CC BY
123
УДК 621.315.175
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ГОЛОЛЕДА НА ПРОВОДАХ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ. ЧАСТЬ 2. ЛОКАЦИОННЫЙ МЕТОД
МИНУЛЛИН Р.Г., АБДУЛЛАЗЯНОВ Э.Ю., КАСИМОВ В.А., ЯРУЛЛИН М.Р.
Казанский государственный энергетический университет
Рассматриваются используемые в настоящее время способы обнаружения гололедных отложений на проводах линий электропередачи: методы прогнозирования вероятности гололедообразования и метод взвешивания проводов (в первой части статьи), а также локационный метод. Локационный метод обладает высокой чувствительностью и оперативностью, позволяет контролировать состояние всей линии электропередачи с использованием простой аппаратуры при легкости ее монтажа.
Ключевые слова: воздушные линии электропередачи, гололедно-изморозевые отложения на проводах, контроль гололедообразования, локационный метод, рефлектограмма, затухание и запаздывание отраженных импульсов, экспериментальные данные, анализ эффективности локационного метода.
Работа посвящена проблеме гололедных аварий на воздушных линиях (ВЛ), а именно методам прогнозирования и контроля гололедообразования на проводах линий электропередачи (ЛЭП). В первой части статьи [1] рассмотрены методы прогнозирования и взвешивания проводов, здесь же подробно рассматривается локационный способ контроля гололеда на ВЛ.
Локационный метод зондирования заключается в подаче импульсного сигнала в контролируемую линию электропередачи и определении суммарного времени, затраченного на его распространение вдоль провода в прямом и обратном направлении после отражения от конца линии либо ВЧ заградителя.
При локационном способе обнаружения гололеда [2-4] информацию о появлении гололеда несут импульсы, отраженные от любой неоднородности волнового сопротивления линии (далее - неоднородности), имеющейся на ней. Неоднородностями являются концы линий или ответвлений от них. Концы линий могут быть разомкнуты, замкнуты или нагружены на обмотки трансформаторов или на ВЧ заградители. Неоднородностями являются места присоединения ответвлений к линии электропередачи, места соединения воздушных линий с кабельными вставками. Это могут быть искусственно включенные в линию неоднородности в виде ВЧ заградителей как некие реперные точки, от которых будут отражаться зондирующие импульсы локационного устройства.
При образовании гололедных отложений увеличивается время прохождения отраженным импульсом заданного участка линии с одновременным уменьшением его амплитуды.
Схема локационного устройства показана на рис. 1.
Подключение локационного устройства (локатор) к линии электропередачи показано на рис. 2.
© Р.Г. Минуллин, Э.Ю. Абдуллазянов, В.А. Касимов, М.Р. Яруллин Проблемы энергетики, 2013, № 9-10
Рис. 1. Функциональная схема локационного устройства
Рис. 2. Схема подключения локационного устройства к линии, имеющей элементы высокочастотной обработки: В - выключатель; ЛР - линейный разъединитель; ВЧЗ - высокочастотный заградитель;
КС - конденсатор связи; ФП - фильтр присоединения; ВК - высокочастотный кабель; АС -аппаратура связи; локатор - локационное устройство
Гололедные образования на проводах представляют собой неоднородный диэлектрик, который уменьшает скорость распространения сигнала вдоль линии и вызывает его дополнительное затухание, обусловленное диэлектрическими потерями энергии электромагнитной волны, которая расходуется на нагрев слоя гололедного покрытия. Метод позволяет определить появление гололедных образований на проводах ЛЭП путем сравнения времени распространения отраженных сигналов или их амплитуд при наличии и при отсутствии гололедных образований
При зондировании линии импульсными локаторами (рефлектометрами) совокупность отраженных импульсов образует рефлектограмму. Появление любой неоднородности на линии вызывает изменение рефлектограммы. Эти изменения надежно обнаруживаются (рис. 3, в), если из штатной (эталонной) рефлектограммы (рис. 3, б -сплошная линия) вычесть существующую текущую рефлектограмму (рис. 3, б -пунктирная линия). Чем больше волновое сопротивление линии будет изменяться под действием толщины гололедных отложений из-за изменения диэлектрической проницаемости между проводами линии, тем больше будут изменения соответствующей ей рефлектограммы.
