Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в предотвращении образования льда на проводах линий электропередачи без необходимости отключения линии на обслуживание. Способ заключается в соединении двойных проводов линии электропередачи, подключенных к одной фазе, упругими перемычками, например, пружинами, обеспечивающими механические колебания проводов при штатных параметрах протекающего через них электрического тока. В штатном режиме работы линии электропередачи при прохождении переменного тока, соединенные пружиной пары проводов одной фазы постоянно, совершают колебательные движения, что обеспечивает непрерывное стряхивание с них капель влаги и снега и тем самым предотвращает обледенение. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Рисунки к патенту РФ 2474939

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано при эксплуатации линий электропередачи переменного тока. Известны механические , электрические и химические способы удаления льда с проводов линий электропередачи.

Механические способы заключаются в применении специальных приспособлений, обеспечивающих удаление льда с проводов. Недостатком таких устройств является низкая производительность и возможность повреждения и деформации проводов в процессе удаления гололеда, что приводит к обрывам сети и сопровождается ускоренным износом проводов.

Химические способы заключаются в нанесении на провода специальных веществ, предотвращающих образование льда или обеспечивающих его разрушение. Процесс нанесения характеризуется большой трудоемкостью. Кроме того, такие вещества недолговечны, поэтому в течение всего гололедного сезона нуждаются в периодическом обновлении.

Электрические способы удаления льда заключаются в нагреве или встряхивании проводов импульсами тока, обеспечивающими плавку льда или предотвращение его образования.

В качестве прототипа выбран способ удаления гололеда с проводов контактной сети и линий электропередачи, заключающийся в пропускании по двойным или кратным проводам линии электропередачи переменного тока или импульсов тока с частотой, близкой к их механическому резонансу . Возникающие при этом механические колебания проводов обеспечивают удаление с них влаги и льда. Недостатками этого способа являются:

Необходимость отключения линии электропередачи на обслуживание в связи с тем, что параметры тока, требуемые для обеспечения механического резонанса проводов, могут существенно отличаться от стандартного тока;

Необходимость во вспомогательном источнике импульсного или переменного тока с настройкой частоты импульсов на частоту резонанса проводов;

Необходимость использования выездных бригад для доставки оборудования к местам обледенения, что может быть связано со значительными издержками при работе в труднодоступных районах и в условиях интенсивного гололедообразования;

Невозможность частого применения данного способа требует увеличения мощности импульсов тока, встряхивающих провода, что может приводить к механическому повреждению и разрыву проводов.

Целью изобретения является предотвращение образования льда на проводах линий электропередачи в штатном режиме их работы без необходимости отключения на обслуживание.

Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом способе пары проводов линии электропередачи, подключенные к одной фазе, соединяются упругими перемычками, например, пружинами, параметры которых подобраны таким образом, чтобы обеспечить непрерывные механические колебания проводов при штатных параметрах тока, проходящего через линию электропередачи. Схема расположения проводов и перемычек приведена на фиг.1.

Способ предотвращения обледенения представлен на фиг.2 и заключается в том, что в штатном режиме работы линии электропередачи при прохождении переменного тока соединенные упругими перемычками пары проводов одной фазы постоянно совершают колебательные движения, отталкиваясь под действием силы упругости перемычки F У и притягиваясь под действием силы Лоренца F Л:

,

где d - расстояние между проводами; I 1 , I 2 - сила тока в проводах; µ, µ 0 - магнитная проницаемость среды и вакуума; l - длина проводов .

Непрерывная вибрация проводов приводит к стряхиванию с них капель воды, снега и льда и тем самым предотвращает обледенение, а также приводит к раскалыванию ледяной корки при ее образовании.

Таким образом, в штатном режиме работы линии электропередачи ликвидируются причины обледенения проводов, а не его последствия, что избавляет от необходимости отключения на обслуживание, снижает требуемые затраты ресурсов и энергии.

Источники информации

1. Устройство для удаления гололедных отложений. МКИ H02G 7/16. А.С. № 957332, 07.09.1982.

2. Встряхиватель проводов. МПК H02G 7/16. Российская Федерация, пат. № 2318279, 20.06.2006.

3. Линия электропередачи. МПК H02G 7/16. Российская Федерация, пат. № 2076418, 27.03.1997.

4. Способ удаления гололеда с проводов контактной сети и линий электропередачи. МПК H02G 7/16, В60М 1/12. Российская Федерация, пат. № 2166826, 27.04.2001.

5. Устройство для предотвращения образования гололеда на воздушной линии. МПК H02G 7/16. Российская Федерация, пат. № 2316866, 10.02.2008.

6. Способ и устройство для борьбы с гололедом на линиях электропередачи. МПК H02G 7/16. Российская Федерация, пат. № 2356148, 20.05.2009.

7. Высоковольтная сеть. МПК H02G 7/16, H02J 3/18. Российская Федерация, пат. № 2365011, 20.08.2009.

8. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. - М.: Наука, 1976.

9. Марквардт К.Г. Контактная сеть. - М.: Транспорт, 1994.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ предотвращения обледенения проводов воздушных линий электропередачи переменного тока, заключающийся в пропускании переменного тока по двойным или кратным проводам линии электропередачи, отличающийся тем, что провода, подключенные к одной фазе, соединены упругими перемычками, обеспечивающими механические колебания проводов при штатных параметрах протекающего через них электрического тока.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пропускаемый электрический ток имеет штатные параметры, что обеспечивает непрерывность процесса удаления с проводов капель воды, снега и льда.

Обледенение - опасное явление, ухудшающее характеристики и качества конструкций, их прочность и, в конечном счете, долговечность и безопасность. Обледенение значительно увеличивает лобовое сопротивление ветру, что может привести к разрушению конструкций и механизмов.

Обледенение вызывает аварии линий электропередач, что дает лишний повод задуматься о средствах их защиты и проведении мероприятий. Основные средства защиты против обледенения - подогрев или специальные антиобледенительные составы.

В мировой практике для создания антиобледенительных покрытий наиболее широко используют органосиликатные композиции. Они используются для борьбы с обледенением различных приборов и устройств, используемых в производственно – хозяйственном комплексе, например, линий электропередач.

В отдельных районах севера гололед и различные виды обледенения проводов ЛЭП нарушают нормальную их эксплуатацию. Провода ЛЭП часто подвергаются обледенению, в связи с чем нарушается целостность единой системы, приводящей к авариям и даже катастрофам.

Традиционными основными мероприятиями борьбы с наледью на ЛЭП являются: удаление наледи с проводов и тросов электрическим током или механическим способом, а также профилактический прогрев проводов.

Механический способ требует очень много времени и значительных трудозатрат, в большинстве случаев не признается целесообразным. Плавка наледи электрическим током, в большинстве случаев, является опасной для целостности проводов и конструкций опор. Энергоемкость таких схем очень велика.

Предлагаемый метод борьбы с наледью на проводе линии индукционным током этой же линии, посредством перемещения«индукционной торпеды» от одной точки крепления провода до другой, в пределах одного пролета, является новым направлением в борьбе с обледенением высоковольтных линий.

Преимущества этого метода:

Полная автономия передвижения «торпеды» в пределах одного пролета;

Возможность выбора в установке «торпед» в наиболее уязвимых для обледенения участках высоковольтных линий;

Несоизмеримо меньшие энергозатраты в сравнении с существующими способами;

Возможность дистанционного пуска и остановки «торпеды» по команде диспетчера посредством кодированного сигнала по ВЧ связи. Между этими сигналами – полное самоуправление посредством системы контактов конечных выключателей;

Снижение вероятности обрыва проводов высоковольтных линий и разрушения несущих элементов опор, исключение «пляски проводов»;

Надежность в эксплуатации и долговечность, простота конструкции и дешевизна в изготовлении;

Отсутствие необходимости в обслуживании «торпеды» в течение всего времени ее использования.

Провода линий не выдерживают тяжести снега и льда, что приводит к их повреждению и даже к разрыву. Результатом чего, будет необходимо проведение электромонтажных работ по восстановлению линий электропередач. Эффективно используется управляемое устройство плавки гололеда, в котором используется тиристорный управляемый выпрямитель. Оно специально предназначено для борьбы с гололедообразованием на высоковольтных линиях электропередач. Необходимо отметить, что раньше для плавки льда на станции использовали нерегулируемый выпрямитель. Особенностью современного устройства является то, что он мгновенно реагирует на ток плавки гололеда, тем самым не допуская перегрева проводов и грозотросов, так как волоконно-оптические линии связи, встроенные в грозозащитные тросы линий электропередач не приемлют такого воздействия. К тому же управление данным устройством существенно проще, чем его предшественником. Он на порядок ускоряет процесс плавки, при этом, не требуя повышения мощности установленного трансформаторного оборудования. Контроль над работой установок можно производить из Центра управления сетями в режиме реального времени.

3.3 Эксплуатация кабельных линий до 35 кв
Надзор за трассами кабельных линий производится в целях проверки их состояния периодическим обходом и осмотром специально выделенными для этого монтерами в сроки, предусмотренные ПТЭ, и инженерно-техническим персоналом в сроки, предусмотренные местными инструкциями.

1.Внеочередные обходы и осмотры производятся в период паводков и после ливней, а также при отключении линий релейной защитой.

2.При обходах и осмотрах трасс кабельных линий, проложенных на открытых территориях, необходимо:

· проверить, чтобы на трассе не производились несогласованные с эксплуатирующей организацией работы (строительство сооружений, раскопка земли, посадка растений, устройство складов, забивка свай, столбов и т.п.), а также, чтобы не было завалов трасс снегом, мусором, шлаком, отбросами, не было провалов и оползней грунта;

· осматривать места пересечения кабельных трасс с железными дорогами, обращая внимание на наличие предупредительных плакатов;

· осматривать места пересечения кабельных трасс шоссейными дорогами, канавами, кюветами;

· осматривать состояние устройств и кабелей, проложенных по мостам, дамбам, эстакадам и другим подобным сооружениям;

· проверять в местах выхода кабелей на стены зданий или опоры воздушных линий электропередачи наличие и состояние защиты кабелей от механических повреждений, исправность концевых муфт;

3. При обходах и осмотрах трасс кабельных линий, проложенных на закрытых территориях, кроме выполнения требований п.2 необходимо:

· привлекать к участию в осмотре трассы представителя организации, ответственного за охрану кабелей и других, относящихся к ним сооружений;

· при выявлении дефектов на трассах линий вручать предписания об их устранении;

· в случае выявления не устраненных в установленный при предыдущем осмотре срок недостатков, составлять протокол о нарушении.

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.

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).