Применение датчиков гололёдной нагрузки и датчиков продольного тяжения проводов Вл для оценки опасности гололёдной обстановки Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 2

ЭНЕРГЕТИКА POWER ENGINEERING

УДК 621.315.175 DOI: 10.17213/0321-2653-2018-2-48-53

ПРИМЕНЕНИЕ ДАТЧИКОВ ГОЛОЛЁДНОЙ НАГРУЗКИ И ДАТЧИКОВ ПРОДОЛЬНОГО ТЯЖЕНИЯ ПРОВОДОВ ВЛ ДЛЯ ОЦЕНКИ ОПАСНОСТИ

ГОЛОЛЁДНОЙ ОБСТАНОВКИ

© 2018 г. А.С. Засыпкин, А.Н. Щуров, А.Д. Тетерин

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия

APPLICATION OF SENSORS OF ICE LOADING AND WIRES AXIAL TENSION SENSORS FOR ASSESSMENT OF THE ICE HAZARD SITUATION

A.S. Zasypkin, A.N. Shchurov, A.D. Teterin

Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia

Засыпкин Александр Сергеевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Электрические станции и электроэнергетические системы», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (863)5-255-6-11. E-mail: aepsnpi@ mail.ru

Щуров Артём Николаевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Электрические станции и электроэнергетические системы», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: [email protected]

Тетерин Александр Дмитриевич - магистрант, кафедра «Электрические станции и электроэнергетические системы», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: [email protected]

Zasypkin Alexander Sergeyevich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Power Plants and Power Systems», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (863)5-255-6-11. E-mail: [email protected]

Shchurov Artyom Nikolaevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Power Plants and Power Systems», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: [email protected]

Teterin Alexander Dmitrievich - graduate student, department «Power Plants and Power Systems», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: [email protected]

Предложена методика определения параметров гололёдообразования на ВЛ - эквивалентной толщины стенки гололёда, гололёдных нагрузок и напряжений провода - по показаниям как датчиков гололёдной нагрузки (ДГН), так и датчиков продольного тяжения провода (ДПТ). Методика основана на использовании преобразованного уравнения состояния провода, учитывает первоначальное тяжение провода и температуру провода при гололёде. Предложена реализация запатентованного ранее способа контроля средней температуры провода в пролёте ВЛ по показаниям ДГН и ДПТ. Предполагается использование методики в интеллектуальной системе управления универсальной установкой плавки гололёда на ВЛ.

Ключевые слова: воздушная линия электропередачи (ВЛ); плавка гололёда; датчик гололёдной нагрузки (ДГН); датчик продольного тяжения (ДПТ).

The technique of determination ofparameters of icing on overhead power line - the equivalent thickness of a wall of ice, ice loadings and tension of a wire - according to indications of both the sensors of ice loading, and sensors of axial tension of a wire is offered. The technique is based on use of the transformed equation of a condition of a wire, considers an initial tension of a wire and temperature of a wire at ice. Realization of the method of control of average temperature of a wire patented earlier in span of overhead power line according to indications of sensors of ice loading and sensors of axial tension is offered. Use of a technique in an intellectual control system of universal installation of ice melting on overhead power line is supposed.

Keywords: overhead power line; ice melting; sensor of ice loading; sensor of axial tension.

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 2

Введение

Для принятия решения о необходимости, очерёдности и окончании плавки гололёда на проводах ВЛ рекомендуется использовать «сигнализаторы гололёда (СГ)» [1].

В состав СГ могут входить датчики гололёдной нагрузки (ДГН) и датчики продольного тяжения провода (ДПТ). Эти датчики (динамометры) могут располагаться между траверсой промежуточной опоры и подвесной гирляндой изоляторов (ДГН), между траверсой анкерной опоры и натяжной гирляндой изоляторов (ДПТ), а также на потенциале провода с передачей сигнала по беспроводному или высокочастотному каналу связи [2].

На выходные сигналы датчиков влияет как гололёдная, так и ветровая нагрузка. Можно различными способами скомпенсировать влияние ветровой нагрузки [3, 4], и по сигналу ДГН непосредственно определять удельную нагрузку от массы гололёдных отложений у2, Н/(м-мм ), по которой просто рассчитывается эквивалентная толщина стенки гололёда Ьэ, мм.

Сигнал ДПТ непосредственно определяется механическим напряжением провода при гололёде с3, Н/мм2, создаваемым первоначальным тяжением провода при монтаже, удельными механическими нагрузками, в том числе у2, а также длиной пролета ВЛ и температурой провода.

