устройство для определения предельных гололедных нагрузок на проводах линии электропередачи

Формула изобретения

Устройство для определения предельных гололедных нагрузок на проводах линии электропередачи, включающее установленный в корпусе чувствительный элемент, кинематически связанный с преобразователем перемещения в электрический сигнал, содержащим кодирующее устройство и взаимодействующее с ним считывающее устройство, отличающееся тем, что чувствительный элемент установлен на ножевой опоре и выполнен в виде качающейся траверсы, меньшее плечо которой связано с контролируемым проводом линии электропередачи, а большее плечо соединено с кодирующим устройством преобразователя через механический дискретизатор, состоящий из размещенных в корпусе звеньев, обеспечивающих преобразование фиксируемых предельных значений нелинейно изменяющихся гололедных нагрузок в линейное перемещение кодирующего устройства преобразователя с заданным шагом квантования, и контролирующего звена, выполненного в виде качающегося рычага, установленного на корпусе, рабочее плечо которого кинематически связано с кодирующим устройством преобразователя с возможностью перемещения звеньев, обеспечивающих преобразование фиксируемых предельных значений нелинейно изменяющихся гололедных нагрузок в линейное перемещение кодирующего устройства преобразователя с заданным шагом квантования, а на другое плечо которого прикладываются с земли усилия, моделирующие предельные гололедные нагрузки, обеспечивающие бесперебойную работу контролируемой линии электропередачи, а считывающее устройство преобразователя выполнено в виде одного или группы герметизированных контактов, формирующих получаемый цифровой сигнал на выходе преобразователя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано для определения и регистрации гололедных нагрузок на проводах линии электропередачи с использованием каналов телемеханики и связи.

Известно устройство для определения гололедной нагрузки, в котором датчик содержит чувствительный элемент; выполненный в виде штока гидроцилиндра, а также преобразователь перемещения штока в электрический сигнал с механическим устройством настройки датчика на конкретный уровень нагрузки, с гидравлической схемой управления срабатывания и возврата в исходное состояние, которая настраивается на один вес /АС 752587 кл. Н 02 G 7/16, 1980/.

Недостатками данного устройства является исполнение датчика, включающего чувствительный элемент, с ограниченным диапазоном измерения и сигнализации, настроенного лишь на одно значение гололедной нагрузки, сложную конструкцию устройства управления срабатыванием и возвратом в исходное состояние, находящуюся с ним в одном корпусе, что не позволяет осуществлять диагностику работоспособности устройства без снятия напряжения с линии электропередачи и фиксирование других предельных значений гололедной нагрузки на нее.

Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является устройство для контроля гололедных нагрузок, содержащее датчик, в корпусе которого установлен чувствительный элемент, кинематически связанный с преобразователем перемещения в электрический сигнал, имеющим кодирующее и считывающее устройства, с регулируемой кинематической связью между чувствительным элементом и преобразователем, позволяющим измерять только гололедную нагрузку (патент России 2109386 М. кл. Н 02 G 7/16, 1998).

Недостатком указанного устройства является наличие общего корпуса для чувствительного элемента и преобразователя, кинематическая связь которых имеет ограниченные возможности регулировки различных предельных гололедных нагрузок на провода линии электропередачи, что требует создания фактически новых устройств для каждого диапазона измерения с более жесткими требованиями к его разрешающей способности, что снижает функциональные возможности устройства.

Известные устройства для определения гололедных нагрузок имеют на сегодня сравнительно невысокий технический уровень, что обусловлено особенностями компоновки чувствительного элемента и преобразователя на траверсе, большим объемом избыточной информации, снимаемой с преобразователя текущих значений гололедных нагрузок, тем самым не обеспечивается возможность упрощения всего устройства и системы передачи информации по предельным нагрузкам, невозможна диагностика и профилактика устройства без снятия напряжения с линии электропередачи, тем самым снижается ресурс работы устройства и ограничиваются эксплуатационные возможности для любых типов линий электропередачи.

