Кувшинов А.А., д.т.н., Тольяттинский государственный университет;
Карманов В.Ф., генеральный директор,
Ахметжанов Н.Г., главный специалист ООО «Энергия Т» (г. Тольятти);
Шкуропат И.А., к.т.н., ЗАО «ГК «Электрощит ТМ-Самара», г. Самара;
Галиев И.Т., аспирант кафедра ИИТ НИУ МЭИ,
Александров Н.М., аспирант кафедры АЭЭС СамГТУ;
Хренников А.Ю., д.т.н., АО «НТЦ ФСК ЕЭС»

Введение

При эксплуатации воздушных линий (ВЛ) электропередач в ряде регионов возникает серьезная проблема обледенения проводов в осенне-зимний период, поскольку среднее время ликвидации гололёдных аварий превышает среднее время ликвидации аварий, вызванных другими причинами, в 10 и более раз. Исследования показывают, что гололёдные отложения на проводах ВЛ происходят при температуре воздуха около минус 5 °С и скорости ветра 5-10 м/с. Допустимая толщина стенки гололёдной муфты составляет от 5 до 20 мм для ВЛ напряжением 3–330 кВ, расположенных в климатических районах по гололёду I–IV категорий .

В качестве пассивной меры борьбы с гололёдом могут использоваться различные провода повышенной прочности. Например, провод АССС (Aluminum Conductor Composite Core - алюминиевый провод с композитным сердечником из различных материалов . Сердечник проводника ACCC стабилен по размерам, поскольку коэффициент термического расширения (1,6.10-6 °С-1) почти на порядок меньше, чем у стали (11,5.10-6 °С-1). Поэтому провода ACCC позволяют длительное время выдерживать высокую температуру, предотвращая образование гололёда.

Следует также отметить провод Aero-Z®, который состоит из одного или нескольких концентрических слоев круглых проволок (внутренние слои) и проволок сечением в виде «Z» (внешние слои). Каждый слой провода имеет скрутку по длине, выполненную с определенным шагом. Гладкая поверхность снижает ветровые нагрузки на 30-35 % и препятствует налипанию снега и льда. Однако провод Aero-Z® имеет ограничение на плавку гололёда, поскольку не допускает длительного повышения температуры свыше 80 °С.

В целом же практическая реализация пассивных методов борьбы с гололёдом возможна только при проектировании и введении в строй новых линий электропередач. Реконструкция «старых» ВЛ связана со значительными затратами.

Поэтому не теряет актуальности задача разработки активных методов борьбы с гололёдными отложениями на проводах ВЛ. К числу традиционных методов можно отнести плавку гололёда на проводах ВЛ переменным током путем искусственного создания коротких замыканий или постоянным током с использованием неуправляемых или управляемых выпрямительных блоков . Однако в первом случае возможно повреждение проводов ВЛ, а во втором случае дорогостоящие выпрямительные блоки большую часть календарного года не используются. Вместе с тем современное состояние элементной базы силовой электроники открывает дополнительные возможности и стимулирует разработку новых методов борьбы с гололёдными отложениями, свободных от указанных недостатков. Вопросам исследования гололёдообразования и борьбы с гололёдными отложениями посвящено большое количество научных публикаций. В данной работе ставится задача систематизации и сравнительного анализа существующих способов борьбы с гололёдными отложениями, решение которой позволит выбирать из имеющегося множества технических решений наиболее рациональное для местных условий.

Классификация способов борьбы с гололёдом

Известные устройства и способы используют следующие виды физического воздействия для удаления гололёдно-изморозевых отложений с проводов линий электропередач (рисунок 1):

• термическое воздействие путем нагрева провода до температуры 120-130 °С, при котором происходит расплавления гололёдной муфты, или путем профилактического нагрева проводов на 10-20 °С для предотвращения образования гололёда;
• термодинамическое воздействие путём предварительного разогревания до формирования подтопленной прослойки между проводом и ледяной муфтой и последующего «встряхивания проводов силой Ампера», возникающей при пропускании мощного импульса тока;
• электромеханическое воздействие путём периодического пропускания импульсов тока, вызывающих механические колебания проводов и разрушение гололёдной муфты; эффективность электромеханических воздействий усиливается при таких параметрах импульсов тока, которые вызывают механический резонанс;
• механическое воздействие путём перемещения шнеков вдоль провода с использованием энергии ветра, энергию электромагнитного поля фазного тока ВЛ, постоянных магнитов, линейного асинхронного двигателя или создания вибраций проводов с помощью генератора механических колебаний (в дальнейшем не рассматриваются, поскольку практически не используются).

