Методы борьбы с обледенением проводов контактной сети. Удаление гололёдных отложений с проводов воздушных линий электропередачи современными полупроводниковыми системами

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам, препятствующим образованию гололеда на проводах воздушных высоковольтных линий электропередачи (ЛЭП) без отключения потребителей. Технический результат заключается в простоте и экономичности заявленного устройства, и по возможности, удалении имеющихся ледяных образований без отключения потребителей и без усложнения линии электропередачи, т.е. без добавления дублирующих или обходных проводов. Устройство включает в себя внешний по отношению к ЛЭП источник тока, выполненный с возможностью подключения к токонесущим проводам ЛЭП, при этом источник тока выполнен в виде генератора высокой частоты, выполненного с возможностью обеспечения мощности, рассчитанной по формуле P Г =q·A·ΔT, где q - коэффициент теплоотдачи верхнего горячего слоя провода воздуху, А - площадь поверхности проводов, ΔT - температура нагрева провода относительно температуры окружающей среды; при этом выход генератора подключен к входу согласующего устройства емкостного типа, выполненного с возможностью согласования выходного сопротивления генератора высокой частоты с входным сопротивлением ЛЭП и имеющего число выходов, соответствующее числу проводов ЛЭП. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам, препятствующим образованию гололеда на проводах воздушных высоковольтных линий электропередачи (ЛЭП) без отключения потребителей.

Энергетики рассматривают обледенение ЛЭП в качестве одного из наиболее серьезных бедствий. Это явление характеризуется образованием плотного ледяного осадка при намерзании переохлажденных капель дождя, мороси или тумана преимущественно при температуре от 0 до -5°С на проводах ЛЭП. Толщина гололеда на воздушных высоковольтных ЛЭП может достигать 60-70 мм, существенно утяжеляя провода. Простые расчеты показывают, что, например, масса провода марки АС-185/43 диаметром 19,6 мм длиной 1 км массой 846 кг увеличивается при толщине гололеда в 20 мм в 3,7 раза, при толщине в 40 мм - в 9 раз, при толщине 60 мм - в 17 раз. При этом общая масса линии электропередачи из 8 проводов длиной в 1 км возрастает соответственно до 25, 60 и 115 тонн, что приводит к обрыву проводов и поломке несущих опор.

Подобные аварии приносят значительный экономический ущерб, приостанавливая электроснабжение предприятий и жилых домов. На устранение последствий таких аварий уходит порой значительное время и затрачиваются огромные средства. Такие аварии случаются ежегодно во многих странах северной и средней полосы. Только на территории России крупные аварии по причине гололеда за период с 1971 по 2001 г. многократно происходили в 44 энергосистемах (см. Диагностика, реконструкция и эксплуатация воздушных линий электропередачи в гололедных районах. / И.И.Левченко, А.С.Засыпкин, А.А.Аллилуев, Е.И.Сацук. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007 ). Только одна авария в Сочинских электросетях в декабре 2001 г. привела к повреждению 2,5 тысяч км воздушных линий электропередачи напряжением до 220 кВ и прекращению электроснабжения огромного района (см. ).

Известны многочисленные способы борьбы с этим явлением, основанные на механическом или тепловом воздействии на ледяную корку. При этом предпочтение отдается различным способам плавки льда, поскольку средства механического воздействия зачастую не могут быть применены в труднодоступных горных и лесистых районах. Плавка током - наиболее распространенный способ борьбы с гололедом на проводах воздушных высоковольтных ЛЭП. Лед плавят за счет нагрева несущих или вспомогательных проводов постоянным или переменным током частотой 50 Гц до температуры в 100-130°С (см. , а также Дьяков А.Ф., Засыпкин А.С., Левченко И.И. Предотвращение и ликвидация гололедных аварий в электрических сетях. - Пятигорск, из-во РП «Южэнерготехнадзор», 2000 и Рудакова Р.М., Вавилова И.В., Голубков И.Е. Борьба с гололедом в электросетевых предприятиях. - Уфа, Уфимский Государственный Авиационный Технический университет, 1995 ).

Известен способ удаления гололеда при пропускании тока короткого замыкания по проводам расщепленной фазы линии электропередачи (см. А.С. №587547 ). Ток короткого замыкания является аварийным режимом для линии электропередачи и с большой степенью вероятности может привести к отжигу проводов с последующей необратимой потерей прочности, что недопустимо. Проблема усугубляется тем, что однократного пропускания тока короткого замыкания может быть недостаточно для полного удаления гололеда, и короткие замыкания придется неоднократно повторять, что еще больше утяжелит последствия.

Рассмотрим теоретические основы способа борьбы с гололедом способом короткого замыкания проводов.

Пусть требуемый ток плавки гололеда за счет нагрева провода, на котором он намерз, есть I ПЛ. Тогда при плавке постоянным током требуемое напряжение источника питания

где R ПР - активное сопротивление проводов, а при плавке переменным током от сети

где X ПР =2πFL ПР =314L ПР - реактивное сопротивление, обусловленное индуктивностью проводов L ПР при частоте F=50 Гц. Для отношения этих двух напряжений при одинаковых токах плавки согласно (1) и (2) получим

Поскольку величина К U в линиях значительной длины и сечения из-за относительно большой индуктивности проводов может достигать 5-10, то экономически более выгодно производить плавку постоянным током, при котором напряжение источника питания, а соответственно, и его мощность согласно (3) снижается в 5-10 раз по сравнению с источником переменного тока. Правда, при этом требуется применение специальных мощных высоковольтных выпрямительных установок. Поэтому обычно плавку переменным током применяют на высоковольтных линиях напряжением 110 кВ и ниже, а постоянным - выше 110 кВ. В качестве примера укажем, что ток плавки при напряжении 110 кВ может достигать 1000 А, требуемая мощность - 190 миллион вольт-ампер, температура плавки 130°С (см. и ).

Таким образом, плавка гололеда током является довольно сложным, опасным и дорогостоящим мероприятием с отключением при ее проведении всех потребителей. Кроме того, очистив от гололеда провода, при не изменившихся климатических условиях они вновь обрастают льдом, и требуется вновь и вновь проводить плавку.

