Способ обнаружения гололедных отложений на проводах воздушных линий электропередачи Текст научной статьи по специальности «Математика»

УДК 621.315.1

СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ГОЛОЛЁДНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ НА ПРОВОДАХ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Ю.В. ПИСКОВАЦКИЙ, Д.Ф. ГУБАЕВ, Р.Г. МУСТАФИН Казанский государственный энергетический университет

Предлагается новый способ обнаружения гололёдных отложений на проводах воздушных линий электропередачи, включающий передачу по проводам воздушной линии радиоимпульсов, имеющих колоколообразную форму огибающей. Обсуждается возможность рассчитать длину и толщину гололёдной муфты, используя зависимости дополнительного затухания и задержки радиоимпульса от длины и толщины гололедных отложений.

Ключевые слова: провода воздушных линий, гололёдные отложения, локационное зондирование.

Наиболее ответственным, и в то же время наиболее уязвимым звеном электроэнергетической системы являются воздушные линии электропередачи (ВЛ), на которые воздействуют факторы окружающей среды, такие как: атмосферные осадки, влажность, ветер, температура и т.д.

Одними из самых тяжелых и трудноустранимых аварий на ВЛ являются гололедные аварии, которые вызываются отложением гололеда (изморози, мокрого снега) на проводах и грозозащитных тросах в сочетании с ветровыми нагрузками. Гололедные аварии могут иметь массовый характер и приводить к большому экономическому ущербу.

Значительная часть территории России подвержена влиянию гололеда на работу энергосистем. Наиболее опасными, с точки зрения образования гололедных отложений на ВЛ, являются: Дальний Восток, Сахалин, Север и Северо-Запад, Урал и Поволжье, Северный Кавказ.

Теоретическим и практическим исследованиям, направленным на своевременное обнаружение гололедных отложений, посвящено значительное количество работ. Перспективным является направление исследований, решающее задачу обнаружения гололеда на ранней стадии возникновения.

Одним из известных способов обнаружения гололедных отложений на ранней стадии является локационный, который заключается в подаче импульсного сигнала (прямоугольный видеоимпульс) в контролируемую линию и определении суммарного времени, затраченного на его распространение вдоль провода в прямом и обратном направлении после отражения от конца линии либо высокочастотного (ВЧ) заградителя [1]. Этот способ позволяет определить наличие гололедных образований на проводах ВЛ путем сравнения времени распространения сигналов при наличии и при отсутствии гололедных отложений, т. к. гололедные отложения на проводах представляют собой неоднородный диэлектрик, который уменьшает скорость распространения сигнала вдоль линии. Наряду с очевидными преимуществами указанного способа, он имеет ряд недостатков:

1. Последовательность прямоугольных видеоимпульсов имеет широкий спектр, поэтому неизбежно влияние на аппаратуру ВЧ связи.

© Ю.В. Писковацкий, Д.Ф. Губаев, Р.Г. Мустафин Проблемы энергетики, 2013, № 1-2

2. Нестабильность амплитуды отраженного импульса в результате влияния помех (сигналы ВЧ связи и телемеханики).

3. Отсутствие возможности определения длины и толщины стенки гололедной муфты по изменению скорости распространения импульсного сигнала.

Поэтому известный способ имеет в настоящее время несколько ограниченную область применения, так как он может быть использован только при отсутствии в ВЧ тракте технологических сигналов, принадлежащих системам релейной защиты, телемеханики и связи.

Для устранения указанных недостатков предлагается новый способ обнаружения гололедных отложений на проводах и грозозащитных тросах ВЛ, включающий передачу по ВЛ радиоимпульсов, имеющих колоколообразную форму огибающей, приводящей к минимальной ширине спектра каждого радиоимпульса (рис. 1). В качестве контрольных параметров принимаем время распространения и затухание радиоимпульсов при их распространении от начала ограниченного участка провода до его конца.

а) б)

Рис.1. Радиоимпульс с колоколообразной формой огибающей (а) и его спектр (б)

Использование радиочастотных импульсов с колоколообразной формой огибающей приводит к узкому спектру радиоимпульса. Практически возможно увеличить длительность радиоимпульса т до времени прохождения радиоимпульса от начала линии электропередачи до его конца и обратно: т < 2Ь/с , где Ь - длина линии электропередачи: с - скорость распространения радиоимпульса по линии электропередачи (примерно равна скорости света 3-108 м/с). При этом условии прием отраженных сигналов будет происходить после окончания передачи радиоимпульса.

Рассмотримвкачестве примера линию электропередачи длиной Ь = 30 км. При этом максимально возможная длина радиоимпульса будет равна т=0,2 мс. Соответственно ширина спектра радиоимпульса ДГ~2/т=10 кГц. Появляется возможность использовать предлагаемый способ совместно с аппаратурой ВЧ связи, релейной защиты и автоматики (работая на разных частотах).