Рисунок 1 – Классификация способов удаления гололёдных отложений с проводов ВЛ:

УВ – управляемый выпрямитель;

СТК – статический тиристорный компенсатор;

ПЧ – преобразователь частоты;

НПЧ – непосредственный преобразователь частоты;

УПК – устройство продольной компенсации

Следует только отметить общий недостаток механических систем, который заключается в необходимости ручной установки на провод, снятия с провода, а также перевеса с одного провода на другой. Для этого необходима специальная техника (автовышка) и обслуживающий персонал, что повышает эксплуатационные затраты и затрудняет использование в труднодоступных районах.

Термическое воздействие переменным током

Плавка гололёда переменным током применяется на ВЛ напряжением ниже 220 кВ с проводами сечением менее 240 мм2 . Источником питания служат, как правило, шины 6-10 кВ подстанций или отдельный трансформатор. Схема плавки гололёда должна выбираться таким образом, чтобы обеспечить протекание по проводам ВЛ тока в 1,5-2 раза превышающего длительно допустимый ток. Такое превышение оправдано кратковременностью процесса плавки (~1 ч), а также более интенсивным охлаждением провода в зимний период. Для сталеалюминиевых проводов типа АС сечением 50-185 мм2 ориентировочная величина одночасового тока плавки гололёда лежит в пределах 270-600 А, а тока, предупреждающего образование гололёда на проводах, - в пределах 160-375 А.

Однако только за счёт выбора схемы плавки гололёда зачастую невозможно подобрать необходимую величину тока короткого замыкания. Превышение указанных выше значений тока плавки может привести к отжигу проводов с последующей необратимой потерей прочности. При меньших значениях однократного пропускания тока короткого замыкания может оказаться недостаточно для полного удаления гололёда. Тогда короткие замыкания приходится неоднократно повторять, что дополнительно утяжеляет последствия.

Избежать указанных негативных последствий позволяет использование тиристорного регулятора переменного напряжения, схема которого представлена на рисунке 2 . В режиме плавки гололёда выключатель 7 выключен, выключатель 8 включен. Возможные способы регулирования тока плавки – импульсно-фазовый посредством изменения углов включения силовых тиристоров 1, 2 и 3 или широтно-импульсный – посредством изменения количества периодов подачи напряжения.

Рисунок 2 – Установка для компенсации реактивной мощности и плавки гололёда

В режиме компенсации реактивной мощности выключатель 7 включен, а выключатель 8 выключен. В этом случае силовые тиристоры 1, 2, 3 и реакторы 4, 5, 6 образуют тиристорно – реакторную группу, соединённую в треугольник, которая является элементом статического тиристорного компенсатора. Авторы допускают также возможность использования конденсаторов вместо реакторов. В этом случае компенсация реактивной мощности будет осуществляться с помощью регулируемой конденсаторной батареи.

Однако независимо от способа регулирования плавка гололёда осуществляется переменным током промышленной частоты и требует значительных мощностей источника питания (десятки MB.А), поскольку активное сопротивление проводов воздушной линии значительно меньше индуктивного сопротивления. Полная мощность источника увеличивается за счёт большой и бесполезной для плавки гололёда реактивной нагрузки. Повысить эффективность плавки можно путем продольной ёмкостной компенсации индуктивного сопротивления в случае использования конденсаторов в составе предлагаемой установки. Однако авторы такую возможность не рассматривали.

Заслуживает внимания комбинированная установка для компенсации реактивной мощности и плавки гололёда, схема которой представлена на рисунке 3 . В режиме плавки гололёда выключатель 7 включен, шунтируя реактор 6, выключатель 9 отключает конденсаторную батарею 8, а выключатель 10 включен. При этом возможна плавка на всех проводах воздушной линии одновременно.

Рисунок 3 – Комбинированная установка для компенсации реактивной мощности и плавки гололёда

В режиме компенсации реактивной мощности выключатели 7 и 10 отключены, а выключатель 9 включен. В результате образуется типовая схема статического компенсатора на базе транзисторных модулей 1, 2 и 3, реакторов 5, 6 на стороне переменного тока и конденсаторной батареи 8 на стороне постоянного тока. Такая структура может работать как в режиме генерации, так и в режиме потребления реактивной мощности.