Иногда нагрев проводов совмещают с механическим воздействием. Так, например, в патенте РФ №2166826 предложен способ удаления гололеда с проводов контактной сети и линий электропередач, заключающийся в том, что пропускают переменный ток или импульсы тока с частотой, близкой к механическому резонансу, и амплитудой, достаточной для преодоления внешних и внутренних сил трения, причем изменение пропускаемого переменного тока может быть строго периодическим, иметь качающуюся частоту, изменяться по гармоническому закону, иметь форму пачек импульсов с заданными законами изменения частоты, амплитуды и скважности. Параметры пропускаемого по двойным или кратным проводам контактной сети и линий электропередачи электрического тока выбирается так, чтобы привести провода в колебательное движение. Как известно, проводники с однонаправленным протеканием тока притягиваются. Вместе с тем при ударе проводов друг о друга накапливается потенциальная энергия в виде упругой деформации. Следовательно, получается колебательная система, которая при соответствующем подборе частоты, амплитуды и скважности импульсов тока может начать колебаться и войти в резонанс. Ускорение удаления гололеда достигается за счет того, что нагрев проводов будет сопровождаться механическими ударами проводов друг об друга. Уменьшение расходов электроэнергии достигается за счет значительного сокращения времени удаления гололеда с проводов и уменьшения величины пропускаемых токов. Повышение безопасности достигается за счет исключения режимов короткого замыкания. Уменьшение влияния на линии связи, предотвращение отказов радиоэлектронной аппаратуры происходит также за счет отказа от режимов короткого замыкания. Данный способ является весьма сложным в реализации, а кроме того, как и в других рассмотренных способах, необходимо отключать потребителей на период проведения процедуры размораживания.

Наиболее близким к заявляемому устройству является техническое решение, описанное в патенте РФ №2316866 . Прототип характеризуется тем, что устройство состоит из двух изолированных между собой групп проволок, которые с одного конца соединены между собой и с проводом последующего участка воздушной линии, а с другого конца первая группа проволок соединена с проводом предыдущего участка воздушной линии, а между первой и второй группами проволок включен независимый источник напряжения.

Устройство-прототип для предотвращения образования гололеда на воздушной линии показано на Фиг.1 и состоит из первой 1 и второй 2 изолированных между собой групп проволок, которые с одного конца соединены между собой и с проводом последующего участка ЛЭП 3, а с другого - первая группа проволок соединена с проводом предыдущего участка ЛЭП 4, а между первой 1 и второй 2 группами проволок подсоединен независимый источник напряжения 5.

Основной ток линии проходит с провода предыдущего участка ЛЭП 4 на первую группу проволок 1 и затем на провод следующего участка ЛЭП 3. От независимого источника 5 прикладывается напряжение между первой группой проволок 1 и второй группой проволок 2.

Из теоретических расчетов, приведенных авторами прототипа , следует, что для предотвращения образования гололеда, например, на проводе АСУ 95/16 превышение температуры провода относительно окружающей среды должно быть равно 5°С при скорости ветра 3 м/с. В этом случае на проводе должно выделяться 36 кВт/10 км. При номинальном токе этого провода активные потери на длине 10 км составляют 28 кВт/10 км. Поэтому мощность от независимого источника напряжения 5 должна составлять 8 кВт/10 км. Если нагрузка линии отсутствует, то мощность независимого источника 5 должна составлять 36 кВт/10 км.

Если вторая группа проволок является изолированной стальной проволокой диаметром 4,5 мм, то при мощности потерь этой проволоки, составляющей 36 кВт/10 км, напряжение независимого источника 5 составит 2,1 кВ и ток 17 А. При изолированной второй группе проволок, выполненной из алюминия, при мощности потерь 36 кВт/10 км напряжение независимого источника будет 0,8 кВ и ток 45 А.

Независимым источником напряжения может быть трансформатор напряжения, питающийся от сети 0,38 кВ с изоляцией 63 кВ относительно земли для подстанции 110 кВ, либо трансформатор вдали от подстанции, питаемый непосредственно от воздушных линий 110 кВ.

Наиболее привлекательной чертой этого решения является возможность применения его без отключения потребителей. Однако недостатком данного способа является усложнение конструкции всей ЛЭП за счет создания «обходных» групп проволок, принимающих на себя нагрузку в период проведения размораживания основного провода.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы разработать достаточно простое и экономичное устройство для предотвращения образования гололеда на воздушных высоковольтных ЛЭП и, по возможности, удаления имеющихся ледяных образований без отключения потребителей и без усложнения линии электропередачи, т.е. без добавления дублирующих или обходных проводов. При этом для достижения таких результатов желательно, чтобы такое устройство было основано на новом, более эффективном способе. В качестве прототипа способа имеет смысл указать на решение , в котором использован нагрев провода с помощью внешнего источника тока без отключения потребителей.

Технический результат в отношении способа достигается за счет того, что разработан усовершенствованный способ разогрева токонесущих проводов, по меньшей мере, двух проводов, путем подачи на них напряжения высокой частоты, отличительной характеристикой которого является использование скин-эффекта и эффекта бегущей волны для разогрева проводов. При этом заявляемый способ предусматривает выполнение следующих операций:

Подают между двумя проводами линии электропередачи напряжение высокой частоты в диапазоне 50-500 МГц с мощностью Р Г =q·А·ΔT, где q - коэффициент теплоотдачи верхнего горячего слоя провода воздуху, А - площадь поверхности проводов, ΔТ - температура нагрева провода относительно температуры окружающей среды.

Технический результат в отношении устройства достигается за счет того, что заявляемое устройство включает в себя генератор высокой частоты с мощностью, рассчитываемой по формуле: Р Г =q·A·ΔT,

где q - коэффициент теплоотдачи верхнего горячего слоя провода воздуху, А - площадь поверхности проводов, ΔT - температура нагрева провода относительно температуры окружающей среды, при этом выход генератора подключен к входу согласующего устройства емкостного типа, выполненного с возможностью согласования выходного сопротивления генератора высокой частоты с входным сопротивлением ЛЭП и имеющего число выходов, соответствующее числу проводов ЛЭП.

Для лучшего понимания существа заявляемого изобретения далее приводится его теоретическое обоснование со ссылками на соответствующие графические материалы.

Фиг.1. Устройство-прототип.

