CC BY
18
УДК 621.316.13 ББК 31.27-082
А.И. ФЕДОТОВ, Р.Ш. БАСЫРОВ, Г.В. ВАГАПОВ
ЦИФРОВОЙ КОНТРОЛЬ ПРЕДЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРОВОДОВ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ*
Ключевые слова: гололедная и ветровая нагрузки, нагрузки на провод линии электропередачи, математическая модель работы провода в пролете.
В статье рассматриваются теоретический подход и практическая реализация к определению текущих действующих механических нагрузок на провод в пролете воздушной линии электропередачи. Предложено разделение нагрузок на вертикальную и горизонтальную с одновременным выделением составляющей на скручивание. Подобное разделение на составляющие позволяет более точно определять механические нагрузки, действующие на провод воздушной линии электропередачи, в том числе ветровые и гололедные. В качестве источника первичной информации возможно использование различных датчиков, установленных непосредственно на провода, таких как датчики угла наклона провода и т.д. Предлагаемый подход позволит осуществлять цифровой контроль текущего состояния провода в пролете и не допускать достижения критических значений механического напряжения в проводе при наличии установленных датчиков на проводе.
Введение. Электрические сети напряжением 110 кВ и выше являются важной компонентой электроэнергетической системы и направлены на передачу и распределение электроэнергии от электрических станций и в ряде случаев до конечного потребителя. Данное обстоятельство обуславливает необходимость непрерывного развития технологий повышения надежности функционирования электрических сетей рассматриваемых классов напряжений. Вторым немаловажным фактором повышения надежности функционирования электросетевых компаний выступает необходимость постоянного улучшения показателей БЛ№1, БЛЮ1 и СЛЮ1. Аварийные отключения электроэнергии, в свою очередь, негативным образом сказываются как на вышеприведенных показателях, так и на других показателях надежности. Электрические сети рассматриваемых классов напряжений преимущественно выполнены воздушными линиями (ВЛ) с применением грозозащитных тросов (ГЗТ). В качестве одного из основных неблагоприятных факторов, приводящих к аварийным отключениям ВЛ, можно выделить негативное влияние климатических воздействий. Так, по данным министерства энергетики РФ [2], в ПФО на значения показателей надежности БЛЮ1 и БЛШ1 в первой половине 2018 г. в большей степени повлияли погодные факторы. Такие климатические воздействия, как ветровая нагрузка или гололедно-изморозевые отложения (ГО), приводят преимущественно к механическим перенапряжениям в проводах и ГЗТ ВЛ и в ряде случаев к их схлестыва-
* Работа выполнена в рамках проекта темы научного исследования «Методы повышения надежности систем электроснабжения и качества электроэнергии на основе электрохимических накопителей и цифрового мониторинга состояния распределительных электрических сетей» (мнемокод 0672-2020-0007, №Е7БШ-2020-0007).
нию, что в конечном итоге является причиной коротких замыканий и обрывов. Подобный эффект обуславливает резкое ухудшение показателей БЛ№1 и БЛЮ1. Таким образом, проблема повышения надежности функционирования воздушных линий электропередачи, как одного из важных компонентов энергосистемы, не теряет своей актуальности.
Обзор текущего состояния проблемы. Рассматриваемой проблеме посвящены многочисленные публикации в литературных источниках, которые представляют различные теоретические подходы к решению вышеобозначен-ной проблемы. Наибольший интерес с точки зрения улучшения показателей БЛ№1 и БЛЮ1 представляют теоретические подходы, имеющие практическую реализацию в действующих энергосистемах. Одним из представленных теоретических направлений является применение локационного метода (ЛМ), основанного на распространении электромагнитной волны [1]. Данный метод позволяет контролировать степень вытяжки проводов ВЛ и ГЗТ под воздействием ГО. В качестве аспекта ЛМ для дальнейшего проведения исследований выделяется, например, необходимость разделения нагрузок от ГО и ветра.
Не менее перспективным является контроль с помощью систем, оборудованных видео камерами [3]. Данный метод вкупе с использованием тензо-метрических датчиков позволяет осуществлять полный цикл мониторинга каждого пролета ВЛ. Метод требователен к каналу передачи данных, поскольку требуется передача существенного массива данных, в том числе и видео информации.