Существенным недостатком установки, изображённой на рисунке 3, является неполное использование вентильной части в режиме плавки. Это объясняется тем, что ток плавки протекает только через «нижние» ключи фаз 1, 2 и 3 преобразовательного моста. Для преобразования мостовой схемы в три ключа переменного тока потребуется дополнительное коммутационное оборудование и существенное усложнение силовой схемы.

Термическое воздействие постоянным током

Впервые плавка гололёда постоянным током в качестве перспективного направления борьбы с гололёдными отложениями на фазных проводах ВЛ отмечалась в . К числу первых серийных установок плавки гололёда постоянным током можно отнести преобразователи ВУКН–16800-14000, выполненные по схеме Ларионова на базе кремниевых неуправляемых вентилей ВК-200 с выпрямленным напряжением 14 кВ, выпрямленным током 1200 А и выходной мощностью 16800 кВт . Схемы плавки гололёда выпрямленным током детально рассмотрены в .

К недостаткам метода следует отнести то, что ВЛ необходимо отключать, а выпрямительный блок большую часть календарного года не используется, поскольку необходимость плавки гололёда возникает только в зимний период. Можно отметить предложение плавки гололёда пульсирующим током без отключения ВЛ . Выпрямительный блок включается в рассечку обогреваемого провода таким образом, чтобы постоянный ток не протекал по обмоткам силовых трансформаторов и трансформаторов тока. Обогрев проводов осуществляется пульсирующим током, содержащим переменную составляющую, определяемой нагрузкой ВЛ, и постоянную составляющую, определяемой выпрямленным напряжением и активным сопротивлением контура плавки. Однако такое предложение не увеличивает степени использования выпрямительных блоков, а для практической реализации требует дополнительного коммутационного оборудования.

В этой связи вполне оправданны попытки расширения функциональных возможностей путем совмещения в одной установке выпрямительного блока для плавки гололёда и устройства для компенсации реактивной мощности. Это открывает возможность круглогодичной эксплуатации оборудования, что существенно повышает его экономическую эффективность.

В ОАО «НИИПТ» разработано преобразовательное устройство контейнерного типа для комбинированной установки плавки гололёда и компенсации реактивной мощности (рисунок 4) .

Рисунок 4 – Схема преобразовательного устройства контейнерного типа (а) и комбинированной установки (б) плавки гололёда и компенсации реактивной мощности

В состав преобразовательного устройства (рисунок 4) входит:

• транспортный контейнер 1,
• тиристорные модули 2 с блоками управления 3,
• система принудительного воздушного охлаждения 4,
• разъединитель 5 с электромеханическим приводом 6,
• анодный 7, катодный 8 и фазный 9 выводы преобразовательного моста,
• система управления, регулирования, защиты и автоматики 10,
• разъединители 11, 12 и конденсаторные батареи 13.1, 13.2 и 13.3.

Силовое оборудование предназначено для эксплуатации в районах с умеренным и холодным климатом (исполнение УХЛ 1) и размещено в закрытом стальном контейнере, устанавливаемом на открытой части фундамента подстанции. Силовое питание осуществляется от обмотки 10 кВ выделенного трансформатора. Из преобразовательных устройств, изображённых на рисунке 4а, собирается комбинированная установка, схема которой показана на рисунке 4б.

В режиме плавки гололёда разъединители 11, 12 замкнуты (рисунок 4б), разъединители 5 (рисунок 4а) разомкнуты. Собирается схема трёхфазного мостового выпрямителя, который обеспечивает номинальное выпрямленное напряжение 14 кВ, номинальный ток плавки 1400 А и регулирование тока плавки в диапазоне 200-1400 А.

В режиме компенсации реактивной мощности разъединители 11 и 12 разомкнуты, а разъединители 5 замкнуты. Собирается схема конденсаторной батареи 13.1, 13.2 и 13.3, управляемой тиристорными модулями 2, соединенными встречно - параллельно. Однако в режиме компенсации возможно только ступенчатое регулирование реактивной мощности.

Последнего недостатка удается избежать в комбинированной установке для плавки гололёда и компенсации реактивной мощности, схема которой представлена на рисунке 5 (разработка ОАО «НИИПТ») .