Фиг.2. Электрическая линия: 2.1) короткое замыкание в линии, 2.2) эквивалентная схема при постоянном токе, 2.3) эквивалентная схема при переменном токе частотой 50 Гц.

Фиг.3. Распределение тока по сечению проводника: 3.1) при постоянном токе и низкой частоте; 3.1) при высокой частоте.

Фиг.4. Двухпроводная линия: 4.1) внешний вид, 4.2) график амплитуды напряжения при бегущей волне, 4.3) при бегущей и отраженной волне.

Фиг.5. Схема подключения высокочастотного генератора к линии электропередачи.

Фиг.6. Графики зависимости: 6.1) поверхностного слоя проникновения тока в проводник, 6.2) относительного удельного сопротивления проводов в зависимости от частоты: 601 - сталь, 602 - алюминий, 603 - медь.

Фиг.7. Зависимость коэффициента преобразования электромагнитной энергии бегущей волны в тепловую от длины линии.

Как известно, термин «скин-эффект» происходит от английского слова «skin», т.е. «кожа»; при этом в электротехнике под этим понимается, что в определенных обстоятельствах электрический ток концентрируется на "коже" проводника (см. ru.wikipedia.org/wiki/Скин-эффект ). Было установлено, что в однородном проводнике переменный ток, в отличие от постоянного, не распределяется равномерно по сечению проводника, а концентрируется на его поверхности, занимая очень тонкий слой (см. Фиг.3), толщина которого при частоте переменного тока f>10 кГц определяется по формуле

где σ (Ом·мм 2 /м) - удельное электрическое сопротивление при постоянном токе; µ о =1,257·10 6 (В·с/А·м) - магнитная постоянная; µ - относительная магнитная проницаемость (для немагнитного материала µ=1) f - частота в МГц.

Графики функции δ(f) согласно (4) для трех материалов (стали - 601, алюминия - 602 и меди - 603) показаны на Фиг.6.1. Утончение слоя, по которому протекает переменный ток, влечет к увеличению сопротивления проводника радиусом r (мм), определяемого при (r/2δ)>10 по формуле

где R o =σ/πr 2 - сопротивление того же проводника длиной в 1 м постоянному току.

Графики функции R f (f)//R o при r=10 мм, показывающие, как возрастает сопротивление проводника с частотой для трех материалов (стали - 601, алюминия - 602 и меди - 603), показаны на Фиг.6.2. Из них, например, следует, что при частоте 100 МГц и выше сопротивление алюминиевых проводов возрастает в 600 и более раз.

Что касается эффекта «бегущей электромагнитной волны», то, как известно (см., например, izob.narod.rn/p0007.html ), возможны два основных способа распространения электромагнитных волн: в свободном пространстве при излучении антенной и с помощью волноводов и фидерных или так называемых длинных линий - коаксиальных, полосковых и двухпроводных - (см. Каганов В.И. Колебания и волны в природе и технике. Компьютеризированный курс. - М.: Горячая линия - Телеком, 2008 ). Во втором случае электромагнитная волна, словно по рельсам, скользит вдоль линии. Поскольку два провода линии электропередачи можно рассматривать как двухпроводную линию (Фиг.4.1), то остановимся на ее анализе. Сама линия характеризуется тремя основными параметрами: волновым сопротивлением ρ, постоянной затухания α и фазовой постоянной β. Волновое сопротивление двухпроводной линии, протянутой в воздухе

где а - расстояние между центрами проводов, r - радиус провода (см. Фиг.4.1) Постоянная затухания

где R f - сопротивление одного провода на высокой частоте, определенное согласно (5).

Фазовая постоянная β=2π/λ, (1/м), где λ (м) - длина волны, распространяющейся в линии.

В самой двухпроводной, как и других фидерных линиях, возможны два основных режима работы: только с бегущей волной в одном направлении и с двумя волнами - бегущей и отраженной от конца или препятствия в линии. Предположим, что линия бесконечно длинная. Тогда в ней возможен только режим бегущей волны, напряжение которой зависит от времени t и расстояния х от генератора (Фиг.4.2):

где U 0 - амплитуда напряжения на входе линии, к которой подключен генератор с частотой f.

Согласно (8) амплитуда бегущей волны, распространяющейся вдоль линии, уменьшается по экспоненциальному закону (Фиг.6 и 7). Следовательно, мощность бегущей электромагнитной волны на расстоянии L от генератора составит:

где Р Г =(U 0)) 2 /2ρ - мощность волны в начале линии, равная выходной мощности высокочастотного генератора.

Разность между мощностью бегущей волны в начале линии и на расстоянии L будет определять тепловой нагрев линии, по которой распространяется волна

Коэффициент преобразования электромагнитной энергии бегущей волны W в тепловую в линии длиной L (м) с учетом (10) составит:

Графики функции η(L) при трех значениях постоянной затухания α (1/км) построены на фиг.7. Из них следует, что чем больше сопротивление проводов линии R f , определяемое (5), и соответственно постоянная затухания α, определяемая (7), тем большая часть энергии электромагнитного поля бегущей волны вдоль линии преобразуется в тепло. Именно этот эффект преобразования электромагнитной энергии в тепловую, идущую на нагрев проводов при высокой частоте сигнала, и положен в основу заявляемого способа предотвращения гололеда на линиях электропередачи.

В случае ограниченных размеров линии или какого-либо высокочастотного препятствия, например емкости, в линии помимо падающей будет распространяться и отраженная волна, энергия которой также будет преобразовываться в тепло по мере ее распространения от препятствия к генератору. Амплитуды изменения вдоль линии обеих волн - падающей и отраженной - показаны на Фиг.4.3.

Для расчета тепловой отдачи определим на конкретном примере, какая мощность

Р Г высокочастотного генератора частотой f, подключенного к линии электропередачи, потребуется для разогрева двух проводов на ΔT градусов. Учтем следующие обстоятельства. Во-первых, тонкий верхний слой провода под действием электромагнитной волны прогревается практически мгновенно при высоком значении объемного выделения тепла. Во-вторых, это тепло расходуется на нагрев всего провода (О М) и окружающего провод воздуха путем конвекции (Q B) (см. Фиг.3.2).