Одновременно имеет место быть способ обнаружения механических воздействий на основе весовых датчиков. Существуют Методические указания по применению сигнализаторов ГО на основе весовых датчиков1. В качестве недостатка использования весовых датчиков можно выделить отсутствие возможности разделения горизонтальной и вертикальной нагрузок на провод и ГЗТ.
Также широко распространен способ определения механических воздействий на основе измерения угла провеса провода [5, 7, 10]. Данный способ имеет различные вариации в зависимости от производителя.
Одновременно имеет распространение способ прогнозирования воздействий ГО на основе метеорологических моделей, учитывающих различные климатические факторы и статистические данные прошлых лет. Подобный подход представлен в многочисленных работах, например в [12].
Несмотря на существенное количество теоретических подходов и различных вариантов практической реализации, проблема ранней диагностики ГО полностью не решена. Таким образом, задача определения текущего состояния провода и ГЗТ не теряет своей актуальности.
Теоретическое определение нагрузок. Приведенные выше различные подходы показали вариативность технической реализации определения со-
1 СТО 56947007-29.240.55.113-2012. Методические указания по применению сигнализаторов гололеда (СГ) и прогнозированию гололедоопасной обстановки [Электронный ресурс]. URL: https://www.fsk-ees.ru/upload/docs/STQ56947007-29.240.55.113-2012.pdf.
стояния провода в пролете. Подавляющее большинство подходов основываются на классическом уравнении цепной линии [6], преобразованном к виду
^ = а^2' ^
где а - параметр канонического уравнения цепной линии.
Стрела провеса / провода в пролете ВЛ рассчитывается по уравнению
/ = а ^ оЬ а -(2) Параметр И определяется как
И = а ( оЬ ^ - оЬ(3)
."V Ха
в Л \ 'а
______ \
Высота подЬеса точки "В" /" / ГЗТ 6 пролете ВЛ / Начало координат Опора В/1 \ Высота поЗОеса тачки "А"
-
Рис. 1. Угол наклона касательной в точке крепления: А и В - координаты точек подвеса ГЗТ на опорах в пролете ВЛ; ха - расстояние между координатой точки А и осью ординат;/- стрела провеса провода ВЛ; I - расстояние между опорами в пролете ВЛ; к - расстояние по вертикали точек подвеса провода; а - угол наклона касательной; 0 - угол кручения провода
Уравнение параметра к содержит: одно известное значение И, которое определяется проектной документацией или результатами натурного обследования, и два неизвестных, а именно: значение ха и параметр а. Для однозначного нахождения искомых значений необходимо второе уравнение с аналогичными неизвестными. В качестве второго уравнения может быть использовано уравнение тангенса угла наклона касательной в точке подвеса провода. Рис. 1 иллюстрирует графически угол наклона касательной в точке крепления провода и ГЗТ. Математическое выражение зависимости угла наклона касательной от параметров а и ха представлено уравнением
(а ) = ^. (4)
а
В формуле (4) неизвестны параметры а, ха и значение тангенса угла наклона касательной. Соответственно, при условии известного значения угла
наклона касательной и объединении формул (3) и (4) в систему уравнений возможно нахождение однозначных численных значений параметра а и ха. Определение значения угла наклона касательной будет представлено ниже.
. х 1§а = —-; а
к = а-I еЬ^-еЬ 1—Ха
(5)
а а
Система уравнений (5) является нелинейной.
Численные значения параметр а и ха предоставляют возможность определить геометрическую длину провода и ГЗТ Ь в пролете ВЛ по следующему уравнению:
Ь = а I 8Ь +
а а
Одновременно со значением длины провода и ГЗТ возможно определение стрелы провеса / по формуле (2).
Определение поправок на кручение провода при расчете влияния бокового ветра. Анализ полученных экспериментальных данных с действующей ВЛ напряжением 110 кВ показал изменение поперечного угла кручения провода при отсутствии ветрового давления. Данное изменение угла обусловлено температурной вытяжкой проводов [5]. Соответственно, необходим учет данного фактора при определении механического напряжения в проводе.
Рис. 2 иллюстрирует разделение воздействий векторов собственной массы провода и бокового ветра.