Измерение времени распространения узкополосного радиоимпульса по ВЛ имеет особенность, связанную с получением необходимой точности измерения времени распространения. Пр^) этом измерения на нескольких разных частотах позволяют повысить точность измерений времени распространения узкополосного радиоимпульса. Радиочастотный импульс и(г) имеет периодическое синусоидальное заполнение:

и и (г) = V (г) • 8т(2л- Г • г),

где V(t) - колоколообразная огибающая радиоимпульса; Г - частота заполнения радиоимпульса; t - в^е^я.

© Проблемы энергетики, 2013, № 1-2

42

Для определения времени распространения радиоимпульса от передатчика до конца линии и обратно производят поиск максимума коррелятора К принятого импульса W(t) и импульса передатчика и^+т), при изменении величины задержки во времени т. На рис.2, а построен коррелятор К (вертикальная ось) от величины задержки во времени т (горизонтальная ось). Видно, что коррелятор К тоже является периодической функцией от т, пики 1, 2, 3 коррелятора К имеют близкие амплитуды, и проблематично определить максимум 2 коррелятора К (относительно боковых пиков 1, 3). Для решения этой проблемы последовательно измерим два коррелятора К1 и К2, для двух радиочастотных импульсов и1(Г 1) и и2(Г 2), имеющих разные частоты заполнения Г 1 и Г 2. При этом корреляторы К1 и К2 имеют совпадающий (по параметру т) центральный пик, а боковые пики не совпадают (за счет разных частот Г 1 и Г 2 радиоимпульсов). Поэтому после перемножения двух корреляторов К1К2 пики 4, 5, 6 произведения корреляторов (рис.2, б) центральный (максимальный) пик 5 сохранит свою амплитуду, а боковые пики 4 и 6 уменьшатся по амплитуде (поскольку боковые пики слегка смещены друг относительно друга). Это позволит однозначно определить максимум 5 коррелятора и точно определить время распространения узкополосного радиоимпульса.

а) б)

Рис.2. Коррелятор для одиночного радиоимпульса с колоколообразной формой огибающей и частотой заполнения Г 1 (а) и результат перемножения двух корреляторов радиоимпульсов с колоколообразной формой огибающей (б)

Второй предпосылкой для использования предлагаемого способа является разная зависимость дополнительных затухания и задержки радиоимпульса от длины гололедных отложений, что приводит к возможности из двух измеренных параметров (дополнительных затухания и задержки радиоимпульса) сосчитать длину и толщину гололедных отложений [2]. Каждое локационное измерение дает две измеренные величины: задержку (т (измерение) и затухание амплитуды К(измерение) высокочастотного сигнала. Имеется возможность теоретически сосчитать задержку (т(Ь, Ь) и затухание амплитудытК(Ь, Ь) высокочастотного сигнала, которые зависят от толщины Ь и длины Ь гололедных отложений. Совместное решение итерационным способом двух уравнений (1) и (2) позволяет однозначно определить толщину Ь и длину Ь гололедных отложений, при которых оба уравнения выполняются одновременно:

( т(Ь, Ь) = ( т(измерение), (1)

К (Ь, Ь) = К (измерение). (2)

© Проблемы энергетики, 2013, №

V 43

Иными словами, используя две измеренные величины: ^(измерение) и К(измерение), мы можем сосчитать два выходных параметра: толщину b и длину L гололедных отложений.

Суммируя, можно утверждать, что данный способ определения параметров гололедных отложений на проводах линии электропередачи позволяет обнаруживать начало процесса гололедообразования, а также оценивать степень угрозы разрушения линии электропередачи при появлении гололедных отложений.

Работа выполнена при финансовом содействии Академии наук РТ (договор субсидии №09-20/2012(Г) на выполнение научно-исследовательской работы по молодёжным грантам РТ).

Summary

A new method for ice detection on wires of air-lines, including transmission by wire of radio pulse with bell-shaped envelope. We discuss the possibility to calculate the length and thickness of the glaze ice clutch, using an additional dependence of attenuation and delay of the radio pulse from the length and thickness of the glaze ice clutch. Keywords: wires of air-lines, glaze ice clutch, location probing.

Литература

1. Способ обнаружения появления гололеда на проводах линии электропередачи: Пат. № 2287883 РФ. М. Кл. H02 G7/16 / Р.Г. Минуллин, И.Ш. Фардиев, Ю.Я. Петрушенко и др. Приоритет с 15.04.05.

2. Хакимзянов Э.Ф., Минуллин Р.Г., Мустафин Р.Г. Математическая модель задержки и затухания высокочастотных сигналов в линиях электропередачи с гололедными образованиями // Энергетика Татарстана. 2011. №2.

Поступила в редакцию 05 октября 2012 г.

Писковацкий Юрий Валерьевич - доцент кафедры «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем» (РЗА) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 5194242.

Губаев Дамир Фатыхович - канд. техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем» (РЗА) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 5194242; 8 (843) 5194241.

Мустафин Рамиль Гамилович - канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем» (РЗА) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 5194242.

© Проблемы энергетики, 2013, № 1-2