Примем следующие исходные данные: материал провода - алюминий диаметром 10 мм, сечение S=78,5 мм 2 , длина L=5000 м, плотность р=2710 кг/м 3 , удельное сопротивление на постоянном токе σ=0,027 Ом·мм 2 /м, удельная теплоемкость с=896 Дж/кг·К, коэффициент теплоотдачи верхнего горячего слоя провода воздуху q=5 Вт/м·К.

Масса двух проводов:

Поверхность двух проводов:

Количество теплоты, требующейся для нагрева двух проводов на ΔТ=13°С:

Теплоотдача двух проводов в окружающую среду при разности температур ΔТ=13°С:

где t время в секундах.

Из последнего выражения получим для требуемой мощности высокочастотного генератора Р Г =20,4 кВт, т.е. 2 Вт мощности высокочастотного колебания на 1 м провода при объемном выделении тепла в верхнем слое провода в 8 МВт/м 3 . Попутно заметим, что при том же типе провода для освобождения его от гололеда путем плавки с циклом до 40 мин требуется мощность в 100 В·А на 1 метр (см. и ).

Приравняв выражения для энергии, найдем величину времени для установления стационарного режима разогрева проводов:

Для проверки высказанных выше теоретических положений и доказательства промышленной применимости заявляемого способа и устройства был проведен лабораторный эксперимент.

Из предварительных расчетов был сделан вывод о том, что в качестве генератора высокочастотного сигнала можно использовать мощные радиопередатчики УКВ ЧМ вещания, работающие в диапазоне частот 87,5…108 МГц, изменив в них только устройство согласования с нагрузкой и подключив к линии электропередачи согласно схеме Фиг.5.

В экспериментальном варианте генератор 502 мощностью 30 Вт частотой 100 МГц был подключен через согласующее устройство 501 к двухпроводной линии длиной 50 м, разомкнутой на конце, с проводами диаметром в 0,4 мм и расстоянием между ними в 5 мм. Волновое сопротивление такой линии согласно (6):

Под действием бегущей электромагнитной волны температура нагрева двухпроводной линии составила 50-60°С при окружающей температуре воздуха 20°С. Результаты эксперимента с удовлетворительной точностью совпали с результатами расчета, выполненного согласно приведенным математическим выражениям.

При этом были сформулированы следующие выводы:

Заявляемый способ разогрева линий электропередачи путем распространяющейся по ней электромагнитной волны, энергия которой по мере распространения переходит в тепло, позволяет нагревать провода на 10-20°С, что должно предотвратить образование гололеда;

Наиболее целесообразным является применение заявляемого способа и устройства для предотвращения образования гололеда на проводах, поскольку для устранения уже образовавшейся ледяной «шубы» потребуются значительно большие энергозатраты и более длительная процедура;

По сравнению с применяемым в настоящее время способом плавки гололеда заявляемый способ обладает рядом преимуществ, в частности, учитывая тот факт, что способ реализуется без отключения потребителей, имеется возможность в профилактических целях проводить нагрев линии до образования плотного ледяного осадка на проводах, что позволяет нагревать их до 10-20°С, а не до температуры 100-130°С, необходимой для плавки гололеда;

Возрастающее по мере возрастания частоты переменного тока сопротивление проводов (в приведенном примере на частоте в 100 МГц сопротивление по сравнению с частотой 50 Гц возрастает на три порядка) позволяет получить высокий коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую и, тем самым, снизить мощность генератора.

1. Способ борьбы с гололедом на линиях электропередачи, заключающийся в том, что без отключения потребителей на токонесущие провода подают от внешнего источника ток, разогревающий провод, отличающийся тем, что подают между двумя проводами линии электропередачи напряжение высокой частоты в диапазоне 50-500 МГц с мощностью R Г =q·A·ΔT, где q - коэффициент теплоотдачи верхнего горячего слоя провода воздуху, А - площадь поверхности проводов, ΔT - температура нагрева провода относительно температуры окружающей среды.

2. Устройство для борьбы с гололедом, включающее в себя внешний по отношению к ЛЭП источник тока, выполненный с возможностью подключения к токонесущим проводам ЛЭП, отличающееся тем, что внешний источник тока выполнен в виде генератора высокой частоты, выполненный с возможностью обеспечения мощности, рассчитанной по формуле Р Г =q·A·ΔT, где q - коэффициент теплоотдачи верхнего горячего слоя провода воздуху, А - площадь поверхности проводов, ΔT - температура нагрева провода относительно температуры окружающей среды; при этом выход генератора подключен к входу согласующего устройства емкостного типа, выполненного с возможностью согласования выходного сопротивления генератора высокой частоты с входным сопротивлением ЛЭП и имеющего число выходов, соответствующее числу проводов ЛЭП.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам, препятствующим образованию гололеда на проводах воздушных высоковольтных линий электропередачи без отключения потребителей

Методы борьбы с обледенением ЛЭП

Научный руководитель – д. т.н., профессор

1. Введение

Несмотря на многолетние усилия энергетиков и ученых, гололедные аварии в электрических сетях многих энергосистем по-прежнему вызывают наиболее тяжелые последствия и периодически дезорганизуют электроснабжение регионов страны.

Борьба с обледенением проводов ЛЭП осуществляется 3 методами:

1 –механический; 2 – физико-химический; 3 – электромеханический.

1) Механический способ

Механический способ заключается в применении специальных приспособлений, которыми производится сбивание льда с проводов. Самый простой способ механического удаления гололеда – сбивание при помощи длинных шестов. Обивка осуществляется боковыми ударами, вызывающие волнообразное колебание провода. Но этот способ требует доступа к ЛЭП, что нарушает нормальную работу участка. К тому же механическое воздействие не препятствует обледенению, а устраняет его.

https://pandia.ru/text/80/410/images/image006_24.jpg" align="left" width="292" height="271 src=">

Удаление гололеда с проводов шестами практически неосуществимо без большого количества рабочих. Этот метод требует много времени и применяется только на коротких участках линий, из-за чего в большинстве случаев признается нецелесообразным. Поэтому в настоящее время наиболее распространенным способом борьбы с гололедом на проводах ЛЭП является плавка гололеда переменным или постоянным током большой величины в течение продолжительного периода времени (около100 минут и более). При этом расходуется значительное количество энергии и требуется отключение линии от потребителей на длительный срок.