Индексы у у и с - 1, 2, 3 в [5] и др. означают: от собственного веса провода, от веса гололёда, от собственного веса и веса гололёда. Позднее нумерация и расчётные выражения сохранились, но слово «вес» заменено на «масса».

Цель статьи - представление инженерной методики определения по сигналам как ДГН, так и ДПТ параметров гололёдообразования Ьэ и с3, необходимых для обнаружения аварийно-опасных для всех элементов ВЛ гололёдных отложений [6 - 8].

Датчик гололёдной нагрузки (ДГН), расположенный между траверсой опоры и гирляндой изоляторов, измеряет суммарный вес гирлянды изоляторов (Риз), провода (Рпр) и гололёда (Рг) в весовом пролёте длиной /вс:

РДГН 3 - Риз + Рпр + P - РДГН 1 + Рг,

откуда погонная нагрузка от гололёда на 1 м провода при любом месте расположения датчика (около траверсы опоры или на потенциале провода):

(РДГН 3 РДГН 1)

L

Эквивалентная толщина стенки гололёда Ьэ, мм, находится решением квадратного уравнения:

Рг.пог = Кр + Ьэ)Рг • Я-10"3 , Н/м, (1)

где Рг пог = у2 • Рпр; FUр, мм2 - полное сечение

провода; у2, Н/(м-мм2) - удельная нагрузка от гололёда; dпр, мм - диаметр провода; рг = 0,9 г/см3; g = 9,81 м/с2.

Механическое напряжение провода при гололёде с3, Н/мм2, можно рассчитать по уравнению состояния провода, решая неполное кубическое уравнение:

- Ao] - B - 0,

(2)

2

A -a - E^ + aE (S-S3) , B - Еу2

24a:

24

где y1 - -

9,81M010

-3

F

-, Н/(м-мм2) - удельная на-

пр

грузка от собственной массы провода М0, кг/км [9], с полным сечением Fпр, мм2,

У1 -

(РДГН1 Риз )

l F

вс пр

P„

Уз -У1 +У2 , У2 --

FT

, Н/(м-мм2) - удельная

пр

нагрузка от массы гололёдных отложений;

У 12

С =—1-, Н/мм - напряжение в проводе, рас-

^)

считанное по стреле провеса /, м, при температуре провода °С, равной темературе воздуха, и фактическом тяжении; $3, °С - температура провода при измерении Рдгнз; ^ м - длина пролёта ВЛ (может не совпадать с длиной весового пролета 1вс); а, град1; E, Н/мм2 - температурный коэффициент линейного удлинения провода и модуль упругости провода (определяются по табл. 2.6.8 [10]).

Поскольку при гололёде температура провода < 0 °С, удобно в качестве исходного состояния провода предварительно определить напряжение в проводе без гололёда при 0 °С, Н/мм :

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

¡2

TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 2

J1(0)

z

8/пр(0)

(3)

где стрела провеса при 0 °С /пр (0) определяется по измеренной стреле провеса /пр (^ при любой другой температуре :

fip(o) = fip(Ä).

(о—Ä )f

fnp(»1)

+1 . (4)

с.

CT,

P

ДПТ 3

P

(5)

ДПТ 1

Ii = 12 + 1 = Y1 Yi

24 с1(о) с з

\El2 Y1

с

1(0)

(6)

с

1( 0)

с

1(0)

-1

Ell

24

Y1 »

aEÄ

пР •

По измеренным (5) значениям

с,

с

1(0)

Y 2

деляются по (6) значения —, затем у2 и Ьэ.

11

Пример определения параметров гололё-дообразования с использованием ДГН и ДПТ для конкретной ВЛ.

Исходные данные:

- длина пролёта ВЛ: l = 220 м; весовой пролёт 1вс = I;

- провод АС 150/19; ^р = 166,8 мм2; = 16,8 мм; Мо = 554 кг/км; Е = 7,70-104 Н/мм2;

а = 19,8-10-6 град-1.

По этим данным:

Y1 =

9,81-M0 • 10

|—з

F

пР

Датчик продольного тяжения (ДПТ), установленный как между траверсой анкерной опоры и натяжной гирляндой изоляторов, так и на проводе, выдаёт сигнал Рдрг, пропорциональный механическому напряжению провода ст, Н/мм . При отсутствии гололёда:

^ДПТ 1 = ст1^пр ,

при появлении гололёда (без учёта ветровой нагрузки): Рдпт 3 = ст3^пр , т. е.

