способ и устройство для борьбы с гололедом на линиях электропередачи

Формула изобретения

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· T, где q - коэффициент теплоотдачи верхнего горячего слоя провода воздуху, А - площадь поверхности проводов, T - 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· T, где q - коэффициент теплоотдачи верхнего горячего слоя провода воздуху, А - площадь поверхности проводов, T - 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.

Описание изобретения к патенту

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 [1]). 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. [1]).

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. [1], 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 [2] и Рудакова Р.М., Вавилова И.В., Голубков И.Е. Борьба с гололедом в электросетевых предприятиях. - Уфа, Уфимский Государственный Авиационный Технический университет, 1995 [3]).

Известен способ удаления гололеда при пропускании тока короткого замыкания по проводам расщепленной фазы линии электропередачи (см. А.С. № 587547 [4]). 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=2 FL_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. [1] и [3]).

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 [5] 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 [6]. Прототип [6] 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 [6], 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 [5], 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· T, где q - коэффициент теплоотдачи верхнего горячего слоя провода воздуху, А - площадь поверхности проводов, Т - 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· T,

где q - коэффициент теплоотдачи верхнего горячего слоя провода воздуху, А - площадь поверхности проводов, T - 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 [7]). 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 (Ом·мм²/м) - удельное электрическое сопротивление при постоянном токе; µ_о=1,257·10⁶ (В·с/А·м) - магнитная постоянная; µ - относительная магнитная проницаемость (для немагнитного материала µ=1) f - частота в МГц.

Графики функции (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/2 )>10 по формуле

где R_o= / r² - 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 [8]), 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 [9]). 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 , постоянной затухания и фазовой постоянной . 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 =2 / , (1/м), где (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 U₀ - 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=(U₀)) ²/2 - 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 (L) при трех значениях постоянной затухания (1/км) построены на фиг.7. Из них следует, что чем больше сопротивление проводов линии R_f, определяемое (5), и соответственно постоянная затухания , 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 T 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 мм², длина L=5000 м, плотность р=2710 кг/м³, удельное сопротивление на постоянном токе =0,027 Ом·мм²/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 Т=13°С:

Теплоотдача двух проводов в окружающую среду при разности температур Т=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/м³. 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. [1] и [3]).

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.