2) Электротермический способ

Электротермический способы удаления льда заключаются в нагреве проводов электрическим током, обеспечивающим предотвращение образования льда – профилактический подогрев или его плавку.

Профилактический подогрев проводов заключается в искусственном повышении тока в сети ЛЭП до такой величины, при которой провода нагреваются до температуры выше 0°С. При такой температуре гололед на проводах не откладывается. Профилактический подогрев необходимо начинать до образования гололеда. При профилактическом подогреве следует применять такие схемы питания, которые не требуют отключения потребителей.

Плавка гололеда на проводах осуществляется при уже образовавшемся гололеде путем искусственного повышения тока сети ЛЭП. Провода нагревают постоянным или переменным током частотой 50 Гц до температуры 100-130°С. Сделать это проще, замкнув накоротко два провода, при этом от сети приходится отключать всех потребителей.

Плавка гололеда переменным током применяется только на линиях с напряжением ниже 220 кВ с проводами сечением меньше, чем 240 мм2. Для ВЛ напряжением 220 кВ и выше с проводами сечений 240 мм2 и более плавка гололеда переменным током требует значительно больших мощностей источника питания.

Преимущество этого метода, это то что он снижает энергозатраты. Однако к недостаткам такого метода можно отнести следующее: необходимость постоянного подогрева проводов для предотвращения гололедообразования, высокая стоимость источников высокочастотного тока необходимой мощности.

3) Физико-химический метод

Физико-химический способ в отличие от других предотвращает появления обледенения проводов. Полученные результаты позволяют говорить о новом физико-химическом методе в борьбе с обледенением проводов ЛЭП, эффективность которого существенно превышает возможности традиционных методов. Также этот метод не требует каких либо больших экономических затрат. Поэтому он является более перспективным. Единственным недостатком физико-химического метода является то, что срок действия таких жидкостей недолог, а регулярно наносить их на сотни и тысячи километров проводов нереально.

4) Замена проводов.

Метод заключается в том, чтобы не изобретать никаких второстепенных приборов для очистки проводов ото льда, а создать новые высокотехнологичные провода. Эти провода должны выполнять следующие требования:

Увеличить пропускную способность существующих линии;

Снизить механические нагрузки, прикладываемые к опорам ЛЭП, из-за пляски проводов;

Повышение коррозионной стойкости проводов и тросов;

Снижение риска обрыва провода при частичном повреждении нескольких внешних проволок из-за внешних воздействий, в том числе в результате удара молнии;

Улучшение механических свойств проводов при налипании снега или образовании льда

Для этого, внешние слои провода нужно выполнять из таких проводников которые будут плотно прилегать друг к другу.

Таким образом, за счет более плотной скрутки проводников и более гладкой внешней поверхности возможно использование более тонких и более легких проводов. Это, в свою очередь приводит к снижению электрических потерь в проводах на 10 – 15 %, в том числе потери на корону, и повышению механической прочности конструкции. Также, благодаря плотной скрутке практически исключается проникновение во внутренние слои воды и загрязнений, следовательно снижается коррозия внутренних слоев провода.

3. Заключение

Из-за неэффективности механического и физико-химического метода на больших расстояниях, то об экономической стороне, говорить не будем.

В данный момент, образовавшийся гололёд на проводах очищают подогревом. Это не является самым дешевым способом, так как этот способ требует мощных и дорогих источников питания. Таким образом, плавка гололёда током - довольно неудобное, сложное, опасное и дорогостоящее мероприятие. Кроме того, очищенные провода при сохранившихся климатических условиях вновь обрастают льдом, который требуется плавить снова и снова.

Следует отметить, что плавка гололеда должна проводиться в районах интенсивного гололедообразования с частой пляской проводов. В других случаях применение плавки гололеда должно обосновываться технико-экономическими расчетами.

Срок эксплуатации проводов составляет 45 лет. Нужно переходить на новые высокотехнологичные провода. Зарубежные провода стоят очень дорого, стоимость в 10 раз превышает стоимость проводов АС. Предлагается разработать отечественные высокотехнологичные провода и начать заменять старые на новые.

Список используемой литературы

1. Способ удаления обледенения с проводов линий электропередач / , : пат. 2442256 C1 Росс. Федерация, МПК H 02 G 7/16.; № 000/07 ; заявл. 29.10.2010 ; опубл. 10.02.2012, Бюл. № 4. 4с.: ил.

2. , Емельянов борьбы с обледенением ЛЭП: перспективы и преимущества новых супергидрофобных покрытий. //Журнал ЭЛЕКТРО № 6/2011. http://www. ess. ru/.

3. Дьяков и ликвидация гололедных аварий в электрических сетях. Пятигорск: Изд-во РП «Южэнерготехнадзор», 2000. 284 с.

4. Абжанов P. C. Исследование осаждения аэрозолей применительно к процессу гололедообразования на проводам ЛЭП / Дис. канд. техн. наук Алма - Ата,1973.

5. , К вопросу о борьбе с гололедным образованием на проводах линий электропередач // Научн. Тр. ЧИМЗСХ – Челябинск, 1973, вып.83, с.34-36.

6. , АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА УДАЛЕНИЯ ЛЬДА С ПРОВОДОВ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ

Доктор технических наук В. КАГАНОВ, профессор МИРЭА.

За последние пятнадцать лет гололёд на высоковольтных линиях стал возникать всё чаще. При небольшом морозе, в условиях мягкой зимы, на проводах оседают капельки тумана или дождя, покрывая их плотной ледяной «шубой» весом несколько тонн на длине километр. В результате провода рвутся, а опоры линий электропередач ломаются. Участившиеся аварии на ЛЭП связаны, по-видимому, с общим потеплением климата и потребуют немало сил и средств на их предотвращение. Готовиться к ним нужно заранее, но традиционный способ плавления гололёда на проводах малоэффективен, неудобен, дорог и опасен. Поэтому в Московском институте радиоэлектроники и автоматики (МИРЭА) разработана новая технология не просто уничтожения уже намёрзшего льда, но позволяющая загодя предотвращать его образование.