Рисунок 5 – Комбинированная установка для плавки гололёда и компенсации реактивной мощности

В состав комбинированной установки входят питающий трансформатор 1, трёхфазные разъединители 2 и 16, трёхфазные реакторы 3 и 15, высоковольтный мостовой преобразователь 4, конденсаторная батарея постоянного тока 5, однофазные разъединители 6 и 7, система управления 8, сборки 9-14 полностью управляемых приборов с обратными диодами и резонансный трансформатор 17.

В режиме плавки гололёда разъединители 6, 7 и 16 включены. Плавка осуществляется постоянным током. Регулирование тока плавки осуществляется способом высокочастотной ШИМ. Например, при прохождении тока нагрузки через диоды сборок 13 и 10 полностью управляемый прибор из сборки 9 или 14 подключается в режиме ШИМ. При этом кратковременно образуется контур двухфазного короткого замыкания 9 – 10 или 13 – 14. Нагрузка шунтируется, и ток плавки регулируется. Скорость нарастания тока короткого замыкания ограничивается реактором 3. За счёт выбора частоты и коэффициента модуляции ШИМ запирание тиристора происходит раньше увеличения тока короткого замыкания до опасного уровня. При этом интервал проводимости тиристора меньше, чем в режиме компенсации реактивной мощности. В режиме компенсации реактивной мощности разъединители 6, 7 и 16 выключены. Высоковольтный мостовой преобразователь 4 работает в режиме «СТАТКОМ».

По мнению ряда авторов, которые опираются на собственный опыт работы, только от 7 до 30 % длины нагреваемого провода во время плавки действительно покрыто гололёдом. Это объясняется тем, что отдельные участки ВЛ за счет углов поворота и невозможностью предсказать направление ветра в момент образования гололёда оказываются в различных климатических условиях. Соответственно, значительная часть электроэнергии расходуется впустую. В этой связи, предложена мобильная установка, которая позволяет выезжать на участки ВЛ, в которых обнаружено обледенение проводов.

Мобильный генератор для плавки гололёда на проводах ВЛ выполняется на автомобильной платформе, питание (0,4 кВ) трёхфазного выпрямительного моста осуществляется от двух дизель-генераторов ADV320 по 320 кВт каждый. Предусмотрены проводники с клеммами для подключения к проводам ВЛ и электрические шины для соединения проводов на пролёте между опорами по схеме плавки гололёда. Рассмотренное техническое решение обеспечивает плавку гололёда на длине двух пролётов воздушной линии на фазных проводах и грозозащитном тросе.

Общим недостатком всех устройств, реализующих термическое воздействие постоянным током, является необходимость применения схемы плавки гололёда «провод – провод» или «провод – два провода». В любом случае увеличивается время плавки и соответственно затраты электроэнергии. Для уменьшения времени плавки предпочтение следовало бы отдать схеме плавки «три провода – земля», однако заземляющие устройства подстанций не рассчитаны, как правило, на сравнительно длительное протекание постоянного тока величиной до 2000 А.

Термическое воздействие током ультранизкой частоты

Техническое содержание данного вида воздействия заключается в том, что плавку производят током низкой частоты, формируемым трёхфазным автономным инвертором напряжения, а эффективное значение тока плавки задают и поддерживают на требуемом уровне изменением величины напряжения питания .

При частоте выходного напряжения автономного инвертора в десятые доли Гц и ниже величина тока в проводах линии ограничивается практически только активным сопротивлением. В результате увеличивается допустимая длина воздушной линии по сравнению с плавкой переменным током промышленной частоты, упрощается организации плавки, сокращается продолжительность процесса плавки гололёда, уменьшается количество дополнительного коммутационного оборудования.

Схема комбинированной установки для плавки гололёда и компенсации реактивной мощности, реализующей предложенный способ, представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 – Комбинированная установка для плавки гололёда и компенсации реактивной мощности

В состав комбинированной установки входят трёхфазные мостовые преобразователи на полностью управляемых полупроводниковых ключах 1 и 7, трёхполюсные выключатели 2, 5, 8, 9, трёхфазные дроссели 3, 4, конденсаторная батарея 6 и система управления 10.

В режиме плавки гололёда выключатели 5 и 8 включены, а выключатель 9 отключен. Мостовой преобразователь 1 работает в режиме управляемого выпрямителя, а мостовой преобразователь 7 работает в режиме трёхфазного автономного инвертора напряжения. Плавка осуществляется одновременно на трёх проводах воздушной линии. В режиме компенсации реактивной мощности выключатели 5 и 8 выключены, а выключатель 9 включен. Мостовые преобразователи 1 и 7 работают параллельно.