в I, М
Рис. 3. Режим обнаружения гололеда на воздушной линии 110 кВ длиной 11 800 м между подстанциями «№ 14» и «Бугульма-500»: а - схема линии; б - рефлектограммы линии без гололеда
(-) и при наличии гололеда (.....); в - разность рефлектограмм линии без гололеда и при наличии
гололеда с колебаниями сигнала в точке Б, обусловленными наличием гололедных отложений
Для обнаружения гололеда на ЛЭП разработан комплекс, который представляет собой автономное устройство для автоматического обнаружения гололедных отложений на ЛЭП по двум критериям: задержка импульса Ах и уменьшение амплитуды импульса AU, как это показано на рис. 3. Процедура отсчета по этим критериям выполняется следующим образом:
1. Измерение задержки импульса Ат. Вводится переменная задержка отраженного импульса до тех пор, пока не будет достигнут максимум корреляции (в пределах заданного окна по временной шкале) между эталонным и текущим отраженными импульсами. Временной интервал, на который потребовалось сдвинуть текущий отраженный импульс, является задержкой Ат импульса за счет появления гололеда. Величина задержки Ат напрямую связана с величиной гололедных отложений на проводах ЛЭП.
2. Измерение уменьшения амплитуды импульса Аи.После совмещения по временной шкале эталонного и текущего отраженных импульсов, изменяют амплитуду текущего импульса до получения максимума корреляции между текущим и эталонным отраженными импульсами. Коэффициент, на который потребовалось умножить амплитуду текущего отраженного импульса для достижения равенства с эталонным, является коэффициентом затухания импульса при его распространении вдоль провода ЛЭП с гололедной муфтой.
При появлении гололедных отложений величины U и Ат меняются синхронно, как это показано на рис. 4 (отмечено овалами). Использование двух критериев повышает надежность обнаружения гололедных отложений на проводах линий электропередачи.
На отсчеты амплитуды U и запаздывания Ат отраженного импульса могут влиять погодные условия, изменения температуры окружающей среды, ветровые воздействия и т. д.
Рис. 4. Суточные изменения амплитуды и и запаздывания Дт отраженного импульса на ВЛ 110 кВ «Кутлу Букаш-Рыбная Слобода» [26.03.2012-31.03.2012]
Был выполнен трехгодичный цикл (2010-2012 гг.) круглосуточных измерений параметров и и Дт на ЛЭП «Кутлу Букаш-Рыбная Слобода» и «Бугульма №14-Бугульма-500». На рис. 5 показаны в качестве примера для ВЛ 110 кВ «Кутлу Букаш-Рыбная Слобода» графики (сплошные линии) годовых изменений в 2010 году среднемесячных значений: а - амплитуд и; б -запаздываний Дт. На рис. 5 нанесены также вертикальными линиями доверительные интервалы для измеряемых величин в пределах ±3о и годовые изменения среднемесячных значений температуры 0 окружающей среды, обозначенные пунктирными линиями.
I
3
VI еся I и>1
I
11
Месяцы
а б
Рис. 5. Графики изменений среднемесячных значений амплитуд и (а) и запаздываний Дт (б) (сплошные линии) отраженных сигналов с соответственными доверительными интервалами ±3а (вертикальные линии) для ВЛ 110 кВ «Кутлу Букаш-Рыбная Слобода» и изменений среднемесячных значений температуры окружающей среды 0 (пунктирная линия) за 2010 г.
Исследования показали, что при изменении температуры 0 в течение года в пределах 70°С (от -30° до +40°) усредненые изменения амплитуды и составляют 5 о.е. (5 %), а случайные флуктуации амплитуды достигают ±15 о.е. (±15 %). Наблюдается слабая связь между изменениями амплитуды отраженного импульса и температурой окружающей среды. Так как при этом коэффициенты корреляции во всех случаях меньше 0,5, то эта связь не является статистически значимой. Изменения амплитуды отраженного сигнала даже при появлении слабой изморози на проводах воздушных линий намного выше температурных изменений амплитуды. Поэтому небольшие (менее 15 %) случайные флуктуации амплитуды в штатных условиях не будут мешать обнаружению гололеда на проводах ЛЭП. При определении уставки по © Проблемы энергетики, 2013, № 9-10
амплитуде для обнаружения гололеда можно пренебречь суточно-годовыми вариациями U и считать, что значения амплитуды U стабильны во времени и их погрешности (флуктуации) не превышают 15 % от средней величины иср.