9,81 • 554 • 10 166,8

—з

= 0,0326 Н/(м • мм2);

El2 7,70•104•2202

24

24

= 1,55 •Ю

8.

24 = 0,8 • 10—4;

El2

Чтобы по показаниям ДПТ определить удельную нагрузку от гололёда у2 и толщину стенки гололёда Ьэ по (1), воспользуемся уравнением состояния провода (2), преобразованным для определения удельной нагрузки, а не напряжения. Примем, как и для ДГН, известными исходное напряжение ст1(0), Н/мм2, и удельную нагрузку без гололёда у1, Н/(м-мм2); ст1(0) приведено к температуре $ = 0 ° С.

Тогда

aE = 19,8•Ю"6 • 7,70•Ю"4 = 1,52 ;

- в результате измерений при температуре $ = +15 ° С определена стрела провеса провода /пр(+15) = 3'5 м.

Решение

1. Предварительно определяем стрелу провеса при 0 °С и напряжение в проводе без гололёда. По (4)

/пр(0) =

= 3,5 х

(-15) ü8'10

—6

8

220 35

1 = 2,62 м;

по (3)

0,0326 • 2202 , 2

ст,^ =-= 75,3 Н/мм .

1(0) 8 • 2,62

2. Воспользуемся уравнением состояния в форме (6), что проще, чем в форме (2). В этом уравнении в качестве независимых переменных

опре- рассматриваются

с

3

и < 0 °С, а определяет-

ст1(0)

ся относительная удельная нагрузка от гололёда

12 11 .

Для рассматриваемой ВЛ с параметрами, определёнными выше:

х

2

х

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

+1 = 0,8-¡О"4 75'3

Yi

а

TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 2 Таблица 1 / Table 1

0,0326 а

1(0)

75,3

Л

7i(0)

--1

+1,55 -108

8 ( 0,0326 75,3

+ 1,523ц, =

= 0,185 •-

у1(0) ^

75,3

Л

1(0)

-1

+ 29,1 +1,523

пр-

>30*

3,

(7)

пр

Зависимость ßa от а30* показана на рис. 1.

0.1

ю

Y 2< -ß -10-2 л

Л Г

а3* при 3пр - 0 л

-5 -10 \ Ж

-15

-- 10Г -ßa- 0,008

Расчётная кривая для рассматриваемой ВЛ при &пр = 0 °С / The calculated curve for the considered overhead

а3 а3* - 3 а1(0) 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

- Y |2Y 0,0 1,27 2,78 4,51 6,44 8,55 10,8

В соответствии с этим выражением на рис. 1 представлены сплошными линиями зависимо-

Уг стз сти у2* = — от =- и от Упр. Примем в

У1 с1(0)

качестве базовой зависимость у 2* ) при З1 = 0, когда ст3* = СТ30* . Снижение температуры провода приводит к увеличению напряжения при постоянной нагрузке. Введём понятие температурного коэффициента напряжения провода

Методика использования расчётной кривой с учётом температуры провода

а) для ДГН

- по показанию ДГН Рдтш на ВЛ без голо-

лёда:

P

Y1 =

ДГН1 ,

l F

вс пр

- по показанию ДГН Рдгн з при гололёде:

Y3* =1+ Y2* =

P

ДГН 3

P

откуда

1ДГН 3 т

Y2* --1;

P

ДГН 1

Y2 = Y2* • Y1;

по

ДГН 1

3* о.е.

Рис. 1. Для рассматриваемой ВЛ - зависимость относительной удельной нагрузки у2„ = у2 / у1 от относительного напряжения а3* = а3 / а^^ и от температуры провода S < 0 °С / Fig. 1. For the considered overhead power line - dependence of relative specific loading y2„ = y2 / уj on relative tension a3„ = a3 / a^ and on wire

temperature 9пр < 0 °С

Среднее значение pa в диапазоне a30* > 2,0 равно 0,008. Это значение используется для учёта влияния температуры на напряжение провода.

В табл. 1 приведены дискретные значения зависимости у2* от a3* для Зпр = 0 °С, которые можно использовать методом линейной интерполяции.

рг. пог = У2^пр из (1) определяем 6Э;

- пользуясь расчётной кривой (табл. 1) определяем по у2* значение С3* и по (7) вносим поправку по температуре провода:

о3* = °30* + Ро^пр ;

- расчётное значение напряжения провода при гололёде, Н/мм2:

о3 =С3* 'С1(0),

где о^) предварительно рассчитано по (4) и (3);

- о3 сравнивается с допустимым напряжением провода.