В этой связи важнейшей задачей является создание нового принципа взаимодействия чувствительного элемента, воспринимающего в рабочем диапазоне измерений нелинейно изменяющиеся текущие гололедные нагрузки, и преобразователя, формирующего сигналы путем прямой или косвенной модуляции параметров носителя лишь об ограниченном числе предельных гололедных нагрузок, которые выдаются считывающим устройством 12, взаимодействующим с кодирующим устройством 9, линейное перемещение которого обеспечивается посредством введения нового устройства - механического дискретизатора 8.

За счет минимизации объема измеряемой информации формируется ограниченное число сигналов о предельных гололедных нагрузках, повышается достоверность реального состояния критических нагрузок на опору в самых слабых местах линий электропередачи, повышается надежность системы передачи информации, в процессе функционирования которой достигается бесперебойная работа контролируемой линии электропередачи и всех электрических сетей без их отключения.

Техническим результатом является создание новой системы взаимодействия устройства с линиями электропередачи, подверженными гололедным явлениям, включающей новую схему измерения и регулирования процесса нелинейного преобразования значений гололедных нагрузок с определением достоверных значений предельных гололедных нагрузок в рабочем режиме, что позволяет увеличить диапазон измерений и повысить достоверность информации о реальном состоянии предельных нагрузок на опоры линий электропередачи, тем самым расширяются функциональные и эксплуатационные возможности устройства, гарантирующие исключение аварийных ситуаций.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для определения предельных гололедных нагрузок на проводах линии электропередачи, включающее установленный в корпусе чувствительный элемент, кинематически связанный с преобразователем перемещения в электрический сигнал, содержащим кодирующее устройство и взаимодействующее с ним считывающее устройство, снабжено чувствительным элементом, установленным на ножевой опоре и выполненным в виде качающейся траверсы, меньшее плечо которой связано с контролируемым проводом линии электропередачи, а большее плечо соединено с кодирующим устройством преобразователя предельных гололедных нагрузок через механический дискретизатор, выполненный в виде звеньев, фиксирующих предельные значения нелинейно изменяющихся гололедных нагрузок в линейное перемещение кодирующего устройства с заданным шагом квантования преобразователя, считывающие элементы которого выполнены в виде одного или группы герметизированных контактов, формирующих получаемый цифровой сигнал, при этом механический дискретизатор снабжен контролирующим звеном, выполненным в виде качающегося рычага, установленного на его корпусе, рабочее плечо которого кинематически связано с кодирующим устройством цифрового преобразователя с возможностью перемещения звеньев, фиксирующих предельные значения нелинейно изменяющихся гололедных нагрузок в рабочем диапазоне, а на другое плечо качающегося рычага прикладываются с земли усилия, моделирующие предельные гололедные нагрузки, обеспечивающие бесперебойную работу контролируемой линии электропередачи.

Сущность нового устройства для определения предельных гололедных нагрузок на проводах линии электропередачи заключается в том, что введен новый принцип взаимодействия чувствительного элемента и кинематически связанного с ним преобразователем перемещения в электрический сигнал, заключающийся в том, что независимо от значений нелинейно изменяющейся на провод гололедной нагрузки, размеров чувствительного элемента, типа линии электропередачи, кодирующее устройство перемещается дискретно, линейно и в одном и том же рабочем диапазоне, что обеспечивает возможность изготовления одного преобразователя предельных гололедных нагрузок (например, четырех): 1) отсутствие гололеда; 2) начало гололеда; 3) необходима плавка гололеда; 4) аварийная гололедная нагрузка на опору. Это в свою очередь позволит существенно снизить стоимость устройства и приступить к эффективной борьбе с гололедными явлениями на линиях электропередачи.

Взяв за основу критические гололедно-ветровые нагрузки на элементы линии электропередачи, вводится новый принцип минимизации измеряемой информации при помощи механического дискретизатора.

Введение нового устройства, а именно механического дискретизатора, преобразующего нелинейное перемещение чувствительного элемента в линейное перемещение кодирующего устройства с заданным шагом квантования посредством контролирующих звеньев, сделало возможным фиксирование предельных значений гололедных нагрузок как уровней квантования рабочего диапазона измерений преобразователя, значения которых определяются из критической нагрузки на конкретную траверсу опоры любого типа линии электропередачи. Предложенная конструкция механического дискретизатора, кинематически связанного с чувствительным элементом, защищает преобразователь от помех, возникающих от ветра, вибрации и пляски проводов и др., что обеспечивает надежную и помехоустойчивую работу преобразователя. Размещение на нем контролирующего звена, кинематически связанного с кодирующим устройством, позволяет осуществлять контроль и диагностику работоспособности всего устройства с земли без отключения линии электропередачи, чем обеспечиваются существенные удобства эксплуатации, уменьшаются затраты на нее, повышается надежность и ресурс устройства в целом.

Приведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного решения, позволил установить, что заявителем не установлен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого решения по совокупности признаков, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию "изобретательного уровня" заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение для специалиста не следует явным образом из известного уровня техники.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень".

На фиг.1 изображена общая схема устройства, на фиг.2 - схемы работы преобразователя перемещения в электрический сигнал, формирующего 4 сигнала в виде кодовых комбинаций с выходами типа "сухой контакт". На фиг.3 - схемы работы механического дискретизатора со звеном контроля (показано пунктиром).

Устройство для определения предельных гололедных нагрузок на проводах линии электропередачи состоит из чувствительного элемента 1, выполненного в виде качающейся траверсы и установленного на ножевой опоре 2, закрепленной к траверсе 3 опоры 4, к меньшему плечу которой l₁ подсоединяется через изоляторы 5 провод 6, а большее плечо ₂ через связь 7 соединяется через механический дискретизатор 8 с кодирующим устройством 9 преобразователя перемещения в электрический сигнал 10 (фиг.1, 2).

Преобразователь перемещения в электрический сигнал 10 содержит корпус 11, в котором размещены герметизированные контакты на размыкание 12 и напротив них магниты 13 (I, II, III). Между герметизированными контактами 12 и магнитами 13 размещается взаимодействующее с ними кодирующее устройство 9 с возможностью перемещения на расстояние S под действием плеча l₂ чувствительного элемента 1 через входное звено 14 механического дискретизатора 8. Предельные значения нелинейно изменяющихся фиксированных гололедных нагрузок преобразуются в линейное перемещение кодирующего устройства 9, имеющего заданный шаг квантования, определяемый разрешающей способностью чувствительных элементов 12.

При определении предельных гололедных нагрузок учитывается критическая нагрузка на траверсу опоры линии электропередачи, прочность проводов и за основу принимают реальные предельные нагрузки, соответствующие кодовым сигналам в преобразователе 10. Кодирующим устройством 9 для каждого уровня квантования преобразователя 10 (фиг. 2) формируются установленные кодовые сигналы, например: а) сигнал "111", что означает: "отсутствие гололеда на проводах"; б) сигнал "110", что означает: "начало гололедообразования"; в) сигнал "100", что означает: "требуется плавка гололеда"; г) сигнал "000", что означает "аварийная гололедная нагрузка".

Задаваясь постоянным шагом квантования преобразователя 10, обеспечивают линейное перемещение кодирующего устройства 9 в заданном диапазоне измерений, получают электрические сигналы путем прямой или косвенной модуляции носителя информации, используют один или группу герметизированных контактов для каждого считывающего элемента соответственно а), б), в) и г) (фиг.2). И получают кодовые значения предельных гололедных нагрузок посредством дискретизации по уровню сформированного диапазона перемещения кодирующего устройства 9 по зависимости N = S/q, где q - шаг квантования по уровню; S - диапазон линейных перемещений кодирующего устройства 9; N - число значений предельных гололедных нагрузок, соответствующих а), б), в), г).

Перемещение кодирующего устройства 9 осуществляется в заданном диапазоне измерений посредством механического дискретизатора 8, выполненного в виде звеньев 14, 15, 16, фиксирующих предельные значения нелинейно изменяющихся гололедных нагрузок в линейные перемещения кодирующего устройства 9 с заданным шагом квантования, каждое звено которого эквивалентно соответствует значениям а), б), в), г), (фиг.3) предельных гололедных нагрузок. При этом механический дискретизатор 8 состоит из трех звеньев 14, 15, 16, размещенных в корпусе 17, обеспечивающих преобразование фиксируемых предельных значений нелинейно изменяющихся гололедных нагрузок в линейное перемещение кодирующего устройства 9 с заданным шагом квантования на фиг.3 а), б), в), г). Считывающие элементы преобразователя 10 в виде одного или группы герметизированных контактов 12 обеспечивают формирование кодовых сигналов прямой или косвенной модуляцией носителя информации посредством взаимодействия с ними кодирующего устройства 9, экранирующего воздействие магнитов I, II, III (фиг.2) на герконы 12 (логическая "1") или не экранирующего воздействие магнитов I, II, III на герконы 12 (логический "0"). Количество герконов и их тип (не показан) не ограничивают возможности считывающих элементов, которые являются и выходными элементами, обеспечивая и сигналы с выходами типа "сухой контакт".

