники, породило новые сферы их применения, в частности, в контрольно-измерительных устройствах. Появляется возможность построения и обработки результатов принципиально новой аппаратурой, в которой автоматизация измерений и обработка результатов осуществляются на основе программирования взамен построения аналогичных сложных систем на логических элементах.
Встроенные в аппаратуру микропроцессоров дают возможность повысить ее качество за счет выполнения операций, но самодиагностике, коррекции, калибровке и линеаризации измеряемых величин усреднения показаний (без введения инерционного звена), сравнения снятых показаний
с установленными, а главное обрабатывать данные и их анализировать по специально разработанным программам.
Поэтому к современным средствам контроля и предупреждения гололеда следует отнести и автоматические метеорологические станции. В наборе поставляются датчики для измерения уровня осадков» температуры, влажности и параметров ветра. Станция показывает все необходимые параметры характеризующие состояние погоды, в том числе и климатические условия внутри помещения.
Для автоматизации процесса плавки гололеда» предотвращения пережога провода в своевременного выявления аварийной ситуации должна применяться автоматизированная система диагностики» позволяющая решать следующие задачи:
- расчет средних (вдоль линий) значений внешних условий (температура воздуха, скорость ветра» теплоотдача);
- оценку температуры провода;
- определение длины гололедного участка;
- коррекции расчетного времени плавки по параметрам внешних условий;
- определение момента опадания гололеда по изменению тока плавки.
Для реализации вышеперечисленных расчетных задач необходимо устройство, которое в комплексе контролирует параметры» входящие в систему диагностики.
* * *
Для решения задачи предупреждения гололеда разработано множество способов и устройств, где эти способы реализуются. Большая часть таких устройств используют конструктивно-механическую часть ВЛ в качестве элемента собственно датчика (введение в подвеску провода механических, магнитных, либо других датчиков, сооружение контрольных пролётов вдоль ВЛ и т.п.). Это сдерживает развитие данного вида техники, так как переоборудование линий, как правило, связано со значительными материальными затратами и требует индивидуальной «настройки» измерений при очень низкой их точности. Кроме того, функционирование всех известных датчиков требует наличия в их составе элементов, потребляющих определенное количество электроэнергии.
Практически все известные способы предназначены для предупредительной сигнализации о появлении гололеда. Такая сигнализация лишь частично удовлетворяет требованиям электроэнергетической отрасли, в то время как важнейшим требованием является непрерывное измерение гололеда (его количественных параметров) в автоматическом режиме.
Список литературы:
1. Королев А.М. Усовершенствование сигнализатора появления гололеда: Сборник научных трудов МИИСП. - М., 1987. - Вып. 17. - С. 24-27.
2. Колмогорова И. М., Саргутдинов Р. Ш., Зубенко Б. И. Устройство для контроля за гололедообразованием. Техника - 1984. - К. 3. - С. 28-29.
3. Дьяконов А. Ф., Левченко И. И. Опыт борьбы с гололедом на линиях электропередачи // Электрические станции. - 1982. - № 1. - С. 50-54.
4. Левченко И.И. Плавка гололёда на проводах и тросах воздушных линий высокого напряжения: учебное пособие. - М.: Издательство МЭИ, 1998.
5. Бучинский В.К. Гололед и борьба с ним. - Л.: Гидрометеоиздат, 1990. -68 с.
6. Методические указания по применению устройств налипания мокрого снега на проводах ВЛ 10-220 кВ РД 34. 20 568-91. - М.: СПО ОРГРЭС, 1993.
7. 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. - М.: СПО ОРГРЭС, 1991.
8. Методические указания по районированию территории энергосистем и трасс ВЛ по частоте повторяемости и интенсивности пляски проводов РД. 34. 20. 184-91. - М.: СПО ОРГРЭС, 1993.
9. Методические указания по плавке гололеда переменным током. Ч. 1. МУ 34.-70-027-82. - М.: СПО Союзтехэнерго, 1983.
