Використання: в галузі електротехніки. Технічний результат полягає у запобіганні утворенню льоду на проводах ліній електропередачі без необхідності відключення лінії на обслуговування. Спосіб полягає в з'єднанні подвійних проводів лінії електропередачі, підключених до однієї фази, пружними перемичками, наприклад, пружинами, що забезпечують механічні коливання проводів при штатних параметрах електричного струму, що протікає через них. У штатному режимі роботи лінії електропередачі при проходженні змінного струму, з'єднані пружиною пари проводів однієї фази постійно, здійснюють коливальні рухи, що забезпечує безперервне струшування з них крапель вологи і снігу і тим самим запобігає зледеніння. 1 з.п. ф-ли, 2 іл.

Малюнки до патенту РФ 2474939

Винахід відноситься до електроенергетики і може бути використане для експлуатації ліній електропередачі змінного струму. Відомі механічні, електричні та хімічні способи видалення льоду з проводів ліній електропередачі.

Механічні способи полягають у застосуванні спеціальних пристроїв, що забезпечують видалення льоду з дротів. Недоліком таких пристроїв є низька продуктивність та можливість пошкодження та деформації проводів у процесі видалення ожеледиці, що призводить до обривів мережі та супроводжується прискореним зносом проводів.

Хімічні способи полягають у нанесенні на дроти спеціальних речовин, що запобігають утворенню льоду або забезпечують його руйнування. Процес нанесення характеризується великою трудомісткістю. Крім того, такі речовини недовговічні, тому протягом усього сезону ожеледиці потребують періодичного оновлення.

Електричні способи видалення льоду полягають у нагріванні або струшуванні проводів імпульсами струму, що забезпечують плавлення льоду або запобігання його утворенню.

В якості прототипу обраний спосіб видалення ожеледиці з проводів контактної мережі та ліній електропередачі, що полягає в пропусканні по подвійним або кратним проводам лінії електропередачі змінного струму або імпульсів струму з частотою, близькою до їх механічного резонансу. Механічні коливання проводів, що виникають при цьому, забезпечують видалення з них вологи і льоду. Недоліками цього є:

Необхідність відключення лінії електропередачі на обслуговування через те, що параметри струму, необхідні для забезпечення механічного резонансу проводів, можуть істотно відрізнятися від стандартного струму;

Необхідність у допоміжному джерелі імпульсного або змінного струму з налаштуванням частоти імпульсів на частоту резонансу проводів;

Необхідність використання виїзних бригад для доставки обладнання до місць зледеніння, що може бути пов'язано зі значними витратами при роботі у важкодоступних районах та в умовах інтенсивного ожеледиці;

Неможливість частого застосування даного способу вимагає збільшення потужності імпульсів струму, що струшують дроти, що може призводити до механічного пошкодження та розриву дротів.

Метою винаходу є запобігання утворенню льоду на проводах ліній електропередачі у штатному режимі їх роботи без необхідності відключення на обслуговування.

Зазначена мета досягається тим, що в пропонованому способі пари проводів лінії електропередачі, підключені до однієї фази, з'єднуються пружними перемичками, наприклад, пружинами, параметри яких підібрані таким чином, щоб забезпечити безперервні механічні коливання проводів при штатних параметрах струму, що проходить через лінію електропередачі. Схема розташування проводів та перемичок наведена на фіг.1.

Спосіб запобігання зледеніння представлений на фіг.2 і полягає в тому, що в штатному режимі роботи лінії електропередачі при проходженні змінного струму з'єднані пружними перемичками пари проводів однієї фази постійно здійснюють коливальні рухи, відштовхуючись під дією сили пружності перемички F У і притягуючись під дію F Л:

,

де d – відстань між проводами; I 1 , I 2 - сила струму у дротах; µ, µ 0 - магнітна проникність середовища та вакууму; l - Довжина проводів.

Безперервна вібрація проводів призводить до струшування з них крапель води, снігу і льоду і тим самим запобігає зледенінням, а також призводить до розколювання крижаної кірки при її утворенні.

Таким чином, у штатному режимі роботи лінії електропередач ліквідуються причини зледеніння проводів, а не його наслідки, що позбавляє необхідності відключення на обслуговування, знижує необхідні витрати ресурсів та енергії.

Джерела інформації

1. Пристрій для видалення ожеледиць. МКІ H02G 7/16. А.С. №957332, 07.09.1982.

2. Струшувач проводів. МПК H02G 7/16. Російська Федерація, пат. №2318279, 20.06.2006.

3. Лінія електропередачі. МПК H02G 7/16. Російська Федерація, пат. №2076418, 27.03.1997.

4. Спосіб видалення ожеледиці з проводів контактної мережі та ліній електропередачі. МПК H02G 7/16, В60М 1/12. Російська Федерація, пат. №2166826, 27.04.2001.

5. Пристрій для запобігання утворенню ожеледиці на повітряній лінії. МПК H02G 7/16. Російська Федерація, пат. №2316866, 10.02.2008.

6. Спосіб та пристрій для боротьби з ожеледицею на лініях електропередачі. МПК H02G 7/16. Російська Федерація, пат. №2356148, 20.05.2009.

7. Високовольтна мережа. МПК H02G 7/16, H02J 3/18. Російська Федерація, пат. №2365011, 20.08.2009.

8. Кошкін Н.І., Ширкевич М.Г. Довідник з елементарної фізики. - М: Наука, 1976.

9. Марквардт К.Г. Контактна мережа. - М: Транспорт, 1994.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Спосіб запобігання зледеніння проводів повітряних ліній електропередачі змінного струму, що полягає в пропусканні змінного струму по подвійним або кратним проводам лінії електропередачі, який відрізняється тим, що проводи, підключені до однієї фази, з'єднані пружними перемичками, що забезпечують механічні коливання електричний струм.

2. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що електричний струм, що пропускається, має штатні параметри, що забезпечує безперервність процесу видалення з проводів крапель води, снігу і льоду.

Зледеніння- небезпечне явище, що погіршує характеристики та якості конструкцій, їхню міцність і, зрештою, довговічність та безпеку. Зледеніння значно збільшує лобовий опір вітру, що може призвести до руйнування конструкцій та механізмів.