Наука и жизнь // Иллюстрации

уски льда на проводах, изоляторах и несущих конструкциях порой достигают значительных размеров и массы.

Многотонные слои льда на проводах ломают даже стальные и железобетонные опоры.

Экспериментальный генератор на 100 МГц мощностью 30 Вт, собранный в МИРЭА.

Гололёд - бедствие для линий электропередач

Согласно словарю Даля, гололёд имеет и другое название - ожеледь или ожеледица. Гололёд, то есть плотная ледяная корка, образуется при намерзании переохлаждённых капель дождя, мороси или тумана при температуре от 0 до –5°С на поверхности земли и различных предметов, в том числе проводах высоковольтных линий электропередач. Толщина гололёда на них может достигать 60-70 мм, существенно утяжеляя провода. Простые расчеты показывают, что, например, провод марки АС-185/43 диаметром 19,6 мм километровой длины имеет массу 846 кг; при толщине гололёда 20 мм она увеличивается в 3,7 раза, при толщине 40 мм - в 9 раз, при толщине 60 мм - в 17 раз. При этом общая масса линии электропередачи из восьми проводов километровой длины возрастает соответственно до 25, 60 и 115 тонн, что приводит к обрыву проводов и поломке металлических опор.

Подобные аварии приносят значительный экономический ущерб, на их устранение уходит несколько дней и затрачиваются огромные средства. Так, по материалам фирмы «ОГРЭС», крупные аварии по причине гололёда за период с 1971 по 2001 год многократно происходили в 44 энергосистемах России. Только одна авария в сочинских электросетях в декабре 2001 года привела к повреждению 2,5 тыс. км воздушных линий электропередач напряжением до 220 кВ и прекращению электроснабжения огромного района. Много аварий гололёдного происхождения было и минувшей зимой.

Наиболее подвержены гололёду высоковольтные линии электропередач на Кавказе (в том числе и в районе предстоящей в 2014 году зимней сочинской Олимпиады), в Башкирии, на Камчатке, в иных районах России и других стран. Бороться с этим бедствием приходится очень дорогим и крайне неудобным способом.

Плавка электрическим током

Ледяную корку на высоковольтных линиях ликвидируют, нагревая провода постоянным или переменным током частотой 50 Гц до температуры 100-130°С. Сделать это проще всего, замкнув накоротко два провода (при этом от сети приходится отключать всех потребителей). Пусть для эффективного растапливания ледяной корки на проводах требуется ток I пл. Тогда при плавке постоянным током напряжение источника питания

U 0 = I пл R пр,

где R пр - активное сопротивление проводов, а переменным током от сети -

где X пр = 2FL пр - реактивное сопротивление при частоте F = 50 Гц, обусловленное индуктивностью проводов L пр.

В линиях значительной длины и сечения из-за относительно большой их индуктивности напряжение источника переменного тока при частоте F = 50 Гц, а соответственно и его мощность должны быть в 5-10 раз больше по сравнению с источником постоянного тока той же силы. Поэтому экономически выгодно плавить наледь постоянным током, хотя для этого нужны мощные высоковольтные выпрямители. Переменный ток применяют обычно на высоковольтных линиях напряжением 110 кВ и ниже, а постоянный - выше 110 кВ. В качестве примера укажем, что при напряжении 110 кВ сила тока может достигать 1000 А, требуемая мощность - 190 млн В·А, температура провода 130оС.

Таким образом, плавка гололёда током - довольно неудобное, сложное, опасное и дорогостоящее мероприятие. Кроме того, очищенные провода при сохранившихся климатических условиях вновь обрастают льдом, который требуется плавить снова и снова.

Прежде чем изложить сущность предлагаемого нами метода борьбы с гололёдом на проводах высоковольтных линий электропередач, остановимся на двух физических явлениях, первое из которых связано со скин-эффектом, второе - с бегущей электромагнитной волной.

Скин-эффект и бегущие волны

Название эффекта происходит от английского слова «skin» - кожа. Скин-эффект состоит в том, что токи высокой частоты, в отличие от постоянного тока, не распределяются равномерно по сечению проводника, а концентрируются в очень тонком слое его поверхности, толщина которого при частоте f > 10 кГц составляет уже доли миллиметра, а сопротивление проводов возрастает в сотни раз.

Электромагнитные колебания высокой частоты могут распространяться в свободном пространстве (при излучении антенной) и в волноводах, например, в так называемых длинных линиях, по которым электромагнитная волна скользит, словно по рельсам. Такой длинной линией может служить пара проводов линии электропередачи. Чем больше сопротивление проводов линии, тем большая часть энергии электромагнитного поля бегущей вдоль линии волны преобразуется в тепло. Именно этот эффект и положен в основу нового способа предотвращения гололёда на линиях электропередач.

В случае ограниченных размеров линии или какого-либо высокочастотного препятствия, например ёмкости, в линии помимо падающей будет распространяться и отражённая волна, энергия которой также будет преобразовываться в тепло по мере её распространения от препятствия к генератору.

Расчёты показывают, что для защиты от гололёда ЛЭП длиной порядка 10 км нужен высокочастотный генератор мощностью 20 кВт, то есть отдающий 2 Вт мощности на метр провода. Стационарный режим разогрева проводов при этом наступает через 20 минут. А при том же типе провода применение постоянного тока требуется мощность 100 Вт на метр с выходом на режим за 40 минут.

Токи высокой частоты генерируют мощные радиопередатчики УКВ ЧМ-вещания, работающие в диапазоне 87,5-108 МГц. Их можно подключать к проводам ЛЭП через устройство согласования с нагрузкой - линией электропередачи.

Для проверки эффективности предложенного метода в МИРЭА был проведён лабораторный эксперимент. Генератор мощностью 30 Вт, частотой 100 МГц подключили к двухпроводной линии длиной 50 м, разомкнутой на конце, с проводами диаметром 0,4 мм и расстоянием между ними 5 мм.

Под действием бегущей электромагнитной волны температура нагрева двухпроводной линии составила 50-60°С при температуре воздуха 20°С. Результаты эксперимента с удовлетворительной точностью совпали с результатами расчётов.