б) для ДПТ

- по показаниям ДПТ без гололёда Рдтщо) и при гололёде РдПТ3 определяем

а3*

ДПТ 3 .

ДПТ 1(0)

- учитываем поправку по температуре (7):

a

30*

- а3* " ^3пр ;

X

power line at »пр = 0 °С

2

X

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 2

- по расчётной кривой (табл. 1) для ст30* определяем у 2*;

- удельная нагрузка от гололёда

12 = 12* • 11;

- по Рг. пог = 12 Рпр из (1) определяем Ьэ.

Контроль средней температуры провода в пролёте по показаниям ДГН и ДПТ

В формуле (6) используются постоянные величины для контролируемого пролёта ВЛ и

непрерывно (дискретно) измеряемые: — с по-

Yi

с

мощью ДГН, —— с помощью ДПТ.

с

1(0)

При любой температуре провода как отрицательной, так и положительной из (6) следует:

с - с

aE

i(°)+.1

24a

Yi

V)

( \2 Y3

vc3 у

.(8)

Формулой (8) можно пользоваться для контроля средней температуры провода в пролёте при наличии гололёдной и ветровой нагрузок. При отсутствии гололёдной нагрузки в формуле (8)

13 =11 , ст3 =ст1 ^ст1(0) .

На способ контроля температуры провода с использованием ДГН и ДПТ получен патент [11].

Заключение

1. Предложена методика и пример расчёта параметров гололёдообразования: эквивалентной толщины стенки гололёда Ьэ, мм, и напряжения провода при гололёде ст3, Н/мм2, по которым оценивается опасность гололёдообразования для всех элементов ВЛ. Для этого могут использоваться как показания датчиков гололёдной нагрузки (ДГН), так и датчиков продольного тяжения провода (ДПТ) при любом месте их расположения - около траверсы опоры или на потенциале провода.

2. Предложена реализация запатентованного ранее способа контроля средней температуры провода в пролёте ВЛ по показаниям ДГН и ДПТ, в том числе при гололёдной и ветровой нагрузках. Таким образом, вместо трёх

датчиков - температуры, гололёдной нагрузки и тяжения провода - достаточно любых двух.

3. Для пользования методикой, кроме параметров провода и длины пролёта ВЛ, необходимы предварительные измерения стрелы провеса провода в пролёте при известной температуре провода и, для уточнения расчёта, значение температуры провода.

Предполагается использование методики в интеллектуальной системе управления универсальной установкой плавки гололёда на ВЛ [12].

Литература

1. Методические указания по применению сигнализаторов гололёда (СГ) и прогнозированию гололёдоопасной обстановки. Стандарт организации ОАО «ФСК ЕЭС»; СТО 56947007-29.240.55.113-2012.

2. Самарин А. В., Масалов В. В. Современные технологии мониторинга воздушных электросетей ЛЭП // Control Engineering Россия. 2013. № 3. С. 88 - 94.

3. Пат. 2212744 РФ H02G 7/16. Устройство для измерения гололедной и ветровой нагрузок с контролем направления ветра на воздушных линиях электропередачи / И.И. Левченко, А.С. Засыпкин, А.А. Аллилуев, Е.В. Рябуха.

4. Пат. 2273932 РФ H02G 7/16, H04B 3/54 Устройство телеизмерения гололедной, ветровой и гололедно-ветровой нагрузок на провод промежуточного пролета воздушной линии электропередачи с индикацией относительного направления ветра / В Я. Башкевич, М.П. Гапоненков, С.В. Аверьянов, В.И. Золоторёв, Г.Г. Угаров.

5. Реут М. А., Рокотян С. С. Справочник по проектированию линий электропередачи. М., 1980. 296 с.

6. Yongsai Zhai, Guangyuan Wang, Hong Yu, Genyuan Wei Research on the application of the edge detection method for the UAVs icing monitoring of transmission lines // 2017 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation (ICMA). 2017. P. 1110 - 1114.

7. Peng Jin, Yadong Li, Kunya Guo, Yaoyao Zheng Fault probability prediction of transmission lines under icing disaster // 29th Chinese Control And Decision Conference (CCDC). 2017. P. 6942 - 6947.

8. Naiqiang Mao, Guoming Ma, Chengrong Li, Yabo Li, Cheng Shi, Yue Du High sensitive FBG load cell for icing of overhead transmission lines // 25th Optical Fiber Sensors Conference (OFS). 2017. P. 1 - 4.