В результате анализа экспериментальных данных за трехгодичный цикл измерений можно утверждать, что имеют место годовые и суточные вариации запаздывания сигналов Дт, которые необходимо суммировать при определении уставки для автоматического обнаружения гололеда на проводах ВЛ. Так, например, для ВЛ «Кутлу Букаш-Рыбная Слобода» длиной 40 000 м усредненные годовые вариации Дт под влиянием температуры окружающей среды достигают 0,3 мкс, что соответствует удлинению проводов линии на 45 м (0,11 %) от длины линии, усредненные суточные -0,1 мкс или 15 м (0,04 %), случайные- ±0,2 мкс или ±30 м (±0,075 %). При этом погрешность измерения запаздывания Дт отраженных сигналов определяется дискретностью отсчетов АЦП, которая равна 0,08 мкс.
Если поставить уставку по задержке Дт = 0,6 мкс или по удлинению проводов Д1 = 90 м (0,23 %) и уставку по амплтитуде U = 85 о.е., то можно не учитывать влияние температурного удлинения проводов на условия обнаружения гололедных отложений на ВЛ, так как изменения U и Дт при появлении гололедных отложений на проводах линий электропередачи значительно выше этих величин.
Итак, в результате длительных теоретических и экспериментальных исследований установлено, что локационный метод измерения запаздываний импульсных сигналов на линиях электропередачи является высокочувствительным измерительным средством. При этом флуктуационная нестабильность зондирующих сигналов, распространяющихся в высокочастотном канале, не будет влиять на условия обнаружения гололеда на проводах ЛЭП.
Описанный комплекс осуществляет следующие операции:
1) генерирование и ввод в линию зондирующих импульсов напряжением 2050 В;
2) прием импульсов, отраженных от конца линии;
3) выделение импульсов, на фоне случайных помех и помех, вызванных работой систем связи, телемеханики, релейной защиты, автоматики;
4) определение наличия гололеда по задержке и уменьшению амплитуды отраженного импульса;
5) передачу информации на сервер оператора.
Измерения на линии производятся с периодичностью в 30 минут. Полученные данные передаются на центральный сервер, который размещен на территории Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Установленная на компьютере сервера программа «Клиент» скачивает данные с центрального сервера КГЭУ и отображает графики зависимости измеренных значений Дт и AU от времени. При образовании гололеда на экране дисплея появляется предупреждающее сообщение, которое сопровождается звуковой сигнализацией. Программа «Клиент», установленная на Пункте управления, также сигнализирует о появлении гололеда с указанием номера линии, если в составе комплекса имеется коммутатор линий.
Исполнительная часть комплекса осуществляет регистрацию и архивацию полученных сведений в виде протокола измерений. Протокол содержит в себе информацию о времени и дате измерений, о состоянии окружающей среды, изменении значений запаздывания Дт и затухания AU импульса. Полная информация может быть представлена за разные периоды времени (сутки, неделю, месяц, квартал, год) в виде графиков зависимости исследуемого параметра от времени.
Для передачи данных с контролируемых линий на центральный сервер КГЭУ используется модем HUAWEI E1550. В качестве провайдера выступает компания МТС.
HSDPA модем Huawei E1550 представляет собой миниатюрный скоростной беспроводной 3G модем с USB интерфейсом. Отправка данных осуществляется на FTP сервер КГЭУ.
В настоящее время в автоматическом режиме круглосуточно функционируют 4 локационных комплекса для обнаружения гололеда, контролирующие:
• с 29 октября 2009 г. ЛЭП 110 кВ длиной 10 800 м «Бугульма №14-Бугульма-500», входящую в состав филиала ОАО «Сетевая компания» Бугульминские электрические сети;
• с 8 декабря 2009 г. ЛЭП 110 кВ длиной 40 300 м «Кутлу Букаш-Рыбная Слобода», входящую в состав филиала ОАО «Сетевая компания» Приволжские электрические сети;
• с 1 февраля 2013 г. ЛЭП 330 кВ длиной 63 800 м «Баксан-Прохладная 2», входящую в состав ОАО «МЭС Юга»;
• с 1 марта 2013 г. ЛЭП 110 кВ длиной 14 270 м «Шкапово-Чегодаево», входящую в состав ОАО «Башкирэнерго».
Все четыре системы обнаружения гололеда, упомянутые выше, передают информацию о состоянии ЛЭП на единый пункт управления (сервер оператора) и образуют один общий комплекс обнаружения гололедных нагрузок, который осуществляет сбор, хранение и дополнительную обработку рефлектограмм. Рефлектограммы хранятся на FTP сервере КГЭУ.