Зледеніннявикликає аварії ліній електропередач, що дає зайвий привід замислитись про засоби їх захисту та проведення заходів. Основні засоби захисту проти зледеніння - підігрів або спеціальні антиобмерзаючі склади.

У світовій практиці для створення антиобмерзальних покриттів найбільш широко використовують органосилікатні композиції. Вони використовуються для боротьби з зледенінням різних приладів та пристроїв, що використовуються у виробничо-господарському комплексі, наприклад, ліній електропередач.

В окремих районах півночі ожеледиця та різні види зледеніння проводів ЛЕП порушують нормальну їх експлуатацію. Проводи ЛЕП часто зазнають зледеніння, у зв'язку з чим порушується цілісність єдиної системи, що призводить до аварій і навіть катастроф.

Традиційними основними заходами боротьби з льодом на ЛЕП є: видалення льоду з дротів і тросів електричним струмом або механічним способом, а також профілактичний прогрів дротів.

Механічний спосіб вимагає дуже багато часу та значних трудовитрат, у більшості випадків не визнається доцільним. Плавка льоду електричним струмом, як правило, є небезпечною для цілісності проводів і конструкцій опор. Енергоємність таких схем дуже велика.

Пропонований метод боротьби з льодом на дроті лінії індукційним струмом цієї лінії, за допомогою переміщення «індукційної торпеди»від однієї точки кріплення дроту до іншої, в межах одного прольоту, є новим напрямом у боротьбі зі зледенінням високовольтних ліній.

Переваги цього методу:

Повна автономія пересування торпеди в межах одного прольоту;

Можливість вибору в установці «торпед» у найбільш уразливих для зледеніння ділянках високовольтних ліній;

Незрівнянно менші енерговитрати проти існуючими способами;

Можливість дистанційного пуску та зупинки «торпеди» за командою диспетчера за допомогою кодованого сигналу з ВЧ зв'язку. Між цими сигналами – повне самоврядування у вигляді системи контактів кінцевих вимикачів;

Зниження ймовірності обриву проводів високовольтних ліній та руйнування несучих елементів опор, виключення «танців проводів»;

Надійність в експлуатації та довговічність, простота конструкції та дешевизна у виготовленні;

Відсутність потреби у обслуговуванні «торпеди» протягом усього її використання.

Провід ліній не витримує тяжкості снігу та льоду, що призводить до їх пошкодження і навіть до розриву. Результатом чого буде необхідне проведення електромонтажних робіт з відновлення ліній електропередач. Ефективно використовується керований пристрій плавки ожеледиці, в якому використовується тиристорний випрямляч, що керується. Воно спеціально призначене для боротьби з ожеледицею на високовольтних лініях електропередач. Слід зазначити, що раніше для плавки льоду на станції використовували нерегульований випрямляч. Особливістю сучасного пристрою є те, що він миттєво реагує на струм плавки ожеледиці, тим самим не допускаючи перегріву дротів і грозотросів, так як волоконно-оптичні лінії зв'язку, вбудовані в грозозахисні троси ліній електропередач не приймають такого впливу. До того ж управління цим пристроєм значно простіше, ніж його попередником. Він прискорює процес плавки, при цьому, не вимагаючи підвищення потужності встановленого трансформаторного обладнання. Контроль над роботою установок можна здійснювати із Центру керування мережами у режимі реального часу.

3.3 Експлуатація кабельних ліній до 35 кв.
Нагляд за трасами кабельних ліній провадиться з метою перевірки їх стану періодичним обходом та оглядом спеціально виділеними для цього монтерами у строки, передбачені ПТЕ, та інженерно-технічним персоналом у строки, передбачені місцевими інструкціями.

1.Позачергові обходи та огляди проводяться в період паводків та після злив, а також при відключенні ліній релейним захистом.

2.При обходах та оглядах трас кабельних ліній, прокладених на відкритих територіях, необхідно:

· перевірити, щоб на трасі не проводилися неузгоджені з експлуатуючою організацією роботи (будівництво споруд, розкопка землі, посадка рослин, влаштування складів, забивання паль, стовпів тощо), а також щоб не було завалів трас снігом, сміттям, шлаком , покидьками, був провалів і зсувів грунту;

· Оглядати місця перетину кабельних трас із залізницями, звертаючи увагу на наявність попереджувальних плакатів;

· Оглядати місця перетину кабельних трас шосейними дорогами, канавами, кюветами;

· оглядати стан пристроїв і кабелів, прокладених мостами, дамбами, естакадами та іншими подібними спорудами;

· перевіряти у місцях виходу кабелів на стіни будівель або опори повітряних ліній електропередачі наявність та стан захисту кабелів від механічних пошкоджень, справність кінцевих муфт;

3. При обходах та оглядах трас кабельних ліній, прокладених на закритих територіях, крім виконання вимог п.2 необхідно:

· Залучати до участі в огляді траси представника організації, відповідального за охорону кабелів та інших, що відносяться до них споруд;

· При виявленні дефектів на трасах ліній вручати розпорядження про їх усунення;

· у разі виявлення не усунених у встановлений при попередньому огляді термін недоліків складати протокол про порушення.

Доктор технічних наук В. Каганов, професор МИРЕА.

За останні п'ятнадцять років ожеледиця на високовольтних лініях почала виникати все частіше. При невеликому морозі, в умовах м'якої зими, на проводах осідають крапельки туману або дощу, покриваючи їх щільною крижаною шубою вагою кілька тонн на довжині кілометр. В результаті дроти рвуться, а опори ліній електропередач ламаються. Аварії, що почастішали, на ЛЕП пов'язані, мабуть, із загальним потеплінням клімату і вимагатимуть чимало сил і засобів на їх запобігання. Готуватися до них потрібно заздалегідь, але традиційний спосіб плавлення ожеледиці на проводах малоефективний, незручний, дорогий і небезпечний. Тому в Московському інституті радіоелектроніки та автоматики (МІРЕА) розроблено нову технологію не просто знищення вже намерзлого льоду, але що дозволяє заздалегідь запобігати його освіті.

Наука та життя // Ілюстрації

уски льоду на проводах, ізоляторах і несучих конструкціях часом досягають значних розмірів та маси.

Багатотонні шари льоду на дротах ламають навіть сталеві та залізобетонні опори.

Експериментальний генератор на 100 МГц потужністю 30 Вт, зібраний у МИРЕА.

Гололед - лихо для ліній електропередач

Згідно з словником Даля, ожеледиця має й іншу назву - гололед або гололед. Ожеледиця, тобто щільна крижана кірка, утворюється при намерзанні переохолоджених крапель дощу, мряки або туману при температурі від 0 до -5 ° С на поверхні землі та різних предметів, у тому числі проводах високовольтних ліній електропередач. Товщина ожеледиці на них може досягати 60-70 мм, суттєво обтяжуючи дроти. Прості розрахунки показують, що, наприклад, провід марки АС-185/43 діаметром 196 мм кілометрової довжини має масу 846 кг; при товщині ожеледиці 20 мм вона збільшується в 3,7 рази, при товщині 40 мм – у 9 разів, при товщині 60 мм – у 17 разів. При цьому загальна маса лінії електропередач з восьми проводів кілометрової довжини зростає відповідно до 25, 60 і 115 тонн, що призводить до обриву проводів і поломки металевих опор.

Подібні аварії завдають значної економічної шкоди, на їх усунення йде кілька днів і витрачаються величезні кошти. Так, за матеріалами фірми ОГРЕС, великі аварії через ожеледицю за період з 1971 по 2001 рік багаторазово відбувалися в 44 енергосистемах Росії. Лише одна аварія в сочинських електромережах у грудні 2001 року призвела до пошкодження 2,5 тис. км повітряних ліній електропередач напругою до 220 кВ та припинення електропостачання величезного району. Багато аварій ожеледиці було й минулої зими.

Найбільш схильні до ожеледиці високовольтні лінії електропередач на Кавказі (у тому числі і в районі зимової сочинської Олімпіади, що відбудеться в 2014 році), в Башкирії, на Камчатці, в інших районах Росії та інших країн. Боротися з цим лихом доводиться дуже дорогим і вкрай незручним способом.

Плавка електричним струмом

Крижану кірку на високовольтних лініях ліквідують, нагріваючи дроти постійним або змінним струмом частотою 50 Гц до температури 100-130°С. Зробити це найпростіше, замкнувши коротко два дроти (при цьому від мережі доводиться відключати всіх споживачів). Нехай для ефективного розтоплення крижаної кірки на дротах потрібно струм I пл. Тоді при плавленні постійним струмом напруга джерела живлення

U 0 = I пл R пр,

де R пр - активний опір проводів, а змінним струмом від мережі -

де X пр = 2FL пр - реактивний опір при частоті F = 50 Гц, обумовлений індуктивністю проводів L пр.

У лініях значної довжини та перерізу через відносно велику їх індуктивність напруга джерела змінного струму при частоті F = 50 Гц, а відповідно і його потужність повинні бути в 5-10 разів більше в порівнянні з джерелом постійного струму тієї ж сили. Тому економічно вигідно плавити льоду постійним струмом, хоча для цього потрібні потужні високовольтні випрямлячі. Змінний струм застосовують зазвичай високовольтних лініях напругою 110 кВ і нижче, а постійний - вище 110 кВ. Як приклад вкажемо, що при напрузі 110 кВ сила струму може досягати 1000 А, необхідна потужність - 190 млн А, температура дроту 130оС.

Таким чином, плавка ожеледиця струмом - досить незручний, складний, небезпечний і дорогий захід. Крім того, очищені дроти при кліматичних умовах, що збереглися, знову обростають льодом, який потрібно плавити знову і знову.

Перш ніж викласти сутність запропонованого нами методу боротьби з ожеледицею на проводах високовольтних ліній електропередач, зупинимося на двох фізичних явищах, перше з яких пов'язане зі скін-ефектом, друге - з електромагнітною хвилею, що біжить.

Скін-ефект і хвилі, що біжать

Назва ефекту походить від англійського слова "skin" - шкіра. Скін-ефект полягає в тому, що струми високої частоти, на відміну від постійного струму, не розподіляються рівномірно по перерізу провідника, а концентруються в дуже тонкому шарі його поверхні, товщина якого при частоті f > 10 кГц становить долю міліметра, а опір проводів зростає у сотні разів.

Електромагнітні коливання високої частоти можуть поширюватися у вільному просторі (при випромінюванні антеною) і в хвилеводах, наприклад, у так званих довгих лініях, якими електромагнітна хвиля ковзає, немов по рейках. Такою довгою лінією може бути пара проводів лінії електропередачі. Чим більший опір проводів лінії, тим більша частина енергії електромагнітного поля, що біжить уздовж лінії хвилі, перетворюється на тепло. Саме цей ефект і покладено основою нового способу запобігання ожеледиці на лініях електропередач.

У разі обмежених розмірів лінії або будь-якої високочастотної перешкоди, наприклад ємності, в лінії, крім падаючої, буде поширюватися і відбита хвиля, енергія якої також буде перетворюватися в тепло в міру її поширення від перешкоди до генератора.

Розрахунки показують, що для захисту від ожеледиці ЛЕП довжиною близько 10 км потрібен високочастотний генератор потужністю 20 кВт, тобто 2 Вт, що віддає потужності на метр дроту. Стаціонарний режим розігріву проводів при цьому настає за 20 хвилин. А при тому ж типі дроту застосування постійного струму потрібна потужність 100 Вт на метр із виходом на режим за 40 хвилин.

Струми високої частоти генерують потужні радіопередавачі УКХ ЧС-мовлення, що працюють у діапазоні 87,5-108 МГц. Їх можна підключати до проводів ЛЕП через пристрій узгодження з навантаженням – лінією електропередачі.

Для перевірки ефективності запропонованого методу в МИРЕА провели лабораторний експеримент. Генератор потужністю 30 Вт, частотою 100 МГц підключили до двопровідної лінії довжиною 50 м, розімкнутої на кінці, з проводами діаметром 0,4 мм та відстанню між ними 5 мм.

Під дією електромагнітної хвилі, що біжить температура нагрівання двопровідної лінії склала 50-60°С при температурі повітря 20°С. Результати експерименту із задовільною точністю збіглися з результатами розрахунків.

Висновки

Пропонований спосіб вимагає, звичайно, ретельної перевірки в реальних умовах діючої електромережі з проведенням повномасштабних експериментів, бо лабораторний експеримент дозволяє лише дати першу, попередню оцінку нового способу боротьби з ожеледицею. Але деякі висновки з усього сказаного таки можна зробити:

1. Розігрів ліній електропередач струмами високої частоти дозволить запобігати утворенню ожеледиці на проводах, оскільки можна нагріти їх до 10-20°С, не чекаючи утворення щільного льоду. Відключати від електричної мережі споживачів не доведеться - високочастотний сигнал до них не проникне.

Підкреслимо: спосіб дозволяє не допускати появи ожеледиці на проводах, а не починати з ним боротися після того, як крижана шуба їх огорне.

2. Оскільки дроти можна нагрівати всього на 10-20°С, то порівняно з плавкою, яка потребує нагрівання дротів до 100-130°С, значно зменшується витрата електроенергії.

3. Оскільки опір проводів струмам високої частоти порівняно з промисловою (50 Гц) різко зростає, коефіцієнт перетворення електричної енергії на теплову виявляється великий. Це своє чергу призводить до зниження необхідної потужності. Спочатку, мабуть, можна обмежитися частотою близько 100 МГц генератора потужністю 20-30 кВт, скориставшись існуючими мовними радіопередавачами.

Література

Дяков А. Ф., Засипкін А. С., Левченко І. І. Запобігання та ліквідація ожеледицьких аварій в електричних мережах. - П'ятигорськ: Вид-во РП «Південенерготехнагляд», 2000.

Каганов В. І. Коливання та хвилі в природі та техніці. Комп'ютеризований курс. – М.: Гаряча лінія – Телеком, 2008.

Левченко І. І., Засипкін А. С., Алілуєв А. А., Сацук Є. І. Діагностика, реконструкція та експлуатація повітряних ліній електропередачі в ожеледицьких районах. - М: Видавничий дім МЕІ, 2007.

Рудакова Р. М., Вавілова І. В., Голубков І. Є. Боротьба з ожеледицею в електромережевих підприємствах. - Уфа: Уфімськ. держ. авіац. техн. ун-т, 1995.

Яворський Б. М., Детлаф А. А. Довідник з фізики. - М: Наука, 1974.

Кувшинов А.А., д.т.н., Тольяттінський державний університет;
Карманов В.Ф., генеральний директор,
Ахметжанов Н.Г., головний спеціаліст ТОВ «Енергія Т» (м. Тольятті);
Шкуропат І.А., к.т.н., ЗАТ «ГК «Електрощит ТМ-Самара», м. Самара;
Галієв І.Т., аспірант кафедра ІІТ НДУ МЕІ,
Олександров Н.М., аспірант кафедри АЕЕС СамДТУ;
Хренніков А.Ю., д.т.н., АТ «НТЦ ФСК ЄЕС»

Вступ

При експлуатації повітряних ліній (ПЛ) електропередач у низці регіонів виникає серйозна проблема зледеніння проводів в осінньо-зимовий період, оскільки середній час ліквідації ожеледиць перевищує середній час ліквідації аварій, викликаних іншими причинами, в 10 і більше разів. Дослідження показують, що ожеледі відкладення на проводах ПЛ відбуваються при температурі повітря близько мінус 5 °С і швидкості вітру 5-10 м/с. Допустима товщина стінки ожеледь муфти становить від 5 до 20 мм для ПЛ напругою 3-330 кВ, розташованих у кліматичних районах по ожеледиці I-IV категорій.

Як пасивний захід боротьби з ожеледицею можуть використовуватися різні дроти підвищеної міцності. Наприклад, провід АССС (Aluminum Conductor Composite Core - алюмінієвий провід з композитним сердечником з різних матеріалів. Серцевий провідник ACCC стабільний за розмірами, оскільки коефіцієнт термічного розширення (1,6.10-6 °С-1) майже на порядок менший, ніж у сталі ( 11,5.10-6 °С-1) Тому дроти ACCC дозволяють тривалий час витримувати високу температуру, запобігаючи утворенню ожеледиці.

Слід також відзначити провід Aero-Z®, який складається з одного або кількох концентричних шарів круглих дротів (внутрішні шари) та перерізів дротів у вигляді «Z» (зовнішні шари). Кожен шар дроту має скручування по довжині, виконану з певним кроком. Гладка поверхня знижує вітрові навантаження на 30-35% і перешкоджає налипання снігу та льоду. Однак провід Aero-Z® має обмеження на плавку ожеледиці, оскільки не допускає тривалого підвищення температури понад 80 °С.

У цілому ж практична реалізація пасивних методів боротьби з ожеледицею можлива лише при проектуванні та введенні в дію нових ліній електропередач. Реконструкція «старих» ПЛ пов'язана із значними витратами.

Тому не втрачає актуальності завдання розробки активних методів боротьби з ожеледицею на проводах ПЛ. До традиційних методів можна віднести плавку ожеледиці на проводах ПЛ змінним струмом шляхом штучного створення коротких замикань або постійним струмом з використанням некерованих або керованих випрямних блоків. Однак у першому випадку можливе пошкодження проводів ПЛ, а в другому дорогі випрямні блоки більшу частину календарного року не використовуються. Водночас сучасний стан елементної бази силової електроніки відкриває додаткові можливості та стимулює розробку нових методів боротьби з ожеледицею, вільними від зазначених недоліків. Питанням дослідження ожеледоутворення та боротьби з ожеледицею присвячено велику кількість наукових публікацій. У цій роботі ставиться завдання систематизації та порівняльного аналізу існуючих способів боротьби з ожеледицею, рішення якої дозволить вибирати з наявної безлічі технічних рішень найбільш раціональне для місцевих умов.

Класифікація способів боротьби з ожеледицею

Відомі пристрої та способи використовують такі види фізичного впливу для видалення ожеледно-морозових відкладень з проводів ліній електропередач (рисунок 1):

• термічний вплив шляхом нагрівання проводу до температури 120-130 °С, при якому відбувається розплавлення ожеледної муфти, або шляхом профілактичного нагріву проводів на 10-20 °С для запобігання утворенню ожеледиці;
• термодинамічний вплив шляхом попереднього розігріву до формування підтопленого прошарку між дротом і крижаною муфтою і подальшого «струшування дротів силою Ампера», що виникає при пропусканні потужного імпульсу струму;
• електромеханічна дія шляхом періодичного пропускання імпульсів струму, що викликають механічні коливання проводів та руйнування ожеледкової муфти; ефективність електромеханічних впливів посилюється за таких параметрів імпульсів струму, які викликають механічний резонанс;
• механічна дія шляхом переміщення шнеків уздовж дроту з використанням енергії вітру, енергію електромагнітного поля фазного струму ПЛ, постійних магнітів, лінійного асинхронного двигуна або створення вібрацій дротів за допомогою генератора механічних коливань (надалі не розглядаються, оскільки практично не використовуються).

Малюнок 1 – Класифікація способів видалення ожеледних відкладень із проводів ПЛ:

УВ - керований випрямляч;

СТК – статичний тиристорний компенсатор;

ПЧ – перетворювач частоти;

НПЛ – безпосередній перетворювач частоти;

КПК – пристрій поздовжньої компенсації

Слід лише відзначити загальний недолік механічних систем, який полягає у необхідності ручної установки на провід, зняття з дроту, а також переваги з одного дроту на інший. Для цього необхідна спеціальна техніка (автовишка) та обслуговуючий персонал, що підвищує експлуатаційні витрати та ускладнює використання у важкодоступних районах.

Термічний вплив змінним струмом

Плавка ожеледиці змінним струмом застосовується на ПЛ напругою нижче 220 кВ з проводами перерізом менше 240 мм2. Джерелом живлення є, як правило, шини 6-10 кВ підстанцій або окремий трансформатор. Схема плавки ожеледиці повинна вибиратися таким чином, щоб забезпечити протікання по проводах ПЛ струму в 1,5-2 рази, що перевищує тривало допустимий струм. Таке перевищення виправдане короткочасністю процесу плавки (~1 год), а також інтенсивнішим охолодженням проводу в зимовий період. Для сталеалюмінієвих проводів типу АС перетином 50-185 мм2 орієнтовна величина одногодинного струму плавки ожеледиці лежить в межах 270-600 А, а струму, що запобігає утворенню ожеледиці на проводах, - в межах 160-375 А.

Однак лише за рахунок вибору схеми плавки ожеледиці часто неможливо підібрати необхідну величину струму короткого замикання. Перевищення зазначених вище значень струму плавки може призвести до відпалу проводів з подальшою незворотною втратою міцності. При менших значеннях одноразового пропускання струму короткого замикання може виявитися недостатньо повного видалення ожеледиці. Тоді короткі замикання доводиться неодноразово повторювати, що додатково ускладнює наслідки.

Уникнути зазначених негативних наслідків дозволяє використання тиристорного регулятора змінної напруги, схема якого представлена ​​малюнку 2 . У режимі плавки ожеледиці вимикач 7 вимкнений, вимикач 8 увімкнений. Можливі способи регулювання струму плавки – імпульсно-фазовий за допомогою зміни кутів включення силових тиристорів 1, 2 та 3 або широтно-імпульсний – за допомогою зміни кількості періодів подачі напруги.

Рисунок 2 – Установка для компенсації реактивної потужності та плавки ожеледиці

У режимі компенсації реактивної потужності вимикач 7 увімкнений, а вимикач 8 вимкнений. У цьому випадку силові тиристори 1, 2, 3 і реактори 4, 5, 6 утворюють тиристорно - реакторну групу, з'єднану трикутник, яка є елементом статичного тиристорного компенсатора. Автори допускають можливість використання конденсаторів замість реакторів. У цьому випадку компенсація реактивної потужності здійснюватиметься за допомогою регульованої конденсаторної батареї.

Однак незалежно від способу регулювання плавлення ожеледиці здійснюється змінним струмом промислової частоти і вимагає значних потужностей джерела живлення (десятки MB.А), оскільки активний опір проводів повітряної лінії значно менше індуктивного опору. Повна потужність джерела збільшується рахунок великої і марної для плавки ожеледиці реактивної навантаження. Підвищити ефективність плавки можна шляхом поздовжньої ємнісної компенсації індуктивного опору у разі використання конденсаторів у складі запропонованої установки. Проте автори такої можливості не розглядали.

Заслуговує на увагу комбінована установка для компенсації реактивної потужності та плавки ожеледиці, схема якої представлена ​​на малюнку 3 . У режимі плавки ожеледиці вимикач 7 включений, шунтуючи реактор 6, вимикач 9 відключає конденсаторну батарею 8, а вимикач 10 включений. При цьому можливе плавлення на всіх проводах повітряної лінії одночасно.

Рисунок 3 – Комбінована установка для компенсації реактивної потужності та плавки ожеледиці

У режимі компенсації реактивної потужності вимикачі 7 та 10 відключені, а вимикач 9 включений. В результаті утворюється типова схема статичного компенсатора на базі транзисторних модулів 1, 2 і 3, реакторів 5, 6 на стороні змінного струму та конденсаторної батареї 8 на стороні постійного струму. Така структура може працювати як у режимі генерації, і у режимі споживання реактивної потужності.

Істотним недоліком установки, зображеної малюнку 3, є неповне використання вентильної частини у режимі плавки. Це тим, що струм плавки протікає лише через «нижні» ключі фаз 1, 2 і 3 перетворювального моста. Для перетворення бруківки в три ключі змінного струму потрібно додаткове комутаційне обладнання і суттєве ускладнення силової схеми.

Термічний вплив постійним струмом

Вперше плавка ожеледиці постійним струмом як перспективний напрям боротьби з ожеледними відкладеннями на фазних проводах ПЛ відзначалася в . До перших серійних установок плавки ожеледиці постійним струмом можна віднести перетворювачі ВУКН-16800-14000, виконані за схемою Ларіонова на базі кремнієвих некерованих вентилів ВК-200 з випрямленою напругою 14 кВ, випрямленим струмом 100. Схеми плавки ожеледиці випрямленим струмом детально розглянуті у .

До недоліків методу слід віднести те, що ПЛ необхідно відключати, а випрямляючий блок більшу частину календарного року не використовується, оскільки необхідність плавки ожеледиці виникає тільки в зимовий період. Можна відзначити пропозицію плавки ожеледиці пульсуючим струмом без відключення ПЛ. Випрямний блок включається в розсічення дроту, що обігрівається таким чином, щоб постійний струм не протікав по обмотках силових трансформаторів і трансформаторів струму. Обігрів проводів здійснюється пульсуючим струмом, що містить змінну складову, що визначається навантаженням ПЛ, і постійну складову, що визначається випрямленою напругою та активним опором контуру плавки. Однак така пропозиція не збільшує ступеня використання випрямних блоків, а для практичної реалізації потребує додаткового комутаційного обладнання.

У зв'язку з цим цілком виправдані спроби розширення функціональних можливостей шляхом поєднання в одній установці випрямного блоку для плавки ожеледиці та пристрою для компенсації реактивної потужності. Це відкриває можливість цілорічної експлуатації обладнання, що значно підвищує його економічну ефективність.

У ВАТ «НДІПТ» розроблено перетворювальний пристрій контейнерного типу для комбінованої установки плавки ожеледиці та компенсації реактивної потужності (рисунок 4).

Рисунок 4 – Схема перетворювального пристрою контейнерного типу (а) та комбінованої установки (б) плавки ожеледиці та компенсації реактивної потужності

До складу перетворювального пристрою (рисунок 4) входить:

• транспортний контейнер 1,
• тиристорні модулі 2 з блоками керування 3,
• система примусового повітряного охолодження 4,
• роз'єднувач 5 з електромеханічним приводом 6
• анодний 7, катодний 8 і 9 фазний висновки перетворювального моста,
• система управління, регулювання, захисту та автоматики 10,
• роз'єднувачі 11, 12 та конденсаторні батареї 13.1, 13.2 та 13.3.

Силове обладнання призначене для експлуатації в районах з помірним та холодним кліматом (виконання УХЛ 1) та розміщено у закритому сталевому контейнері, що встановлюється на відкритій частині фундаменту підстанції. Силове харчування здійснюється від обмотки 10 кВ виділеного трансформатора. З перетворювальних пристроїв, зображених малюнку 4а, збирається комбінована установка, схема якої показано малюнку 4б.

У режимі плавки ожеледиці роз'єднувачі 11, 12 замкнуті (малюнок 4б), роз'єднувачі 5 (малюнок 4а) розімкнуті. Збирається схема трифазного мостового випрямляча, який забезпечує номінальну випрямлену напругу 14 кВ, номінальний струм плавки 1400 А та регулювання струму плавки в діапазоні 200-1400 А.

У режимі компенсації реактивної потужності роз'єднувачі 11 та 12 розімкнуті, а роз'єднувачі 5 замкнуті. Збирається схема конденсаторної батареї 13.1, 13.2 та 13.3, керованої тиристорними модулями 2, з'єднаними зустрічно - паралельно. Однак у режимі компенсації можливе лише ступінчасте регулювання реактивної потужності.

Останнього недоліку вдається уникнути комбінованої установки для плавки ожеледиці і компенсації реактивної потужності, схема якої представлена ​​малюнку 5 (розробка ВАТ «НДІПТ») .

Рисунок 5 – Комбінована установка для плавки ожеледиці та компенсації реактивної потужності

До складу комбінованої установки входять живильний трансформатор 1, трифазні роз'єднувачі 2 і 16, трифазні реактори 3 і 15, високовольтний мостовий перетворювач 4, конденсаторна батарея постійного струму 5, однофазні роз'єднувачі 6 і 7, система управління 8 складання зворотними діодами та резонансний трансформатор 17.

У режимі плавки ожеледиці роз'єднувачі 6, 7 і 16 включені. Плавка здійснюється постійним струмом. Регулювання струму плавки здійснюється способом високочастотної ШІМ. Наприклад, при проходженні струму навантаження через діоди збірок 13 і 10 повністю керований прилад зі складання 9 або 14 підключається в режимі ШІМ. При цьому короткочасно утворюється контур двофазного короткого замикання 9-10 або 13-14. Навантаження шунтується, і струм плавки регулюється. Швидкість наростання струму короткого замикання обмежується реактором 3. За рахунок вибору частоти та коефіцієнта модуляції ШІМ замикання тиристора відбувається раніше збільшення струму короткого замикання до небезпечного рівня. При цьому інтервал провідності тиристора менший, ніж у режимі компенсації реактивної потужності. У режимі компенсації реактивної потужності роз'єднувачі 6, 7 та 16 вимкнені. Високовольтний мостовий перетворювач 4 працює в режимі «СТАТКОМ».

На думку ряду авторів, які спираються на власний досвід роботи, лише від 7 до 30 % довжини дроту, що нагрівається під час плавки, дійсно покрито ожеледицею. Це тим, що окремі ділянки ПЛ за рахунок кутів повороту і неможливістю передбачити напрям вітру в момент утворення ожеледиці виявляються в різних кліматичних умовах. Відповідно, значна частина електроенергії витрачається марно. У цьому зв'язку, запропоновано мобільну установку, яка дозволяє виїжджати на ділянки ПЛ, в яких виявлено зледеніння проводів.

Мобільний генератор для плавки ожеледиці на проводах ПЛ виконується на автомобільній платформі, живлення (0,4 кВ) трифазного випрямного моста здійснюється від двох дизель-генераторів ADV320 по 320 кВт кожен. Передбачені провідники з клемами для підключення до проводів ПЛ та електричні шини для з'єднання проводів на прольоті між опорами за схемою плавки ожеледиці. Розглянуте технічне рішення забезпечує плавку ожеледиці на довжині двох прольотів повітряної лінії на фазних проводах та грозозахисному тросі.

Загальним недоліком всіх пристроїв, що реалізують термічний вплив постійним струмом, є необхідність застосування схеми плавки ожеледиці «провід – провід» або «провід – два дроти». У будь-якому випадку збільшується час плавки і, відповідно, витрати електроенергії. Для зменшення часу плавки перевагу слід було б віддати схемі плавки «три дроти – земля», проте заземлювальні пристрої підстанцій не розраховані, як правило, на порівняно тривале перебіг постійного струму величиною до 2000 А.

Термічна дія струмом ультранизкої частоти

Технічний зміст цього виду впливу полягає в тому, що плавку виробляють струмом низької частоти, що формується трифазним автономним інвертором напруги, а ефективне значення струму плавки задають і підтримують на необхідному рівні зміною величини напруги живлення.

При частоті вихідної напруги автономного інвертора в десяті частки Гц і нижче величина струму проводах лінії обмежується практично тільки активним опором. В результаті збільшується допустима довжина повітряної лінії в порівнянні з плавкою змінним струмом промислової частоти, спрощується організації плавки, скорочується тривалість процесу плавлення ожеледиці, зменшується кількість додаткового комутаційного обладнання.

Схема комбінованої установки для плавки ожеледиці та компенсації реактивної потужності, що реалізує запропонований спосіб, представлена ​​на малюнку 6.

Рисунок 6 – Комбінована установка для плавки ожеледиці та компенсації реактивної потужності

До складу комбінованої установки входять трифазні мостові перетворювачі на повністю керованих напівпровідникових ключах 1 і 7 триполюсні вимикачі 2, 5, 8, 9, трифазні дроселі 3, 4, конденсаторна батарея 6 і система управління 10.

У режимі плавки ожеледиці вимикачі 5 і 8 включені, а вимикач 9 вимкнено. Мостовий перетворювач 1 працює в режимі керованого випрямляча, а мостовий перетворювач 7 працює в режимі автономного трифазного інвертора напруги. Плавка здійснюється одночасно на трьох дротах повітряної лінії. У режимі компенсації реактивної потужності вимикачі 5 та 8 вимкнені, а вимикач 9 включений. Мостові перетворювачі 1 та 7 працюють паралельно.

Кут включення вибирається трохи менше 180 °. З мережі споживається активна потужність, необхідна підтримки напруги на конденсаторної батареї 6. На стороні мостових перетворювачів 1 і 7 змінного струму формується змінна напруга. Фаза першої гармоніки зрушена по відношенню до фазних напруг джерела живлення на кут. Якщо амплітуда першої гармоніки напруги, що формується, перевищує амплітуду напруги джерела живлення, то мостові перетворювачі 1 і 7 генерують реактивну потужність, а якщо менше - то споживають реактивну потужність. Зміною коефіцієнта модуляції високочастотної ШІМ регулюють амплітуду першої гармоніки напруги, що формується, а, отже, величину і напрямок реактивної потужності.

Термічна дія струмом високої частоти

Метод полягає в тому, що без відключення ПЛ від споживачів на фазні дроти через узгоджуючий пристрій та високовольтні конденсатори зв'язку подається від генератора струм частотою 50-500 МГц. В однорідному провіднику змінний струм концентрується в поверхневому шарі, витончення якого зі зростанням частоти веде до збільшення опору частини провідника, по якій проходить струм. Це означає, що при однаковій величині струму, що протікає по дроту, чим вище значення частоти сигналу, тим більше теплова потужність, що розсіюється на провіднику. Наприклад, при МГц опір алюмінієвих проводів зростає у 600 разів і більше.

Показано, що при потужності високочастотного генератора кілька десятків кВт можливе нагрівання дроту на 10-20 °С, що повинно запобігти утворенню ожеледиць. Для усунення ж ожеледиці і плавки ожеледиці потрібно нагрівання до температури 100-180 °С. Відповідно буде потрібно значно більші витрати електроенергії і триваліша процедура плавки.

Тому даний спосіб найбільш доцільно застосовувати у профілактичних цілях для запобігання ожеледі, оскільки реалізується без відключення споживачів. Однак використання генераторів з діапазоном частот 87,5-108 МГц загрожує небезпекою створення інтенсивних радіоперешкод в УКХ діапазоні.

Термодинамічний вплив

Підігрів дроту струмом високої частоти може не тільки перешкоджати утворенню ожеледицевих відкладень, але й використовуватися для полегшення процедури видалення гололедної муфти, що вже утворилася. Це зокрема використано пристрої, схема якого представлена ​​малюнку 7 .

Рисунок 7 – Пристрій для видалення сніжно-льодового покриття з дротів ліній електропередачі

Автоматизоване робоче місце АРМ диспетчера 6 та контролер 5 забезпечують безперебійну роботу підстанції з відображенням оперативної інформації на світловому табло 7.

Електромеханічна дія

Відомо, що при протіканні струму паралельні дроти притягуються або відштовхуються під дією сили Ампера, що виникає між ними. При періодичному пропусканні імпульсів струму, дроти ПЛ здійснюватимуть механічні коливання, що руйнують ожеледно-морозові відкладення. Частота імпульсів струму повинна бути близькою до механічного резонансу та амплітудою, достатньою для подолання зовнішніх та внутрішніх сил тертя. Зміна струму, що пропускається, може бути строго періодичним, мати частоту, що коливається, змінюватися за гармонічним законом, мати форму пачок імпульсів із заданими законами зміни частоти, амплітуди і шпаруватості. На малюнку 8 наведено один із можливих варіантів реалізації автоматизованої системи видалення ожеледиці, що реалізує запропонований спосіб.

Рисунок 8 – Система електромеханічного впливу на дроти повітряної лінії для видалення ожеледиці

Силовий трансформатор 1 перетворює напругу живлення до потрібної величини. Блок силової електроніки випрямляє отримане від силового трансформатора 1 напруга і формує імпульси струму необхідної величини, форми та частоти, що пропускаються через дроти 2 ПЛ. Система управління, що являє собою програмований логічний контролер, обробляє інформацію із зовнішніх датчиків ожеледно-вітрових навантажень 3, вологості 4 і температури 5, задає необхідну форму та частоту імпульсів струму для блоку силової електроніки та керує роботою системи загалом.