9. Методика расчета предельных токовых нагрузок по условиям сохранения механической прочности проводов и допустимых габаритов воздушных линий. Стандарт организации ОАО «ФСК ЕЭС»; СТО 56947007-29.240.55.143-2013.

10. Правила устройства электроустановок: 7-е изд. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2006. 522 с.

11. Пат. 2165122 (РФ). Способ контроля температуры провода воздушной линии электропередачи и устройство для его определения / И.И. Левченко, А.С. Засыпкин, А.А. Аллилуев.

12. Засыпкин А.С., Левченко И.И., Шовкопляс С.С. Плавка гололёда на ВЛ. Современные системы // Новости электротехники. 2017. № 5 (107) - 6 (108). С. 60 - 62.

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

References

TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 2

1. Metodicheskie ukazaniya po primeneniyu signalizatorov gololeda (SG) i prognozirovaniyu gololedoopasnoi obstanovki [Methodical instructions on the use of ice alarms (SG) and forecasting of the ice-dangerous situation]. Standart organizatsii OAO «FSK EES»; STO 56947007-29.240.55.113 - 2012.

2. Samarin A.V., Masalov V.V. Sovremennye tekhnologii monitoringa vozdushnykh elektrosetei LEP [Modern technologies for monitoring of power transmission lines]. Control Engineering Russia, 2013, no. 3, pp. 88 - 94. (In Russ.).

3. Levchenko I.I., Zasypkin A.S., Alliluev A.A., Ryabukha E.V. Ustroistvo dlya izmereniya gololednoi i vetrovoi nagruzok s kontrolem napravleniya vetra na vozdushnykh liniyakh elektroperedachi [Device for measuring ice and wind loads with wind direction monitoring on overhead power lines]. Patent RF, no. 2212744.

4. Bashkevich V.Ya., Gaponenkov M.P., Aver'yanov S.V., Zolotorev V.I., Ugarov G.G. Ustroistvo teleizmereniya gololednoi, vetrovoi i gololedno-vetrovoi nagruzok na provod promezhutochnogo proleta vozdushnoi linii elektroperedachi s indikatsiei otnositel'nogo napravleniya vetra [The device for telemetry of ice, wind and glaze-wind loads on the wire of the intermediate passage of an overhead transmission line with indication of the relative direction of the wind]. Patent RF, no. 2273932.

5. Reut M.A., Rokotyan S.S. Spravochnikpoproektirovaniyu linii elektroperedachi [Guide to the design of power lines]. Moscow, 1980, 296 p.

6. Yongsai Zhai, Guangyuan Wang, Hong Yu, Genyuan Wei. Research on the application of the edge detection method for the UAVs icing monitoring of transmission lines . 2017 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation (ICMA), 2017, pp. 1110 - 1114.

7. Peng Jin, Yadong Li, Kunya Guo, Yaoyao Zheng. Fault probability prediction of transmission lines under icing disaster . 29th Chinese Control And Decision Conference (CCDC), 2017, pp. 6942 - 6947.

8. Naiqiang Mao, Guoming Ma, Chengrong Li, Yabo Li, Cheng Shi, Yue Du. High sensitive FBG load cell for icing of overhead transmission lines. 25th Optical Fiber Sensors Conference (OFS), 2017, pp. 1 - 4.

9. Metodika rascheta predel'nykh tokovykh nagruzok po usloviyam sokhraneniya mekhanicheskoi prochnosti provodov i dopustimykh gabaritov vozdushnykh linii [Method for calculating the maximum current loads according to the conditions for maintaining the mechanical strength of wires and allowable dimensions of overhead lines]. Standart organizatsii OAO «FSK EES»; STO 56947007-29.240.55.143-2013.

10. Pravila ustroistva elektroustanovok [Rules for the installation of electrical installations].Moscow:Publ.NTsENAS,2006, 522 p.

11. Levchenko I.I., Zasypkin A.S., Alliluev A.A. Sposob kontrolya temperatury provoda vozdushnoi linii elektroperedachi i ustroistvo dlya ego opredeleniya [Method for monitoring the temperature of an overhead power transmission line and a device for determining it] .Patent RF, no. 2165122.

12. Zasypkin A. S., Levchenko I. I., Shovkoplyas S. S. Plavka gololeda na VL. Sovremennye sistemy [Melting ice on the overhead line. Modern systems ]. Novosti elektrotekhniki, 2017, no. 5 (107) - 6 (108), pp. 60 - 62. (In Russ.).

Поступила в редакцию /Received 20 февраля 2018 г. /February 20, 2018