На рис. 6 показаны результаты процесса образования гололеда на проводах линии «Кутлу Букаш-Рыбная Слобода». Небольшие отложения гололеда с толщиной стенки до 0,5 мм (Дх=1 мкс) появились ночью 29.11.2012 г. Гололед с толщиной в 2 мм (Дх=5 мкс) образовался днем 01.12.2012 г. В течение двух суток 03.12.- 04.12.2012 г. существовало
гололедное покрытие толщиной от 0,5 мм (Дт=1 мкс) до 1 мм (Дт=2,5 мкс).
Толщина стенки Запаздывание,
29.1 [.12 30.11.12 01.12.12 02.12.12 03.12.12 04.12.12 05,12.12 Дата
Рис. 6. Контроль локационным методом в течение 7 дней процесса нарастания толщины стенки гололедного образования на проводах ВЛ 110 кВ «Кутлу Букаш-Рыбная Слобода»
[29.11-6.12.2012]
Результаты более длительных наблюдений течение января 2013 г. представлены на рис. 7. Максимум гололедного образования толщиной в 3 мм наблюдался 4 января 2013 г. Данные гололедные отложения не представляли угрозы целостности проводам воздушных линий.
Итак, приведенные примеры убедительно характеризуют возможности локационного метода обнаружения гололедных отложений на проводах ЛЭП и подтверждают его высокую чувствительность, обеспечивающую раннее обнаружение гололеда, начиная с толщины стенки 0,5 мм.
В настоящее время метод локационного обнаружения гололеда, как показывает информационный поиск с глубиной в 40 лет, нигде в мире не реализован, наши исследования и их результаты являются пионерскими.
Рис. 7. Контроль локационным методом в течение месяца толщины стенки гололедных образований на проводах ВЛ 110 кВ «Кутлу Букаш-Рыбная Слобода» [1-31.01.2013]
Важнейшим преимуществом локационного способа обнаружения гололеда является то, что вся аппаратура располагается около начала или конца линии электропередачи в производственных помещениях подстанции и контролирует всю линию.
Локационный метод обнаружения гололеда имеет следующие преимущества перед методом взвешивания проводов (который в настоящее время в редких случаях используется на некоторых линиях электропередачи):
1) зондирующий импульсный сигнал одновременно выполняет функции датчика и носителя информации о гололедном отложении на проводе, поэтому нет необходимости в установке отдельных гололедных датчиков на проводах ЛЭП и телемеханической аппаратуры для передачи показаний датчиков на диспетчерский пункт;
2) обеспечивается контроль всей линии, а не только одного пролета;
3) используется меньший, более простой и дешевый состав аппаратуры;
4) при монтаже локационного устройства не требуется вмешательства в конструкцию
ЛЭП;
5) отсутствует угроза вандализма, т.к. локационное устройство располагается на подстанции;
6) ввод в действие аппаратуры локационного зондирования занимает несколько минут, если ЛЭП имеет высокочастотную обработку;
7) имеется возможность периодического контроля с помощью коммутатора одним локационным устройством всех линий, отходящих с подстанции.
Кроме того, локационное устройство обеспечивает обнаружение повреждений линии в виде обрывов и коротких замыканий проводов, в виде однофазных замыканий на землю с указанием вида повреждения и расстояния до него, причем почти мгновенно, в течение нескольких миллисекунд прямым путем без всяких пересчетов, однозначно и достоверно.
Локационное зондирование позволяет:
• определять наличие металлического короткого замыкания на проводах ЛЭП при срабатывании автомата повторного включения (АПВ);
• обнаруживать кабельные вставки на воздушных ЛЭП и муфты на подземных ЛЭП с измерением расстояния до них;
• обнаруживать несанкционированные подключения к проводам ЛЭП;
• выполнять роль охранной сигнализации при хищении проводов ЛЭП с указанием расстояния до места хищения.
Локационное зондирование может осуществляться на ЛЭП, находящихся под напряжением, и на отключенных линиях, а также на грозотросах, т. е. на любых металлических проводниках. Локационное устройство может функционировать при © Проблемы энергетики, 2013, № 9-10
аварийном отключении питающего напряжения на ЛЭП за счет наличия собственного генератора зондирующих импульсов, на что не способны системы релейной защиты.
Сигналы локационного зондирования не влияют на работу аппаратуры релейной защиты, противоаварийной автоматики, телемеханики и связи. В то же время при определенной цифровой обработке эти сигналы перестают быть помехами сигналам локационного зондирования.
