Стартовая >> Архив >> Предотвращение и ликвидация гололедных аварий

Виды и параметры гололедно-изморозевых отложений - Предотвращение и ликвидация гололедных аварий

Оглавление
Предотвращение и ликвидация гололедных аварий
Виды и параметры гололедно-изморозевых отложений
Влияние метеоусловий на процесс гололедообразования
Влияние параметров ВЛ на процесс гололедообразования
Нормативные параметры гололедных нагрузок
Эргатическая энергосистема
Применение системного подхода для повышения надежности
Комплексная система мероприятий
Плавка гололеда
Плавка гололеда постоянным током
Схемы выпрямительных установок при плавке постоянным током
Схемы соединения проводов для плавки гололеда  постоянным током
Способы отключения поврежденной выпрямительной установки
Выбор реакторов
Выбор трансформаторов
Специальный трансформатор тока для релейной защиты установок плавки
Выносной заземлитель для схем плавки гололеда постоянным током
Релейная защита
Максимальная токовая защита
Релейная защита от замыканий на землю в цепи постоянного тока
Релейная защита, селективно выявляющая пробой плеча
Релейная защита от коротких замыканий на землю
Импульсные реле типа РИ-1 и РИ-2
Выбор поврежденной фазы при пробое плеча выпрямительного моста
Определение места повреждения при плавке гололеда постоянным током
Комплекс прогноза и раннего обнаружения
Датчик гололедной нагрузки
Погрешности
Системы телеизмерения гололедных нагрузок для сетей с изолированной нейтралью
Кодирование информации
Схемы питания датчиков
Линейный преобразователь
Приемный преобразователь
Системы телеизмерения гололедных нагрузок для сетей с глухозаземленной нейтралью
Аналоговые измерительные органы линейных преобразователей
Радиотелемеханические системы
Автоматизированный метеопост для раннего обнаружения гололедообразования
Конструкция датчиков осадков
Литература

Глава 1 Метеоусловия гололедообразования и его последствия

  1. Виды и параметры гололедно-изморозевых отложений

В настоящее время общепринятой является следующая классификация видов гололедных осадков, отлагающихся на поверхности конструкций (в том числе на проводах и опорах ВЛ электропередачи), сооружений и наземных предметов:

  1. гололед (стекловидный или матовый);
  2. зернистая (плотная) изморозь;
  3. кристаллическая изморозь (инеевидный осадок);
  4. отложение мокрого снега,
  5. различные смеси этих осадков (сложное отложение).

Гололедные отложения создают внешние механические нагрузки на провода и опоры ВЛ электропередачи. Для каждой территории в зависимости от климатических условий уровень нагрузок различный. При проектировании ВЛ необходим обязательный учет этих нагрузок, которые регламентируются «Правилами устройства электроустановок» (ПУЭ) [I].
Метеорологические и синоптические условия гололедных отложений рассмотрены в работах [2-6]. Обледенение наземных предметов возникает в основном из воды, находящейся в атмосфере в парообразном и жидком состоянии при отрицательных температурах воздуха и увеличении его влажности до 60-100%, сопровождающихся следующими атмосферными явлениями: туман, морось, дождь, крупа, мокрый снег, дымка.
Атмосферный лед образуется вследствие двух принципиально различных процессов: сублимации пара и кристаллизации (замерзания) находящейся в воздухе воды в виде переохлажденных капель. Первый вид льда, возникающий от непосредственного перехода водяного пара в твердое состояние, называется сублимационным льдом, а второй - водным льдом [6]. Простой, на первый взгляд, механизм образования атмосферного льда усложняется тем, что в природе не всегда обособленно проявляются процессы сублимации и кристаллизации, а происходит их наложение друг на друга, в результате создается сложная картина роста льда.
Процесс сублимации значительно облегчается наличием на наземных предметах микроскопически мелких, не видимых для глаза ледяных частиц. Образование последних может происходить как в результате осаждения молекул воды из водяного пара, так и в результате других зародышевых форм воды, связанных с конденсацией пара и последующим замерзанием. В меньшей мере такие твердые частицы льда могут попасть на предмет извне (обломки снежинок и кристаллов).