При практичному використанні даного способу необхідний ретельний і точний розрахунок величини та частоти імпульсів струму, щоб уникнути можливих негативних наслідків резонансу. Для підвищення ефективності руйнування ожеледь відкладень, слід пропускати імпульси струму по проводах, що лежать на різних рівнях. Це дозволяє використовувати інерцію льоду та силу тяжіння як додатковий руйнівний фактор.

Цей спосіб так само, як і плавка, вимагає відключення ПЛ. Однак час механічного руйнування льоду істотно менше часу, що витрачається на плавку. Тому витрати електроенергії на очищення будуть нижчими, ніж при плавці ожеледиць.

Висновки

Домінуючий тренд у галузі розробки нових засобів боротьби з ожеледицею на проводах ПЛ полягає у використанні комбінованих перетворювальних установок, здатних здійснювати при виникненні необхідності плавлення ожеледиці, а решту часу компенсацію реактивної потужності.

Найбільш перспективним слід визнати плавку ожеледиця струмом ультранизкої частоти, який поєднує переваги плавки змінним струмом промислової частоти (на трьох проводах одночасно) і плавки постійним струмом (обмежений тільки активним опором, плавне регулювання струму плавки). Додаткова перевага полягає в тому, що установка для плавки ожеледиця струмом ультранизкої частоти легко трансформується в статичний компенсатор реактивної потужності. Це дозволяє експлуатувати дороге перетворювальне обладнання протягом календарного року. Тим не менш, зберігається такий недолік як необхідність відключення ПЛ для очищення.

Повністю звільнитися від останнього недоліку може дозволити технологія гнучких електропередач змінного струму , у складі яких використовується перетворювальне обладнання, теоретично здатне при необхідності забезпечити, наприклад, профілактичний прогрів проводів, що перешкоджає утворенню ожеледі.

Список літератури

Електротехнічний довідник: 3т. Т.3. У 2кн. Кн.1. Виробництво та розподіл електричної енергії (Під заг. ред. Професорів МЕІ: І. Н. Орлова (гл. ред.) та ін). 7 видавництво, испр. та дод. - М.: Енергоатомідат. - 1988 р. - 880 с.

Алексєєв Б.А. Підвищення пропускної спроможності повітряних ліній електропередачі та застосування дротів нових марок // ЕЛЕКТРО. - 2009. - №3. - С.45-50.

РД 34.20.511 (МУ 34-70-028-82) Методичні вказівки з плавки ожеледиці змінним струмом. Ч.1.М.: Союзтехенерго, 1983.

РД 34.20.511 (МУ 34-70-028-82) Методичні вказівки щодо плавки ожеледиці постійним струмом. Ч.2.М.: Союзтехенерго, 1983.

Патент РФ 2505898 МКІ H02G7/16, H02J3,18. Установка для компенсації реактивної потужності та плавки ожеледиці//Ю.П.Сташинов, В.В. Конопелька. - Опубл. 27.01.2014.

Патент РФ 2505903 МКІ H02J3/18, H02G7/16. Комбінована установка для компенсації реактивної потужності та плавки ожеледиці// Ю.П. Сташинов, В.В. Конопелька. - Опубл. 27.01.2014.

Бургсдорф В.В. Плавка ожеледиці постійним струмом без відключення лінії// Електричні станції. - 1945. - №11.

Високовольтна випрямна установка типу ВУКН-16800-14000. Анотований перелік основних науково-дослідних та дослідно-конструкторських робіт, виконаних у Мордовському науково-дослідному електротехнічному інституті (1965-1968 рр.). - Інформелектро, 1970.

Генріх Г.А., Денисенко Г.І., Мішин В.В., Стряпан В.М. Особливі режими роботи потужних статичних перетворювачів установок плавки ожеледиці на лініях електропередач. – Видавниче об'єднання «Вища школа». - 1975. - 242 с.

Патент РФ 2390895 МКІ H02G7/16, H02J3/18. Перетворювальний пристрій контейнерного типу для комбінованої установки плавки ожеледиці та компенсації реактивної потужності// М.К. Гуревич, М.А. Козлова, А.В. Лобанов, А.В. Рєпін, Ю.А. Шершнєв. - Опубл. 27.05.2010.

Патент РФ 2376692 МКІ H02G7/16, H02J3/18. Комбінована установка для плавки ожеледиці та компенсації реактивної потужності// М.К. Гуревич, А.В. Рєпін, Ю.А. Шершнєв. - Опубл. 20.12.2009.

Патент РФ 2522423 МКІ H02G7 | 16. Мобільний генератор струму для плавки ожеледиці на проводах повітряних ліній електропередач // А.В. Козлов, О.М. Чулков, А.В. Шурупов, А.А. Виноградів. - Опубл. 10.07.2014.

Патент РФ 2505897 МКІ H02G7/16. Спосіб керованої плавки ожеледиці на повітряних лініях електропередачі змінним струмом// Ю.П. Сташинов, В.В. Конопелька. - Опубл. 31.05.2012.

Патент РФ 2356148 МКІ H02G7/16. Спосіб та пристрій для боротьби з ожеледицею на лініях електропередачі// В.І. Каганів. - Опубл. 20.05.2009.

Патент РФ 2520581 МКІ H02G7/16. Пристрій для видалення сніжно-льодового покриття з дротів ліній електропередачі// Н.Д. Шелковніков, Д.М. Шовковників. - Опубл. 27.06.2014.

Патент РФ 2166826 МКІ H02G7/16, B60M1/12. Спосіб видалення ожеледиці з проводів контактної мережі та ліній електропередачі// А.В. Єфімов, А.Г. Галкін. - Опубл. 10.05.2001.

Патент РФ 93184 МКІ H02G7/16 на корисну модель. Пристрій для очищення проводів ліній електропередач // Р.Р. Саттаров, Ф.Р. Ісмагілов, М.А. Алмаєв. - Опубл. 20.04.2010.

Кочкін В.І. Нові технології підвищення пропускної спроможності ЛЕП. Керована передача потужності// Новини Електротехніки. - 2007. - № 4 (46).