Угол включения выбирается несколько меньше 180°. Из сети потребляется активная мощность, необходимая для поддержания напряжения на конденсаторной батарее 6. На стороне мостовых преобразователей 1 и 7 переменного тока формируется переменное напряжение. Фаза первой гармоники сдвинута по отношению к фазным напряжениям источника питания на угол . Если амплитуда первой гармоники формируемого напряжения превышает амплитуду напряжения источника питания, то мостовые преобразователи 1 и 7 генерируют реактивную мощность, а если меньше – то потребляют реактивную мощность. Изменением коэффициента модуляции высокочастотной ШИМ регулируют амплитуду первой гармоники формируемого напряжения, а, следовательно, величину и направление реактивной мощности.

Термическое воздействие током высокой частоты

Метод заключается в том, что без отключения ВЛ от потребителей на фазные провода через согласующее устройство и высоковольтные конденсаторы связи подается от генератора ток частотой 50-500 МГц . В однородном проводнике переменный ток концентрируется в поверхностном слое, утончение которого с ростом частоты ведет к увеличению сопротивления той части проводника, по которой проходит ток. Это означает, что при одинаковой величине тока, протекающего по проводу, чем выше значение частоты сигнала, тем больше рассеиваемая на проводнике тепловая мощность. Например, при МГц сопротивление алюминиевых проводов возрастает в 600 раз и более.

Показано, что при мощности высокочастотного генератора несколько десятков кВт возможен нагрева провода на 10-20 °С, что должно предотвратить образование гололёдных отложений. Для устранения же образовавшегося гололёда и плавки гололёда потребуется нагрев до температуры 100-180 °С. Соответственно потребуется значительно большие затраты электроэнергии и более длительная процедура плавки.

Поэтому данный способ наиболее целесообразно применять в профилактических целях для предотвращения гололёдообразования, поскольку реализуется без отключения потребителей. Однако использование генераторов с диапазоном частот 87,5-108 МГц чревато опасностью создания интенсивных радиопомех в УКВ диапазоне.

Термодинамическое воздействие

Подогрев провода током высокой частоты может не только препятствовать образованию гололёдных отложений, но и использоваться для облегчения процедуры удаления уже образовавшейся гололёдной муфты. Это в частности использовано в устройстве, схема которого представлена на рисунке 7 .

Рисунок 7 – Устройство для удаления снежно-ледового покрытия с проводов линий электропередачи

Автоматизированное рабочее место АРМ диспетчера 6 и контроллер 5 обеспечивают бесперебойную работу подстанции с отображением оперативной информации на световом табло 7.

Электромеханическое воздействие

Известно, что при протекании тока параллельные провода притягиваются или отталкиваются под действием возникающей между ними силы Ампера. При периодическом пропускании импульсов тока, провода ВЛ будут совершать механические колебания, разрушающие гололёдно-изморозевые отложения. Частота импульсов тока должна быть близкой к механическому резонансу и амплитудой, достаточной для преодоления внешних и внутренних сил трения. Изменение пропускаемого тока может быть строго периодическим, иметь качающуюся частоту, изменяться по гармоническому закону, иметь форму пачек импульсов с заданными законами изменения частоты, амплитуды и скважности . На рисунке 8 приведен один из возможных вариантов реализации автоматизированной системы удаления гололёда, реализующего предлагаемый способ.

Рисунок 8 – Система электромеханического воздействия на провода воздушной линии для удаления гололёда

Силовой трансформатор 1 преобразует питающее напряжение до нужной величины. Блок силовой электроники выпрямляет полученное от силового трансформатора 1 напряжение и формирует импульсы тока требуемой величины, формы и частоты, пропускаемые через провода 2 ВЛ. Система управления, представляющая собой программируемый логический контроллер, обрабатывает информацию с внешних датчиков гололёдно-ветровых нагрузок 3, влажности 4 и температуры 5, задает требуемую форму и частоту импульсов тока для блока силовой электроники и управляет работой системы в целом.

При практическом использовании данного способа необходим тщательный и точный расчёт величины и частоты импульсов тока, для исключения возможных негативных последствий резонанса. Для повышения эффективности разрушения гололёдных отложений, следует пропускать импульсы тока по проводам, лежащим на разных уровнях. Это позволяет использовать инерцию льда и силу тяжести, как дополнительный разрушающий фактор.