Выводы

Предлагаемый способ требует, конечно, тщательной проверки в реальных условиях действующей электросети с проведением полномасштабных экспериментов, ибо лабораторный эксперимент позволяет только дать первую, предварительную оценку новому способу борьбы с гололёдом. Но некоторые выводы из всего сказанного всё-таки можно сделать:

1. Разогрев линий электропередач токами высокой частоты позволит предотвращать образование гололёда на проводах, поскольку можно нагреть их до 10-20°С, не дожидаясь образования плотного льда. Отключать от электрической сети потребителей не придётся - высокочастотный сигнал к ним не проникнет.

Подчеркнём: способ позволяет не допускать появления гололёда на проводах, а не начинать с ним бороться после того, как ледяная «шуба» их окутает.

2. Поскольку провода можно нагревать всего на 10-20°С, то по сравнению с плавкой, требующей нагрева проводов до 100-130°С, значительно уменьшается расход электроэнергии.

3. Так как сопротивление проводов токам высокой частоты по сравнению с промышленной (50 Гц) резко возрастает, коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую оказывается велик. Это в свою очередь приводит к снижению требуемой мощности. На первых порах, по всей видимости, можно ограничиться частотой около 100 МГц генератора мощностью 20-30 кВт, воспользовавшись существующими вещательными радиопередатчиками.

Литература

Дьяков А. Ф., Засыпкин А. С., Левченко И. И. Предотвращение и ликвидация гололедных аварий в электрических сетях. - Пятигорск: Изд-во РП «Южэнерготехнадзор», 2000.

Каганов В. И. Колебания и волны в природе и технике. Компьютеризированный курс. - М.: Горячая линия - Телеком, 2008.

Левченко И. И., Засыпкин А. С., Аллилуев А. А., Сацук Е. И. Диагностика, реконструкция и эксплуатация воздушных линий электропередачи в гололедных районах. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007.

Рудакова Р. М., Вавилова И. В., Голубков И. Е. Борьба с гололёдом в электросетевых предприятиях. - Уфа: Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т, 1995.

Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. - М.: Наука, 1974.

Поскольку эффективная эксплуатация ветроэнергетических установок возможна лишь там, где дуют сильные и постоянные ветры, в Европе крупные ветропарки сосредоточены, главным образом, на севере и северо-западе континента. Ветры там, действительно, вполне подходящие. А вот климат - не очень-то.

Суровые зимы, столь характерные для Скандинавии, создают весьма серьезную проблему - обледенение лопастей. А оно чревато сразу несколькими неприятностями, говорит шведский метеоролог Стефан Сёдерберг (Stefan Söderberg), научный сотрудник компании Weathertech в Упсале: "Когда на лопастях образуется ледяная корка, их аэродинамические характеристики заметно ухудшаются - точно так же, как это иногда происходит с самолетами. В результате производительность ветроэнергетической установки падает. Это - во-первых. Во-вторых, наледь нарушает балансировку ветроколеса, что приводит к повышенному износу подшипников и ветрогенератора в целом. Ну и наконец, нельзя не учитывать опасности, связанные с тем, что куски льда с концов вращающихся лопастей могут срываться и разлетаться на значительные расстояния".

Оптимальную систему выберет компьютер

С такого рода неприятностями эксплуатационники сталкиваются на севере Европы изо дня в день каждую зиму. Понятно, что инженерная мысль все это время не дремала, а разрабатывала различные технические решения проблемы обледенения лопастей. Собственно, решений этих не так уж много, вопрос лишь в том, какое из них наиболее эффективно в тех или иных конкретных условиях эксплуатации. Отвечать на него до сих пор приходилось интуитивно, то есть практически наобум.

Теперь же Стефан Сёдерберг совместно с группой коллег разработали компьютерную модель, позволяющую виртуально испытывать разные стратегии борьбы с обледенением лопастей ветросиловых установок и выбирать оптимальную для каждого отдельного ветропарка. Ученый поясняет: "И системы устранения обледенения, и системы предотвращения обледенения состоят, как правило, из трех компонентов: детектора, блока управления и собственно нагревательной системы. В системах устранения обледенения отопление лопастей включается, как только детектор зарегистрирует образование наледи. В системах же предотвращения обледенения отопление включается в тот момент, когда погодные условия делают образование наледи вероятным, то есть не дожидаясь формирования реальной ледяной корки".

Вертолет - средство дорогое, но эффективное

Все это, конечно, замечательно, но как быть, если ветроэнергетические установки вообще не оборудованы системой подогрева лопастей - а таких пока большинство? По крайней мере, на севере Швеции многие сотни ветряков не имеют встроенных систем борьбы с обледенением. Для таких случаев весьма интересную идею выдвинул Ханс Едда (Hans Gedda), инженер консалтинговой фирмы H Gedda Consulting в Будене.

Контекст

Он предложил бороться с обледенением ветроколес с помощью вертолета. Конечно, это удовольствие, прямо скажем, недешевое, но при определенных условиях может себя окупить, считает автор необычной идеи: "Если вы ожидаете в ближайшие дни оптимальных погодных условий, то есть сильного и устойчивого ветра, а ваши ветрогенераторы из-за обледенения отключены и не могут производить электроэнергию, то освободить их ото льда, пусть даже и с вертолета, имеет прямой смысл".

Лопасти опрыскиваются горячей противообледенительной жидкостью не все сразу, а по очереди одна за другой. Подвергаемая этой процедуре лопасть всегда должна быть направлена вертикально вниз, то есть после завершения обработки одной лопасти ветроколесо следует провернуть так, чтобы следующая лопасть заняла такое же положение. Это обязательно и очень важно, подчеркивает Ханс Едда, иначе куски подтаявшего льда, сорвавшись с большой высоты, могут при падении повредить остальные лопасти или ступицу.

Обледенение - явление почти повсеместное

"Мы надеемся, что вся эта процедура в целом займет не более двух часов, иначе она обойдется слишком дорого, - говорит инженер. - Но если потом освобожденные ото льда установки проработают при хорошем ветре минимум двое суток, этого будет достаточно, чтобы эта вертолетная операция себя окупила".

Там, где борьба с обледенением ветрогенераторов не ведется, среднегодовые потери - вернее, среднегодовая упущенная прибыль, - составляет от пяти до десяти процентов, а в некоторых регионах достигает 20 процентов.