На корпусе 17 механического дискретизатора 8 установлено контролирующее звено 18, выполненное в виде качающегося рычага, рабочее плечо которого кинематически связано с кодирующим устройством 9 преобразователя 10, обеспечивающее моделирование установленных рабочих режимов по перемещению звеньев, фиксирующих предельные значения гололедных нагрузок в установленном рабочем диапазоне, при этом контролируются выходные сигналы преобразователя 10 и работоспособность звеньев 14, 15, 16 механического дискретизатора 8 посредством другого плеча качающегося рычага, прикладывая на него с земли моделирующие воздействия, тем самым определяют значения кодовых сигналов о планируемых и установленных нагрузках на контролируемую опору. В случае необходимости корректируют вес звеньев 14, 15, 16. Все эти действия не требуют отключения контролируемой линии электропередачи при любых условиях ее работы, чем обеспечивается бесперебойная работа линии электропередачи, тем самым предотвращаются критические нагрузки на опоры, специфические для каждого региона в зависимости от категории гололедности и метеорологических условий, и исключаются поломки и обрывы проводов при своевременном использовании средств борьбы с гололедными аварийными ситуациями.

Настройка параметров устройства для определения предельных гололедных нагрузок на траверсу опоры.

Рассчитывают исходную (от весов провода, изоляторов и крепежных изделий) нагрузку Р_и на траверсу опору. Это первая предельная нагрузка, чему соответствует позиция а) на фиг. 2 и 3 преобразователя 10 и механического дискретизатора 8. Эта позиция фиксируется звеном (уставкой) 14, вес которой определяется нагрузкой Р_и и конструкцией чувствительного элемента 1.

Далее рассчитывают вторую предельную гололедную нагрузку Р_п - вес гололеда на проводе при толщине стенки круглого гололеда, например, 20 мм, при котором необходима плавка. Эта предельная нагрузка фиксируется звеном 15, рассчитанным под вес Р_п с учетом конструкции чувствительного элемента 1. Ситуация, когда на провод воздействует нагрузка Р_п, показана на позиции в) фиг. 2 и 3 преобразователя 10 и механического дискретизатора 8 соответственно.

Третья предельная гололедная аварийная нагрузка P_а - вес гололеда на проводе, при котором близка аварийная ситуация (порыв проводов, падение опоры и т.д.) определяется толщиной стенки круглого гололеда, например, в 50 мм. Эта предельная нагрузка фиксируется звеном 16, рассчитывается под вес Р_а с учетом конструкций чувствительного звена. Ситуация, когда на провод действует аварийная гололедная нагрузка, показана на позиции г) фиг.2 и 3 преобразователя 10 и механического дискретизатора 8 соответственно.

И четвертая предельная гололедная нагрузка: начало гололедообразования Р_н определяется чувствительностью устройства, то есть минимальной толщиной стенки гололеда (например, 0,51 мм), при которой чувствительный элемент срабатывает и перемещает кодирующее устройство 9 (см. позиции б) фиг. 2 и фиг.3 соответственно).

Устройство работает следующим образом

При отсутствии гололеда чувствительный элемент 1 со стороны плеча l₁ нагружен на начальный вес Р_н, а со стороны плеча l₂ - через кинематическую связь 7 сбалансирован уставкой 14 (фиг.3, а) и находится в положении, показанном на фиг. 1, а кодирующее устройство 9 преобразователя 10 занимает исходное (нижнее) положение (все герконы замкнуты) - формируется код "111".