Возникновению сублимационного льда в переохлажденном тумане благоприятствуют низкие отрицательные температуры, слабые ветры и малые размеры переохлажденных капель. При этих условиях капли испаряются вблизи кристалла, вызывая тем самым его дальнейший сублимационный рост. В некоторых случаях капли при их больших размерах и скорости движения не успевают испариться вблизи кристалла. Тогда они осаждаются на нем к виде ледяного бисера.
Сублимационный лед во всех его многообразных видах имеет ярко выраженную внешнюю кристалличность и очень малую плотность. Эти и другие признаки отличают его от водного льда, который относится обычно к тяжелым видам обледенения. Исследования В.В. Бургедорфа [5] показали, что сублимация водяного пара играет второстепенную роль в образовании отложений и что размеры и структура последних определяются прежде всего процессом замерзания переохлажденных капель воды.
Водный лед образуется в результате кристаллизации переохлажденной воды. Основную массу его формируют переохлажденные капли дождя, мороси и тумана. Замерзание переохлажденных капель зависит от их размера и скорости охлаждения. По господствующему в настоящее время представлению, существование переохлажденных капель неразрывно связывается с природой жидкости и ее фазовыми превращениями. В результате флуктуаций (неоднородности), обусловленных молекулярно-тепловыми движениями, в системе возникают твердые зародыши внутри жидкости (капли). Эти зародыши, имеющие микроскопические размеры (близкие к размерам молекул) и обладающие кристаллической решеткой, являются теми элементами, которые приводят к неустойчивому состоянию воды. Основным условием для появления зародышей твердой фазы воды является низкая температура капли и ее медленный рост или испарение. Переохлажденное состояние капельной воды нарушается не только вследствие образования ледяного зародыша внутри капли, но и в результате соприкосновения ее с твердым телом. Последнее обстоятельство ускоряет кристаллизацию воды, делает ее как бы вынужденной. Так, в результате осаждения переохлажденных капель на провода и другие предметы возникает гололед и другие сходные с ним явления.
Существенно важным с гонки зрения физики обледенения наземных предметов является вопрос о структуре льда, возникающего вследствие кристаллизации переохлажденных капель. Наблюдения показывают, что осаждение мелких капель вызывает рыхлую зернистую структуру льда, а крупных - стекловидную. Такое различие во внешней структуре льда объясняется рядом причин, но прежде всего размером капель и степенью их переохлаждения. Мелкие капли, сталкиваясь с предметами, тотчас же замерзают, сохраняя в основном сферическую форму. При замерзании их освобождается небольшое количество скрытой теплоты, которая быстро уносится с общим течением воздуха.

Другую картину наблюдаем при столкновении крупных переохлажденных капель воды с предметами. Эти капли замерзают постепенно и, разливаясь по поверхности предмета, соединяются с вновь выпадающими каплями, образуя стекловидную корку льда. Такой постепенный процесс слияния капель объясняется их недостаточным переохлаждением и большим выделением скрытой теплоты. Последняя повышает температуру замерзающей воды нередко до 0° и тем самым препятствует быстрому образованию льда.
Скорость замерзания капель зависит от их размера, температуры воздуха и поверхности предмета, на котором замерзают капли, т.е. все эти факторы влияют и на структуру образовавшегося осадка. Следует отметить, что интенсивность процесса гололедообразования зависит также от наличия уже отложившегося льда и температуры его поверхности [5].
Плотность любого вида гололедных осадков колеблется в значительных пределах и зависит как от конкретных метеорологических условий процесса, так и от высоты и особенностей местности. Последнее, конечно, является следствием специфики протекания метеорологических процессов в тех или иных типах рельефа и высотных зонах.
Плотность отложений на проводе ВЛ определяется по формуле

Провод с гололедной муфтой
Рис. 1.1. Провод с гололедной муфтой
где р — плотность, г/см3; Р — гололедная нагрузка, Н/м; аб - большой диаметр отложения (см. рис. 1.1), мм; ам - малый диаметр отложения, мм; dnp - диаметр провода, мм.
Одним из важнейших вопросов физики гололедообразования является исследование факторов, определяющих структуру отложений, т. е. вероятность появления гололедных или изморозевых формаций.
Каждый гололедо-изморозевый период, представляющий собой промежуток времени от начала образования отложения до его полного разрушения, состоит из более мелких периодов нарастания и частичного испарения отложения, в результате чего вес, размеры и структура последнего непрерывно меняются и лишь в отдельные промежутки времени могут оставаться постоянными. Указанные изменения связаны с непрерывными колебаниями значений метеорологических параметров, определяющих характеристики отложения в каждый момент времени.
Далее рассматриваются характерные плотности для каждого вида отложения.

Гололед. Среднее значение плотности гололеда изменяется от 0,6 до 0,90 г/см, причем в горных районах среднее значение объемного веса меньше, чем на равнине. Это обстоятельство можно объяснить особенностями явлений, сопутствующих гололеду. На равнинах он чаще образуется при выпадении дождя и мороси, тогда как в горах - при тумане или низкой облачности, а размеры капель дождя значительно больше, чем тумана. Кроме того, в горах гололед образуется при более низких температурах, чем на равнине. В среднем плотность гололеда считается равной 0,75 г/см3 . На рис 1.2-1.4 представлены фотографии образовавшегося на тросе 2- цепной ВЛ 35 кВ гололеда, которые были сделаны в январе 1980г. в районе Прикалаусских высот Ставропольского края. На рис. 1.3 хорошо виден стекловидный характер гололеда, а следовательно, его плотность составляет 0,80-0,90 г/см3.

Гололедная муфта на тросе ВЛ 35кВ
Рис.1.2. Гололедная муфта на тросе ВЛ 35кВ

Разрезы гололедной муфты
Рис. 1.3. Разрезы гололедной муфты, образовавшейся на тросе ВЛ 35кВ

Обрезанный трос ВЛ 35кВ с гололедом
Рис. 1.4. Обрезанный трос ВЛ 35кВ с гололедом
Зернистая изморозь. Отложение характеризуется большим диапазоном значений плотности от 0,1 до 0,6 г/см3. Для равнинно-холмистой территории среднее значение объемного веса зернистой изморози, согласно [7], обычно принимается равным 0,1 г/см3. В горных районах это значение несколько больше и составляет 0,25-0,30 г/см3. Такое различие можно объяснить особенностями микроструктуры туманов, при которых образуется зернистая изморозь. Обычно размеры капель и водность в облаках нижнего яруса больше, чем в туманах. А так как в горах чаще бывает низкая облачность, чем на равнине, то это может влиять на объемный вес зернистой изморози, который в горах оказывается больше, чем на равнине. На рис. 1.5, 1.6 показано образование плотной изморози на ВЛ 110кВ в Ставропольском крае.
В горных районах при повышенных скоростях ветра может наблюдаться также плотная изморозь с заметными механическими включениями (иногда изменяющими ее цвет), имеющая плотность от 0,25 до 0,65 г/см3 (в среднем 0,35—0,40 г/см3).
Мокрый снег. Плотность мокрого снега также колеблется в диапазоне от 0,1 до 0,6 г/см3 и в среднем принимается 0,2 г/см3.
Кристаллическая изморозь. Обычно кристаллическая изморозь имеет малую плотность (0,01-0,09 г/см3, в среднем 0,05 г/см3) и с точки зрения веса не является опасной для ВЛ, однако при большом размере отложений резко увеличиваются ветровые нагрузки.

Рис.1.5. Плотная изморозь на проводах ВЛ 110кВ
Смесь. Плотность сложных отложений в большинстве случаев колеблется в диапазоне 0,25-0,5 г/см3.
Важнейшей характеристикой процесса гололедообразования является интенсивность нарастания (испарения) отложений. Величина нарастания (испарения) характеризуется количеством отложившегося (испарившегося) в единицу времени льда, т. е. скоростью роста (испарения) отложений по весу Vp и диаметру Va.
Скорости роста (испарения) отложений за промежуток времени между двумя наблюдениями Δί могут быть рассчитаны по формулам:

где Р1 и а1 — вес единицы длины и диаметр отложения в момент первого измерения; Р2 и а2 — вес единицы длины и диаметр отложения при последующем измерении.
Процесс отложения гололедного осадка с колебаниями интенсивности или временным прекращением может длиться от нескольких часов или суток до 2-3 месяцев и даже более. При продолжительном процессе отложения на проводах и опорах ВЛ возникают особо опасные образования массой 10-20 κι м и более. Например, на Урале и 1985г. непрерывное обледенение прочета ИЛ продолжалось 28 дней. Масса плотной изморози при этом достигала 86,2 кг/м. В некоторых районах опасные отложения мокрого снега могут возникать очень быстро (до I часа), такое происходит, например, на Черноморском побережье Северного Кавказа, особенно в районе Новороссийска.
Линия 110кВ с образованием плотной изморози на проводах и тросе
Рис.1.6. Линия 110кВ с образованием плотной изморози на проводах и тросе
Сильные обледенения в горных районах преимущественно связаны не с гололедом, а с плотной изморозью и смесями. В отдельных районах это мокрый снег. Например, для горных зон Сахалина было получено следующее распределение повторяемости видов отложений [2]: смеси - 37%, плотная изморозь - 33%, кристаллическая изморозь - 20%, мокрый снег - 6%, гололед - 4%. Анализ степени опасности обледенений по возможной максимальной массе отложений показывает: на первом месте находятся смесь и плотная изморозь, на втором - мокрый снег и на третьем - гололед. Разумеется, в некоторых районах порядок их может меняться.
В случае несимметричного эллиптического осадка зачастую необходимо знать соотношение между большим и малым диаметрами отложения. В работах В. В. Бургсдорфа, Н. С. Муретова и Л. В. Рудневой  было установлено, что это отношение меняется в зависимости от физико-географических условий района и особенностей самого промесса образования гололеда или изморози. На основании указанных работ было принятодля гололеда идля зернистой изморози и смеси (см. рис. 1.1).



 
« Повышение надежности определения мест повреждения на ВЛ 110-220 кВ и размещении фиксирующих приборов   Проблема повышения надежности и долговечности электросетевых конструкций »
электрические сети