Рис. 2. Угол наклона касательной в точке крепления ГЗТ: О'А- вектор воздействия массы провода; АВ - вектор воздействия ветровой нагрузки; ОВ - кривая провеса провода и ГЗТ; 2 - ось установки опоры ВЛ
Следует учесть, что значения стрел провеса/ и/т рассчитываются на основе решения уравнения (2), в котором при наличии ветра угол т уже не тот, что
измеряется сенсором с чувствительным элементом, основанным на гравитационном принципе. Это положение раскрывается на рис. 2, где для наглядности провод подвешен на опорах в точках О и О' без перепада высот, т.е. к = 0. Плоскость, в которой будет располагаться провод после его поворота под действием ветра на угол фп вокруг оси О - О', образуется прямоугольным треугольником ОО'В, где линия ОВ соответствует касательной к кривой провисания провода в точке О. Вертикальная весовая составляющая чувствительного элемента сенсора покажет угол т0 в треугольнике ОАВ, который является проекцией треугольника ОО 'В на плоскость хг. Искомым же является значение угла т.
В соответствии с рис. 2 искомое значение угла т определяется следующим образом:
к , т , . = -; к =-; т = I ■ .
I ео8фп
Тогда
^то
= -
еоЭфп
Если имеет место перепад высот подвеса провода в пролете, аналогично рис. 2, то поворот провода под действием ветра будет происходить по отношению к оси, также расположенной в плоскости хг, но которая уже не параллельна оси х. Осуществляя соответствующие построения, аналогично выполненным на рис. 2, получаем
т = т' + ф,
где
к
tgф = -, tgт = tgто
ео82ф . 2
еоэ2фп
81И ф.
Представленный подход позволяет осуществлять учет влияния бокового ветра в математической модели, что существенно повышает точность определения на провод и ГЗТ ВЛ действующих нагрузок. Переход от определения геометрических параметров к определению физических параметров представлен во многих публикациях [5, 6]. Реализация предложенного теоретического подхода по определению нагрузок на провод и ГЗТ ВЛ с учетом предложенных поправок была осуществлена в виде цифрового контроля предельных напряжений проводов ВЛ.
Реализация цифрового контроля предельных напряжений проводов высоковольтных воздушных линий. Цифровой контроль предельных напряжений проводов ВЛ по вышепредставленной методике был реализован в виде программного обеспечения (ПО) для компьютеров стационарного варианта исполнения [11] и варианта для мобильных устройств. Необходимость разработки последнего была выявлена в ходе тестовой эксплуатации ПО для компьютеров стационарного варианта исполнения и обусловлена возможностью оперативного получения информации без необходимости пребывания обслуживающего ВЛ персонала около компьютера с ПО для стационарного исполнения.
Цифровой контроль предельных напряжений проводов и ГЗТ ВЛ реализован с помощью ПО для мобильных устройств. Основное диалоговое окно представлено на рис. 3. Диалоговое окно предоставляет информацию в виде трех столбцов: первый - информация дата и время, второй - механическое напряжение в процентах от максимально возможного, третий - толщина стенки гололеда.
На рис. 4 представлена визуализация диалогового окна с текущими параметрами значений углов отклонения сенсоров в двух плоскостях. Данные значения углов содержат в себе погрешности, обусловленные отклонениями от нулевых значений при монтаже, поскольку достаточно сложно обеспечить точное позиционирование сенсора на проводе и ГЗТ на текущий момент. Однако подобная проблема была решена математически нахождением среднего значения нуля поперечного отклонения при большом количестве измерений.
Рис. 3. Визуализация основного диалогового окна
Рис. 4. Визуализация диалогового окна с текущими параметрами значений углов отклонения сенсоров
Визуализация диалогового окна с местоположением сенсоров с привязкой к местности представлена на рис. 5. Встроенное меню данной вкладки позволяет определить пролет с повреждением на карте в режиме реального времени.
В ПО для мобильных устройств также реализована функция просмотра статистических данных. Пример визуализации диалогового окна просмотра истории статистических данных представлен на рис. 6.
11:46
<- Графики
.«0.0 КБ/с (Ж)
Рис. 5. Визуализация диалогового окна с местоположением сенсоров с привязкой к местности
Рис. 6. Пример визуализации диалогового окна статистических данных с возможностью просмотра истории
Выводы. Представленная методика определения механических напряжений позволяет в режиме реального времени производить цифровую оценку механических нагрузок на провода и ГЗТ ВЛ.
Безусловно, требуется дальнейшее развитие предлагаемой методики в рамках моделирования взаимодействий как отдельных проволок проводов и ГЗТ, так и отдельных повивов в проводах и ГЗТ.