При нарастании гололеда на проводе воздушной линии дополнительная нагрузка Р_доп<Р действует па плечо l₁ чувствительного элемента 1. А поскольку Р_доп меньше веса гололеда при толщине его стенки, требующей плавки, то чувствительный элемент 1 поворачивается и через кинематическую связь 7 перемещает кодирующее устройство точно на величину q (фиг.3, б), так как уставка 15 препятствует его перемещению. Нормально закрытый герметизированный контакт, размещенный напротив магнита I, размыкается и на выходе преобразователя формируется код "110".

При дальнейшем нарастании гололеда на проводе воздушной линии вес гололеда, воздействующий на плечо l₁, преодолевает усилие, создаваемое уставкой 15 механического дискретизатора, и плечо l₂ чувствительного элемента 1, поднимая через кинематическую связь 7 уставки 14 и 15 на q (фиг.3, в), и кодирующее устройство 9 еще перемещается на q и второй нормально закрытый геркон, расположенный напротив магнита II, размыкается (фиг.2, в) и на выходе преобразователя появляется код "100".

И, наконец если стенка гололеда достигает аварийной величины, то вес гололеда, воздействующий на чувствительный элемент 1 аналогично предыдущим случаям (фиг.3, г), поднимет через кинематическую связь 7 уставки 14,15, 16 на q. Сработает 3-ий геркон, размещенный против III магнита, и на выходе преобразователя появится код "000". Рабочее плечо чувствительного элемента занимает самое верхнее положение.

После плавки гололеда или таяния льда на проводах воздушной линии чувствительный элемент 1, уставки 14, 15, 16 блока дискретизации 8 и кодирующее устройство 9 возвращаются в исходное состояние (фиг.1, фиг.3, а и фиг.2, а - соответственно).

Если на провод воздушной линии электропередачи, кроме рассмотренных значений предельных гололедных нагрузок, будут действовать дополнительные усилия за счет ветра, вибрации или пляски провода, то в зависимости от знака и от того, при каком значении предельной гололедной нагрузки они действуют, имеется возможность их вычисления программными средствами на диспетчерском пульте современной системы телемеханики.

Если имеются возможности определения начала гололедообразования другими средствами или формируются другие требования к измеряемой информации, то число предельных нагрузок может быть уменьшено до 3,2 или увеличено на заданное число значений.

Работа контролирующего звена 18 осуществляется с земли без отключения контролируемой линии электропередачи, на опоре которой подвешено устройство определения предельных гололедных нагрузок, посредством воздействия на второе плечо контролирующего звена усилиями, моделирующими предельные значения гололедных нагрузок Р_м1-Р_мN, проверяя при этом значения кодовых сигналов с преобразователя 10. При Р_м1 кодирующее устройство 9 находится в исходном положении. На выходе преобразователя 10 должна быть кодовая комбинация "111", что соответствует позиции а) фиг.2 и фиг.3. При Р_м2 кодирующее устройство 9 перемещается на один шаг квантования. На выходе преобразователя 10 должна быть кодовая комбинация "110", что соответствует позициям б) фиг.2 и фиг. 3. При Р_м3 кодирующее устройство 9 перемещается еще на один шаг квантования. На выходе преобразователя 10 должна быть кодовая комбинация "100", что соответствует позициям в) фиг.2 и фиг.3. При Р_м4 кодирующее устройство 9 перемещается еще на один шаг квантования. На выходе преобразователя 10 должна быть кодовая комбинация "000", что соответствует позициям г) фиг.2 и фиг. 3.

Если кодовые комбинации не соответствуют установленным, то обнаруживают соответствующую неисправность и устраняют. Проверка работоспособности устройства может быть осуществлена в любых погодных условиях и режимах работы линии электропередачи без ее отключения.

Таким образом, вышеизложенное свидетельствует о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:

- устройство для определения предельных гололедных нагрузок на проводах линии электропередачи, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в системах борьбы с гололедными явлениями на линиях электропередачи, позволяет создать новую экономическую систему телеконтроля и упростить эксплуатационные характеристики ЛЭП;

- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждено его осуществление в соответствии с описанием и прилагаемыми чертежами;

- устройство для определения предельных гололедных нагрузок на проводах линии электропередачи способно обеспечивать достижение усматриваемого заявителем технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость".