Общие сведения
Одним из основных элементов комплексной системы предотвращения и ликвидации гололедных аварий являются автоматизированные метеопосты для раннего обнаружения голо ледообразования. Их внедрение на гололедоопасных участках сети позволит осуществлять краткосрочный прогноз начала гололедообразования, обеспечит диспетчерские службы информацией о развитии гололедной ситуации в регионе и сократит время на принятие решения о проведении организационно-технических мероприятий по предотвращению гололедной аварии, что существенно повышает эффективность плавки гололеда.
Раннее обнаружение гололедообразующих процессов на ВЛ является первоочередной задачей при автоматизации всех напои борьбы с гололедом и создании автоматизированных систем плавки. Особую опасность в процессе эксплуатации воздушных линий электропередачи представляют динамические нагрузки, обусловленные пляской проводов, возникающей обычно в начальной стадии образования гололедно-изморозевых отложений. Своевременное проведение и правильная организация плавки гололеда в этих условиях позволяет эффективно бороться с пляской проводов. Кроме того, раннее обнаружение процесса гололедообразования позволяет применить профилактический нагрев проводов ВЛ без перерыва электроснабжения потребителей, что особенно эффективно на ВЛ высокого напряжения.
Несмотря на накопленный опыт и проведенные многими организациями научные и экспериментальные работы, в настоящее время в энергосистемах России отсутствуют автоматические устройства для раннего обнаружения гололеда промышленного производства.
В связи с вышеизложенным разработка надежных автоматических метеопостов для раннего обнаружения гололеда и оснащение ими В Л различных классов напряжения остается актуальной задачей.
Для обнаружения гололедообразования на проводах линий электропередачи используются следующие методы:
измерение веса провода с гололедом;
контроль изменения первичных параметров линии электропередачи;
контроль изменения условий прохождения высокочастотных сигналов;
радиоактивные;
измерение метеорологических параметров, определяющих гололедную ситуацию.
Первый способ, основанный на измерении веса провода или его тяжения, получил наибольшее распространение в системах телесигнализации и телеизмерения гололедных нагрузок [79-81] и др. Однако такие устройства контролируют полную нагрузку на ВЛ как гололедную, так и ветровую, что затрудняет своевременное (раннее) обнаружение гололедообразования. Опыт эксплуатации показывает, что нагрузки на провода ВЛ при максимальных скоростных напорах ветра и отсутствии гололедообразования могут достигать нагрузок от гололеда с плотностью 900кг/м3 и толщиной стенки до 5мм, что необходимо учитывать при эксплуатации СТГН.
Устройства, контролирующие изменение первичных параметров ВЛ, учитывают тот факт, что при наличии на проводе гололедных отложении происходит изменение емкости и индуктивности линии. Например, в устройстве для обнаружения гололеда на проводах коротких воздушных линий 6-10кВ [65J задающий контур высокочастотного (ВЧ) генератора подключаемся между конденсатором связи и землей. Так как емкость линии вместе с конденсатором связи и фильтром присоединения образуют задающий контур ВЧ генератора, то генерируемое напряжение высокой частоты зависит от емкости ВЛ «фаза-земля», которая изменяется в зависимости от толщины стенки гололеда.
При использовании индукционного способа обнаружения гололеда [82], индукционные преобразователи размещаются в магнитном поле линии электропередачи таким образом, чтобы закон изменения их входных сигналов соответствовал только перемещению проводов под воздействием гололеда и отличался от различных режимов токов линии, например, несимметричных режимов. При использовании трех индукционных преобразователей тока с одностержневым магнитопроводом, один из них устанавливается на опоре ВЛ, а два других - в пролете на вспомогательной стойке. Логическая схема устройства анализирует сигналы датчиков и при увеличении стрелы провеса при гололедообразовании через выдержку времени приводит в действие исполнительный орган. Выдержка времени необходима для отстройки от ветровых нагрузок, однако при постоянном ветровом напоре устройство может работать ложно.
В течение длительного времени проводились работы по использованию косвенного метода обнаружения гололеда, основанного на затухании ВЧ сигнала, например, контрольного сигнала ВЧ связи, а также по разработке импульсных сигнализаторов, использующих особенности распространения вдоль ВЛ зондирующих ВЧ импульсов, например, сигнализатор ВНИИЭ типа ИНГА. Применение ВЧ сигналов не всегда обеспечивает требуемую селективность и чувствительность, так как уровень ВЧ сигнала зависит от совокупности климатических условий в районе трассы ВЛ и, в первую очередь, от размеров гололедной муфты и плотности гололеда.
Принцип действия сигнализатора начала гололедообразования, разработанного в Уфимском авиационном институте [63], основан на одностороннем обледенении провода в начальной стадии. С этой целью отрезок провода с вмонтированным в него обогревательным элементом и расположенными на его поверхности двумя термопарами размещается на опоре на поворотно-следящей установке. При появлении на наветренной стороне гололедного отложения, которое начинает плавиться, температура на этой стороне провода становится близкой к нулю. В это время на противоположной стороне провода температура соответствует температуре нагревательного элемента, что приводит к появлению термоЭДС.
Авторами [83] разработан изотопный датчик гололедообразования на ВЛ, который не реагирует на ветровую нагрузку и изменение температуры окружающей среды. Работа датчика основана на уменьшении интенсивности излучений при прохождении пучка β-лучей через слой гололеда. В качестве источника β-излучения используется БИС-4А на изотопах стронция-90 и иттрия-90. Детектор представляет собой счетчик интенсивности импульсов ионизирующих частиц и улавливает поток β-излучений после прохождения слоя льда. Сигнал на его выходе изменяется в зависимости от толщины стенки гололеда на проводе. Неравномерность образования гололеда на проводах ВЛ обусловливает необходимость установки не менее трех ориентированных на детекторы источников радиоактивного излучения по одному на фазный провод в плоскости, перпендикулярной направлению проводов. Сигнализация о гололедообразовании обеспечивается изотопным датчиком при толщине слоя гололеда, начиная с 1,6мм.
Таким образом, чувствительность описанных выше устройств не превышает 1-2мм толщины стенки гололеда, т.е. они не обеспечивают раннее обнаружение гололеда и не могут быть использованы для борьбы с пляской проводов и для проведения профилактического нагрева.
Раннее обнаружение гололедообразования и, что особенно важно, прогнозирование гололедной ситуации может быть осуществлено с помощью устройств, контролирующих метеопараметры, определяющие процесс гололедообразования. Принципы построения устройств краткосрочного прогнозирования гололеда рассмотрены в [84,85]. В результате исследований установлены необходимые условия существования гололедно- изморозевых отложений с плотностью 400-900кг/м3, представляющих наибольшую опасность для ВЛ:
температура воздуха на уровне подвеса проводов: -7 + 0°С;
относительная влажность воздуха: 80 + 100%.
На основании выполненных исследований разработаны сигнализаторы появления гололеда СПГ-2, СПГ-3 [82,86-88], осуществляющие краткосрочный, с опережением на 2-3 часа, прогноз процесса гололедообразования и индикацию начала нарастания гололеда на проводах ВЛ. Сигнализатор состоит из:
блока датчиков метеопараметров, включающего датчик температуры, датчик влажности - сорбционный электрогигрометрический датчик - гигристор, датчик гололеда, выполненный на основе гигристора с косвенным подогревом;
блока регистрации гололеда, осуществляющего анализ показаний датчиков и выдающего сигналы «Возможен гололед» - при появлении гололедоопасной ситуации и «Гололед» - при появлении гололедно-изморозевых отложений на датчике гололеда.
Недостатком устройства СПГ-2 является невозможность определения скорости нарастания гололеда, поэтому в устройство СПГ-3 с целью повышения эффективности плавки гололеда дополнительно введен датчик интенсивности гололедообразования. Наличие информации о скорости нарастания гололеда позволяет диспетчерскому персоналу своевременно принимать решения по очередности и режимам плавки гололеда на различных ВЛ.
Блок регистрации гололеда устанавливается на диспетчерском пункте энергосистемы, блок датчиков может устанавливаться на подстанции или на опоре ВЛ на гололедоопасном участке. При этом необходимо наличие устройств преобразования и передачи информации от места установки блока датчиков метеопараметров до диспетчерского пункта. Главным недостатком этих устройств является низкая надежность канала передачи информации.
В микропроцессорном варианте устройства предупредительной сигнализации гололеда так же, как и в устройствах СПГ-2, СПГ-3, датчики метеопараметров с устройствами преобразования и передачи данных устанавливаются на опоре ВЛ, а микропроцессорное устройство обработки данных, использующее цифровую модель физических процессов, происходящих в воздухе в месте установки датчиков, - на диспетчерском пункте энергосистемы [82].
Разработаны также и другие устройства для обнаружения начала гололедообразования [89-92 и др.]. Принцип действия «Детектора мороза, снега и льда» [88] основан на измерении электропроводности различных видов осадков. Одним из существенных недостатков этого устройства является то, что датчик влажности работает в режиме индикации только при отключенном электроподогревателе чувствительного элемента. Это ухудшает селективность чувствительного элемента при определении вида осадков во время его остывания. В разработке «Южэнергосетьпроекта» используется анализатор осадков, работающий на сравнении электропроводности различных видов осадков и состоящий из двух датчиков осадков, один из которых имеет постоянный подогрев. Датчики осадков выполнены в виде двух гребенок-электродов, нанесенных на диэлектрик.
Несмотря на большой объем проведенных исследований и экспериментальных работ, по различным причинам (недостаточные селективность при определении вида осадков и чувствительность при малых количествах гололедных отложений, отсутствие контроля интенсивности гололедообразования, отсутствие контроля окончания плавки гололеда, сложность и недостаточная помехозащищенность устройств преобразования и передачи данных, недостаточная надежность каналов передачи данных и др.) автоматические устройства для раннего обнаружения гололеда не нашли широкого применения в энергосистемах России.
По мнению авторов перспективными являются следующие направления в исследовании и разработке автоматических устройств краткосрочного прогнозирования гололедообразования на линиях электропередачи:
- Совершенствование систем телеизмерения гололедных нагрузок, основанных на непрерывном измерении веса провода, с целью разделения измеряемой нагрузки на гололедную и ветровую, что может обеспечить раннее обнаружение гололеда.
- Разработка более совершенных, простых и надежных автоматических метеопостов для раннего обнаружения гололеда, позволяющих по минимальному сочетанию метеорологических параметров определять наличие гололедной ситуации и прогнозировать возможность ее появления. Их совместная эксплуатация с СТГН на ВЛ позволит эффективно решать задачи по предотвращению гололедных аварий и имеет следующие преимущества:
организация общей схемы стабильного питания и общих каналов передачи информации;
повышение надежности и достоверности определения гололедной ситуации в пункте контроля и интенсивности процесса гололедообразования;
осуществление контроля окончания плавки гололеда с помощью СТГН и измерение максимальных гололедных отложений с помощью метеопостов, что необходимо, например, для корректировки региональных карт районирования по толщине стенки гололеда;
унификация и возможность сопряжения аппаратуры линейных комплектов СТГН и метеопостов.
- Разработка комплексных систем по диагностированию ВЛ, в том числе по диагностированию процессов гололедообразования и плавки гололеда.
Принцип действия автоматического метеопоста
Принцип действия разработанного метеопоста основан на измерении электропроводности различных видов осадков. Кроме того, для повышения эффективности плавки гололеда и расширения функциональных возможностей метеопост осуществляет контроль интенсивности гололедообразования.
Метеопост, функциональная схема которого представлена на рис.7.26, состоит из:
анализатора осадков;
датчика температуры ДТ;
датчика интенсивности гололедообразования ДИГ;
четырех релейных элементов - трех компараторов К1— КЗ и реле частоты РЧ;
логического блока ЛБ;
блока измерения температуры воздуха БИТ;
блока измерения интенсивности гололедообразования БИИГ.
Анализатор осадков выполнен с использованием двух датчиков осадков ДО1 и ДО2, подключенных к компараторам К1 и К2 соответственно, срабатывающим при увеличении проводимости датчиков выше заданною значения. Датчик ДО1 снабжен постоянным электроподогревом и в процессе выпадания любых видов осадков имеет высокую проводимость (компаратор К1 находится в сработанном состоянии). После окончания выпадания осадков и высыхания датчика за счет постоянного подогрева его проводимость уменьшается и компаратор К1 возвращается в исходное состояние.
Рис.7.26. Функциональная схема автоматическою метеопоста для раннего обнаружения гололедообразования
У датчика осадков Д02 электроподогрев в режиме измерений отсутствует, поэтому он уменьшает свою проводимость, и компаратор К2 возвращается в исходное состояние при замерзании имеющейся на нем влаги, что имеет место, например, в начале гололедообразования. Электроподогрев датчика Д02 включается (контакты KL.1 и KL.2 замыкаются) для обеспечения возврата анализатора осадков в исходное состояние после возврата первого компаратора К1.
Датчик температуры ДТ служит для измерения температуры воздуха на уровне подвеса проводов ВЛ. Компаратор КЗ, включенный на выходе ДТ, срабатывает при снижении температуры ниже 0°С.
Датчик интенсивности гололедообразования ДИГ представляет собой автогенератор с пьезоэлектрическим резонатором, частота колебаний которого зависит от массы гололедно-изморозевых отложений, образовавшихся на поверхности резонатора. Реле частоты РЧ, включенное на выходе ДИГ, срабатывает при снижении частоты генератора на заданную величину.
Анализ показаний датчиков и выработка соответствующих сигналов осуществляется в логическом блоке ЛБ метеопоста.
Кроме того, с целью непрерывного измерения температуры и интенсивности процесса гололедообразования предусмотрены блоки измерения температуры БИТ и интенсивности гололедообразования БИНГ. Блок БИИГ обеспечивает непосредственное измерение массы гололедных отложений и скорости ее нарастания за заданный промежуток времени в отличие от применявшихся ранее методов, основанных на измерении времени расплавления гололедных отложений, которое зависит не только от их массы, но и от плотности гололеда, температуры воздуха и скорости ветра.
Автоматический метеопост формирует следующие основные сигналы:
«возможен гололед» при появлении гололедоопасной ситуации. Сигнал выдается при условии, что оба компаратора К1 и К2 датчиков осадков ДО1 и ДО2 находятся в сработанном состоянии и температура воздуха ниже 0°С (компаратор КЗ также сработан);
«гололед» при появлении гололедно-изморозевых отложений. Сигнал формируется при сработанных компараторах К1, КЗ, реле частоты РЧ и возврате компаратора К2, что происходит при переходе датчика осадков ДО2 в непроводящее состояние.
Метеопост формирует, кроме основных, дополнительные сигналы о метеоусловиях в пункте контроля:
«жидкие осадки», температура воздуха положительная — дождь (компараторы К1 и К2 сработаны, компаратор КЗ возвращается в исходное состояние);
«твердые осадки», температура воздуха отрицательная — снег (компараторы К1 и КЗ сработаны, компаратор К2 — не сработан, при условии, что до этого компараторы К1 и К2 были не сработаны).