Данный способ так же, как и плавка, требует отключения ВЛ. Однако, время механического разрушения льда существенно меньше времени, затрачиваемого на плавку. Поэтому затраты электроэнергии на очистку будут ниже, чем при плавке гололёдных отложений.

Выводы

Доминирующий тренд в области разработки новых средств борьбы с гололёдными отложениями на проводах ВЛ состоит в использовании комбинированных преобразовательных установок, способных осуществлять при возникновении необходимости плавку гололёда, а все остальное время компенсацию реактивной мощности.

Наиболее перспективным следует признать плавку гололёда током ультранизкой частоты, который сочетает достоинства плавки переменным током промышленной частоты (на трёх проводах одновременно) и плавки постоянным током (ограничен только активным сопротивлением, плавное регулирование тока плавки). Дополнительное преимущество заключается в том, что установка для плавки гололёда током ультранизкой частоты легко трансформируется в статический компенсатор реактивной мощности. Это позволяет эксплуатировать дорогостоящее преобразовательное оборудование в течение календарного года. Тем не менее, сохраняется такой недостаток как необходимость отключения ВЛ для проведения очистки.

Полностью освободиться от последнего недостатка может позволить технология гибких электропередач переменного тока , в составе которых используется преобразовательное оборудование, теоретически способное при необходимости обеспечить, например, профилактический прогрев проводов, препятствующий образованию гололёдных отложений.

Список литературы

Электротехнический справочник: В 3т. Т.3. В 2кн. Кн.1. Производство и распределение электрической энергии (Под общ. ред. профессоров МЭИ: И.Н.Орлова (гл. ред.) и др.). 7 изд., испр. и доп. – М.: Энергоатомидат. – 1988 г. – 880 с.

Алексеев Б.А. Повышение пропускной способности воздушных линий электропередачи и применение проводов новых марок // ЭЛЕКТРО. – 2009. - №3. – С.45-50.

РД 34.20.511 (МУ 34-70-028-82) Методические указания по плавке гололёда переменным током. Ч.1.М.: Союзтехэнерго, 1983.

РД 34.20.511 (МУ 34-70-028-82) Методические указания по плавке гололёда постоянным током. Ч.2.М.: Союзтехэнерго, 1983.

Патент РФ 2505898 МКИ H02G7/16, H02J3,18. Установка для компенсации реактивной мощности и плавки гололёда//Ю.П.Сташинов, В.В. Конопелько. – Опубл. 27.01.2014.

Патент РФ 2505903 МКИ H02J3/18, H02G7/16. Комбинированная установка для компенсации реактивной мощности и плавки гололёда// Ю.П. Сташинов, В.В. Конопелько. – Опубл. 27.01.2014.

Бургсдорф В.В. Плавка гололёда постоянным током без отключения линии// Электрические станции. – 1945. - №11.

Высоковольтная выпрямительная установка типа ВУКН-16800-14000. Аннотированный перечень основных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, выполненных в Мордовском научно-исследовательском электротехническом институте (1965-1968 гг). – Информэлектро, 1970.

Генрих Г.А., Денисенко Г.И., Мишин В.В., Стряпан В.Н. Особые режимы работы мощных статических преобразователей установок плавки гололёда на линиях электропередач. – Издательское объединение «Вища школа». – 1975. – 242 с.

Патент РФ 2390895 МКИ H02G7/16, H02J3/18. Преобразовательное устройство контейнерного типа для комбинированной установки плавки гололёда и компенсации реактивной мощности// М.К. Гуревич, М.А. Козлова, А.В. Лобанов, А.В. Репин, Ю.А. Шершнев. – Опубл. 27.05.2010.

Патент РФ 2376692 МКИ H02G7/16, H02J3/18. Комбинированная установка для плавки гололёда и компенсации реактивной мощности// М.К. Гуревич, А.В. Репин, Ю.А. Шершнев. – Опубл. 20.12.2009.

Патент РФ 2522423 МКИ H02G7|16. Мобильный генератор тока для плавки гололёда на проводах воздушных линий электропередач// А.В. Козлов, А.Н. Чулков, А.В. Шурупов, А.А. Виноградов. – Опубл. 10.07.2014.

Патент РФ 2505897 МКИ H02G7/16. Способ управляемой плавки гололёда на воздушных линиях электропередачи переменным током// Ю.П. Сташинов, В.В. Конопелько. – Опубл. 31.05.2012.