Литература
1. Минуллин Р.Г. Локационный метод обнаружения гололеда на проводах воздушных ЛЭП // Электроэнергия. Передача и распределение. 2014. № 1(22). C. 74-82.
2. Подготовка и прохождение ОЗП 2018-2019 годов (19.04.2019, г. Москва) [Электронный ресурс] / Миниэнерго Росии: офиц. сайт. URL: https://minenergo.gov.ru/node/11896 (дата обращения: 10.01.2020).
3. Сацук Е.И. Программно-технические средства мониторинга воздушных линий электропередачи и управления энергосистемой в экстремальных погодных условиях: дис. ... д-ра техн. наук. Новочеркасск, 2011. 314 с.
4. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RUS № 2019613034. Контроль основных параметров проводов и грозозащитных тросов воздушных линий электропередачи / Федотов А.И., Чернов А.Б., Чернова Н.В., Басыров Р.Ш., Вагапов Г.В. Заявка № 2019611863 от 26.02.2019. Опубл. 06.03.2019.
5. Федотов А.И., Басыров Р.Ш., Абдуллазянов Р.Э., Вагапов Г.В. Практическая реализация мониторинга и плавки гололеда на проводах ВЛ 110-220 кВ на основе угла провеса провода // Электрические станции. 2019. № 6(1055). С. 24-32.
6. Fischer R., Kiessling F. Freileitungen: Planung, Berechnung, Ausführung. Berlin, Springer, 1993. DOl: 10.1007/978-3-642-97924-8.
7. Guo-Ming Ma, Cheng-Rong Li, Chen-Ping Meng. Ice Monitoring on Overhead Transmission Lines with FBG Tension Sensor. Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conf., 2010 DOI: 10.1109/APPEEC.2010.5448665.
8. Kozlovskyi O., Trushakov D., Rendzinyak S. Icing sensor on the overhead powerlines wires. 16th Int. Conf. on Computational Problems of Electrical Engineering (CPEE), 2015. DOI: 10.1109/CPEE.2015.7333345.
9. Motlis Y., Barrett J.S., Davidson G.A. et al. Limitations of the ruling span method for overhead line conductors at high operating temperatures. Power Delivery, IEEE Transactions on. 14, 1999, pp. 549-560. DOI: 10.1109/61.754102.
10. Qiangliang Guo, XiaoguangHu. Power line icing monitoring method using binocular stereo vision. 12th IEEE Conf. on Industrial Electronics and Applications (ICIEA), 2017. DOI: 10.1109/ICIEA.2017.8283149.
11. Sag-tension Calculation Methods for Overhead Lines: CIGRE Technical Brochure. Study Committee B2, 2007.
12. Savadjiev K., Farzaneh M. Modeling of icing and ice shedding on overhead power lines based on statistical analysis of meteorological dataModeling of icing and ice shedding on overhead power lines based on statistical analysis of meteorological data. IEEE Transactions on Power Delivery, 2004, vol. 19, iss. 2. DOI: 10.1109/TPWRD.2003.822527.
ФЕДОТОВ АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ - доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник отдела НИОКР, Казанский государственный энергетический университет, Россия, Казань (fed.ai@mail.ru).
БАСЫРОВ РАФИК ШАИХОЛОВИЧ - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры технической физики, Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н Туполева - КАИ, Россия, Казань (rafikbasyrov@mail.ru).
ВАГАПОВ ГЕОРГИЙ ВАЛЕРИЯНОВИЧ - кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник отдела НИОКР, Казанский государственный энергетический университет, Россия, Казань (vagapov@list.ru).
A. FEDOTOV, R. BASYROV, G. VAGAPOV DIGITAL CONTROL OF LIMITING MECHANICAL STRESSES OF HIGH VOLTAGE OVERHEAD POWERLINES
Key words: ice and wind loads, loads on the wire of a power line, mathematical model of the wire in the span.
The paper shows the theoretical approach and practical implementation to determining the existing mechanical loads on the wire in the span of an overhead power line. It proposes to separate the loads into vertical, horizontal, and torsional components. Such separation into components makes it possible to more accurately determine the mechanical loads acting on the wire of an overhead power line including ice and wind. As a source of primary information, it is possible to use various sensors installed directly on the wires, such as wire angle sensors, etc. The proposed approach will allow digital monitoring of the current state of the wire in the span and prevent critical values of mechanical stress in the wire if sensors are installed on the wire.