Причем эта проблема касается не только Скандинавии, - говорит Стефан Сёдерберг: "Обледенение имеет место во многих регионах мира - практически повсюду, где зимой идет снег. Все, что нужно для этого эффекта - температура ниже нуля и высокая влажность воздуха. А переохлажденная вода может присутствовать в атмосфере при температурах до минус двадцати градусов. То есть вероятность обледенения лопастей ветроустановок высока и в Германии. Когда я еще только начинал заниматься этой тематикой, речь всегда шла лишь о регионах с очень суровым климатом - вроде Скандинавии. Действительно, здесь у нас в Швеции, как и в Норвегии, и в Дании, - зимы очень холодные. Но обледенение-то может возникать и при температурах лишь незначительно ниже нуля".

Тем не менее, в Германии, похоже, этим вопросом пока всерьез никто не озаботился. А потому здесь, в отличие от Скандинавии, при первых же признаках обледенения лопастей ветрогенераторы положено просто отключать. Системой же подогрева и вовсе оборудована одна-единственная ветроустановка - на всю страну.

Обледенение - опасное явление, ухудшающее характеристики и качества конструкций, их прочность и, в конечном счете, долговечность и безопасность. Обледенение значительно увеличивает лобовое сопротивление ветру, что может привести к разрушению конструкций и механизмов.

Обледенение вызывает аварии линий электропередач, что дает лишний повод задуматься о средствах их защиты и проведении мероприятий. Основные средства защиты против обледенения - подогрев или специальные антиобледенительные составы.

В мировой практике для создания антиобледенительных покрытий наиболее широко используют органосиликатные композиции. Они используются для борьбы с обледенением различных приборов и устройств, используемых в производственно – хозяйственном комплексе, например, линий электропередач.

В отдельных районах севера гололед и различные виды обледенения проводов ЛЭП нарушают нормальную их эксплуатацию. Провода ЛЭП часто подвергаются обледенению, в связи с чем нарушается целостность единой системы, приводящей к авариям и даже катастрофам.

Традиционными основными мероприятиями борьбы с наледью на ЛЭП являются: удаление наледи с проводов и тросов электрическим током или механическим способом, а также профилактический прогрев проводов.

Механический способ требует очень много времени и значительных трудозатрат, в большинстве случаев не признается целесообразным. Плавка наледи электрическим током, в большинстве случаев, является опасной для целостности проводов и конструкций опор. Энергоемкость таких схем очень велика.

Предлагаемый метод борьбы с наледью на проводе линии индукционным током этой же линии, посредством перемещения«индукционной торпеды» от одной точки крепления провода до другой, в пределах одного пролета, является новым направлением в борьбе с обледенением высоковольтных линий.

Преимущества этого метода:

Полная автономия передвижения «торпеды» в пределах одного пролета;

Возможность выбора в установке «торпед» в наиболее уязвимых для обледенения участках высоковольтных линий;

Несоизмеримо меньшие энергозатраты в сравнении с существующими способами;

Возможность дистанционного пуска и остановки «торпеды» по команде диспетчера посредством кодированного сигнала по ВЧ связи. Между этими сигналами – полное самоуправление посредством системы контактов конечных выключателей;

Снижение вероятности обрыва проводов высоковольтных линий и разрушения несущих элементов опор, исключение «пляски проводов»;

Надежность в эксплуатации и долговечность, простота конструкции и дешевизна в изготовлении;

Отсутствие необходимости в обслуживании «торпеды» в течение всего времени ее использования.


Провода линий не выдерживают тяжести снега и льда, что приводит к их повреждению и даже к разрыву. Результатом чего, будет необходимо проведение электромонтажных работ по восстановлению линий электропередач. Эффективно используется управляемое устройство плавки гололеда, в котором используется тиристорный управляемый выпрямитель. Оно специально предназначено для борьбы с гололедообразованием на высоковольтных линиях электропередач. Необходимо отметить, что раньше для плавки льда на станции использовали нерегулируемый выпрямитель. Особенностью современного устройства является то, что он мгновенно реагирует на ток плавки гололеда, тем самым не допуская перегрева проводов и грозотросов, так как волоконно-оптические линии связи, встроенные в грозозащитные тросы линий электропередач не приемлют такого воздействия. К тому же управление данным устройством существенно проще, чем его предшественником. Он на порядок ускоряет процесс плавки, при этом, не требуя повышения мощности установленного трансформаторного оборудования. Контроль над работой установок можно производить из Центра управления сетями в режиме реального времени.


3.3 Эксплуатация кабельных линий до 35 кв
Надзор за трассами кабельных линий производится в целях проверки их состояния периодическим обходом и осмотром специально выделенными для этого монтерами в сроки, предусмотренные ПТЭ, и инженерно-техническим персоналом в сроки, предусмотренные местными инструкциями.

1.Внеочередные обходы и осмотры производятся в период паводков и после ливней, а также при отключении линий релейной защитой.

2.При обходах и осмотрах трасс кабельных линий, проложенных на открытых территориях, необходимо:

· проверить, чтобы на трассе не производились несогласованные с эксплуатирующей организацией работы (строительство сооружений, раскопка земли, посадка растений, устройство складов, забивка свай, столбов и т.п.), а также, чтобы не было завалов трасс снегом, мусором, шлаком, отбросами, не было провалов и оползней грунта;

· осматривать места пересечения кабельных трасс с железными дорогами, обращая внимание на наличие предупредительных плакатов;

· осматривать места пересечения кабельных трасс шоссейными дорогами, канавами, кюветами;

· осматривать состояние устройств и кабелей, проложенных по мостам, дамбам, эстакадам и другим подобным сооружениям;

· проверять в местах выхода кабелей на стены зданий или опоры воздушных линий электропередачи наличие и состояние защиты кабелей от механических повреждений, исправность концевых муфт;

3. При обходах и осмотрах трасс кабельных линий, проложенных на закрытых территориях, кроме выполнения требований п.2 необходимо:

· привлекать к участию в осмотре трассы представителя организации, ответственного за охрану кабелей и других, относящихся к ним сооружений;

· при выявлении дефектов на трассах линий вручать предписания об их устранении;

· в случае выявления не устраненных в установленный при предыдущем осмотре срок недостатков, составлять протокол о нарушении.