Патент РФ 2356148 МКИ H02G7/16. Способ и устройство для борьбы с гололёдом на линиях электропередачи// В.И. Каганов. – Опубл. 20.05.2009.

Патент РФ 2520581 МКИ H02G7/16. Устройство для удаления снежно-ледового покрытия с проводов линий электропередачи// Н.Д. Шелковников, Д.Н. Шелковников. – Опубл. 27.06.2014.

Патент РФ 2166826 МКИ H02G7/16, B60M1/12. Способ удаления гололёда с проводов контактной сети и линий электропередачи// А.В. Ефимов, А.Г. Галкин. – Опубл. 10.05.2001.

Патент РФ 93184 МКИ H02G7/16 на полезную модель. Устройство для очистки проводов линий электропередач// Р.Р. Саттаров, Ф.Р. Исмагилов, М.А. Алмаев. – Опубл. 20.04.2010.

Кочкин В.И. Новые технологии повышения пропускной способности ЛЭП. Управляемая передача мощности// Новости Электротехники. – 2007. - №4(46).

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

В статье «Высокая энергия» («ПМ» № 9"2015) упоминается борьба с обледенением проводов ЛЭП. Чтобы нагреть провода с помощью переменного тока, требуются большие энергозатраты, экономически это невыгодно. Поэтому в этих целях применяется постоянный электрический ток. Однако для ЛЭП с низким значением напряжения (менее 220 кВ), с учетом системы энергоснабжения и технических характеристик, вполне возможно использование и переменного тока. Предупредительные меры заключаются в профилактическом подогреве проводов для предотвращения их обледенения. С помощью специальных трансформаторов в кольцевой системе создаются дополнительные контурные токи, что позволяет нагревать провода и предотвратить образование льда. Замечательно то, что здесь не требуется отключения энергии, как в случае с использованием постоянного тока, и таким образом обеспечивается бесперебойная работа сети. Алексей Грунёв

Разговор сквозь землю

В статье «На пути к миелофону» («ПМ» № 8"2015) в качестве примера применения ферримагнетика приводится его использование для обмена данными с электроникой буровых «снарядов». Стоит уточнить, что речь идет о так называемых телеметрических системах, предназначенных для сбора данных с глубины при бурении и передачи информации на поверхность, например для управления головкой бура, а также для оперативного принятия решения об изменении режима бурения. Ферримагнетики действительно могут найти применение, но если удастся выделить полезный сигнал на фоне очень высокого уровня шума. Но в современных телесистемах скорость передачи данных по гидравлическому каналу связи на основе гармонической волны может доходить до 10 бит/с, хотя чаще всего она ограничена 4 бит/с для экономии энергии батарей. Наряду с беспроводными каналами связи, такими как гидравлический, применяют и проводной, и электромагнитный, и акустический, хотя они имеют ряд ограничений. Кирилл Труханов

Царь — не настоящий!

На обложке «ПМ» № 9"2015 изображен авианосец и самолет Т-50, но в самой статье «Атомный царь-корабль» на фото, подписанном ПАК ФА, F-22 Raptor. Самолеты эти действительно похожи в ракурсе с носовой части, однако есть одна существенная деталь, которая позволяет легко и быстро различить эти два летательных аппарата. Двигатели F-22 расположены параллельно друг другу и на небольшом расстоянии, тогда как двигатели Т-50 — под существенным углом друг относительно друга, а между ними помещается хвостовая оконечность — «бобровый хвост», где размещен тормозной парашют. Евгений Кунашов

ПМ: Просим прощения у всех наших читателей за техническую ошибку, которая привела к размещению неправильной иллюстрации.

Родственные связи

В статье «Куда спешить джентльмену» («ПМ» № 8"2015) сказано, что технологии достались носителю английских традиций от «нынешнего немецкого родителя BMW». BMW действительно с недавнего времени стал материнской компанией Rolls-Royce, но назвать его родителем не совсем корректно. Геннадий Дрейгер

ПМ: До 1998 года компания Rolls-Royce Motors принадлежала концерну Vickers. В 1998-м концерн продал компании VW всё, кроме права на использование марки Rolls-Royce. Марка же была передана BMW, где и разработали новые машины и построили новый завод. Так что BMW — именно родитель, от которого Rolls-Royce достались двигатель, электроника и детали подвески от седьмой серии.

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.