References
1. Minullin R.G. Lokatsionnyi metod obnaruzheniya gololeda na provodakh vozdushnykh LEP [Location method of detecting ice on air power lines wires]. Elektroenergiya. Peredacha i raspredelenie, 2014, no. 1(22), pp. 74-82.
2. Podgotovka i prokhozhdenie osennoe-zimnego perioda 2018-2019 godov (19.04.2019, g. Moskva) [Preparation and passage of the winter-winter period 2018-2019 (19.04.2019, Moscow)]. Available at: https://minenergo.gov.ru/node/11896.
3. Satsuk E.I. Programmno-tekhnicheskie sredstva monitoringa vozdushnykh linii elektro-peredachi i upravleniya energosistemoi v ekstremal'nykh pogodnykh usloviyakh: dis. ... d-ra tekhn. nauk [Software and technology means of monitoring air transmission lines and controlling the power grid in extreme weather conditions. Doct. Diss.]. Novocherkassk, 2011, 314 p.
4. Fedotov A.I., Chernov A.B., Chernova N.V., Basyrov R.Sh., Vagapov G.V. Kontrol' osnovnykh parametrov provodov i grozozashchitnykh trosov vozdushnykh linii elektroperedachi [Control of the main parameters of wires and thunderstorm-protective cables of power lines]. Certificate of registration of the program for computers RUS № 2019613034, 2019.
5. Fedotov A.I., Basyrov R.Sh., Abdullazyanov R.E., Vagapov G.V. Prakticheskaya realiza-tsiya monitoringa i plavki gololeda na provodakh VL 110-220 kV na osnove ugla provesa provoda [Practical implementation of monitoring and ice melting on overhead lines of 110-220 kV based on the sag angle of the wire]. Elektricheskie stantsii, 2019, no. 6(1055), pp. 24-32.
6. Fischer R., Kiessling F. Freileitungen: Planung, Berechnung, Ausführung. Berlin, Springer, 1993. DOl: 10.1007/978-3-642-97924-8.
7. Guo-Ming Ma, Cheng-Rong Li, Chen-Ping Meng. Ice Monitoring on Overhead Transmission Lines with FBG Tension Sensor. Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conf., 2010 DOI: 10.1109/APPEEC.2010.5448665.
8. Kozlovskyi O., Trushakov D., Rendzinyak S. Icing sensor on the overhead powerlines wires. 16th Int. Conf. on Computational Problems of Electrical Engineering (CPEE), 2015. DOI: 10.1109/CPEE.2015.7333345.
9. Motlis Y., Barrett J.S., Davidson G.A. et al. Limitations of the ruling span method for overhead line conductors at high operating temperatures. Power Delivery, IEEE Transactions on. 14, 1999, pp. 549-560. DOI: 10.1109/61.754102.
10. Qiangliang Guo, XiaoguangHu. Power line icing monitoring method using binocular stereo vision. 12th IEEE Conf. on Industrial Electronics and Applications (ICIEA), 2017. DOI: 10.1109/ICIEA.2017.8283149.
11. Sag-tension Calculation Methods for Overhead Lines: CIGRE Technical Brochure. Study Committee B2, 2007.
12. Savadjiev K., Farzaneh M. Modeling of icing and ice shedding on overhead power lines based on statistical analysis of meteorological dataModeling of icing and ice shedding on overhead power lines based on statistical analysis of meteorological data. IEEE Transactions on Power Delivery, 2004, vol. 19, iss. 2. DOI: 10.1109/TPWRD.2003.822527.
FEDOTOV ALEXANDER - Doctor of Technical Sciences, Professor, Leading Researcher of Research and Development Department, Kazan State Power Engineering University, Russia, Kazan (fed.ai@mail.ru).
BASYROV RAFIK - Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Technical Physics Department, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev - KAI, Russia, Kazan (raflkbasyrov@mail.ru).
VAGAPOV GEORGII - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Senior Scientific of Research and Development Department, Kazan State Power Engineering University, Russia, Kazan (vagapov@list.ru).
Формат цитирования: Федотов А.И., Басыров Р.Ш., Вагапов Г.В. Цифровой контроль предельных напряжений проводов высоковольтных воздушных линий // Вестник Чувашского университета. - 2020. - № 1. - С. 203-211.