Данные о повреждениях и гололедных отложениях могут передаваться через GSM канал или Интернет на рабочее место диспетчера без ограничения расстояния, обеспечивая в удобном интерфейсе наблюдение за динамикой гололедообразования на проводах ЛЭП.
Предлагаемая система мониторинга гололеда и повреждений наиболее эффективна в условиях горно-пересеченной местности и бездорожья.
Недостатком локационного метода является пока невозможность отличить наличие небольшого по толщине гололедного образования на большой длине воздушной линии от опасной концентрации льда в отдельных ее пролетах. В этом случае применятся метод разбиения воздушной линии на отдельные локационные участки.
Локационный метод позволяет надежно следить в реальном времени за динамикой обледенения проводов, позволяет четко определять начало необходимой плавки гололедных отложений для предотвращения обрыва проводов электролиний и обусловленного этим недоотпуска электроэнергии потребителям. Метод позволяет следить за эффективностью плавки гололеда и дает возможность определять момент его своевременного прекращения при исчезновении опасности разрушения линии и обрыва проводов. Оптимизация времени плавки гололеда способствует энергосбережению и позволяет сэкономить значительные финансовые средства, так как плавка гололеда требует дорогостоящих энергетических затрат.
В то же время в некоторых ситуациях можно будет избежать плавки гололеда, если вес отложений будет меньше нормативной величины. При этом будет исключен недоотпуск электроэнергии потребителям из-за отключения линии на время плавки гололеда и сэкономлена электроэнергия, которая была бы израсходована для его плавки токами повышенного значения.
Таким образом, разработан и введен в эксплуатацию локационный комплекс по обнаружению гололедных образований на воздушных ЛЭП 110 кВ и выше. Комплекс позволяет надежно следить за динамикой обледенения проводов и четко определять по времени начало необходимой плавки гололедных отложений. Своевременное обнаружение появления гололедно-изморозевых отложений является весьма актуальной проблемой для электроэнергетики нашей страны при решении задач энергосбережения.
Итак, после рассмотрения трех используемых в настоящее время способов обнаружения гололедных отложений на проводах линий электропередачи можно утверждать, что способ прогнозирования является самым ненадежным и может применяться из-за отсутствия диагностической аппаратуры для примерной оценки возможного процесса образования гололеда.
Метод взвешивания проводов позволяет контролировать гололедные образования только около одной опоры на участке линии, который является характерным для всей линии электропередачи. Если гололед образуется на других участках линии, то он не будет обнаружен.
Локационный метод позволяет контролировать всю линию электропередачи, провода которой находятся в одинаковых метеорологических условиях. Метод является самым надежным из рассмотренных в данной статье.
Summary
The article considers the currently used methods for detection of ice deposits on the wires of power lines: the methods of forecasting icing (in the first part of the article), weighing wires (in the first part of the article) and location method. Location method is a highly sensitive measuring tool for checking the condition of the entire power lines.
Keywords: overhead power lines, icing and rime deposition on wires, control icing, locating method, trace, attenuation and delay of the reflected pulses, experimental data
Литература
1. Минуллин Р.Г., Абдуллазянов Э.Ю., Касимов М.Р., Яруллин М.Р. Современные методы обнаружения гололеда на проводах воздушных линий электропередачи. Ч.1. Методы прогнозирования и взвешивания проводов // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2013. №7-8. С.68-78.
2. Шалыт Г.М. Определение мест повреждений линий электропередачи импульсным методом. М.: Энергия, 1968. 216 с.
3. Минуллин Р.Г., Фардиев И.Ш. Локационная диагностика воздушных линий электропередачи. Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2008. 202 с.
4. Минуллин Р.Г. и др. Обнаружение гололедных образований на линиях электропередачи локационным зондированием. Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2010. 207 с.
Поступила в редакцию 26 сентября 2013 г.
Минуллин Ренат Гизатуллович - д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий НИЛ «ЛДС ЛЭП» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел: 8-(843)-519-42-38. E-mail: [email protected].
Абдуллазянов Эдвард Юнусович - канд. техн. наук, профессор, ректор Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел: 8-(843)-519-42-25. E-mail: [email protected].
Касимов В.А - м.н.с. НИЛ «ЛДС ЛЭП» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел. 8-(843)-527-92-68. E-mail: [email protected].
Яруллин М.Р - м.н.с. НИЛ «ЛДС ЛЭП» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел. 8-(843)-527-92-68. E-mail: [email protected].
