casa / Consejo/ Métodos de tratamiento de la formación de hielo en las líneas eléctricas. Método para evitar la formación de hielo en cables de líneas eléctricas aéreas de CA.

Métodos para tratar la formación de hielo en las líneas eléctricas. Método para evitar la formación de hielo en cables de líneas eléctricas aéreas de CA.

Kuvshinov A.A., Doctor en Ciencias Técnicas, Universidad Estatal de Togliatti;
Karmanov V.F., Director General,
Akhmetzhanov N.G., especialista jefe de Energia T LLC (Tolyatti);
Shkuropat I.A., Ph.D., CJSC “GC “Electroshield TM-Samara”, Samara;
Galiev I.T., estudiante de posgrado del departamento de IIT NRU MPEI,
Alexandrov N.M., estudiante de posgrado del departamento AEES de SamSTU;
Khrennikov A.Yu., Doctor en Ciencias Técnicas, JSC "NTC FGC UES"

Introducción

Durante la operación de las líneas eléctricas aéreas (OHL) en una serie de regiones, surge un grave problema de formación de hielo en los cables en el período otoño-invierno, ya que el tiempo promedio para eliminar accidentes por hielo supera el tiempo promedio para eliminar accidentes causados por otras causas. por 10 o más veces. Los estudios muestran que los depósitos de hielo en las líneas aéreas se producen a una temperatura del aire de aproximadamente menos 5 ° C y una velocidad del viento de 5-10 m/s. El espesor de pared permisible de la manga de hielo es de 5 a 20 mm para líneas aéreas con un voltaje de 3–330 kV, ubicadas en regiones climáticas con hielo de categorías I–IV.

Se pueden utilizar varios cables de alta resistencia como medida pasiva para combatir el hielo. Por ejemplo, cable ACCC (núcleo compuesto de conductor de aluminio): cable de aluminio con un núcleo compuesto hecho de varios materiales. El núcleo del conductor ACCC es dimensionalmente estable, ya que el coeficiente de expansión térmica (1.6.10-6 ° С-1) es casi una orden de magnitud inferior a la del acero ( 11.5.10-6 °C-1) Por lo tanto, los cables ACCC pueden soportar altas temperaturas durante mucho tiempo, evitando la formación de hielo.

También cabe destacar el cable Aero-Z®, que consta de una o más capas concéntricas de cables redondos (capas internas) y cables "Z" (capas externas). Cada capa de alambre tiene un giro a lo largo, hecho con un cierto paso. La superficie lisa reduce las cargas de viento en un 30-35 % y evita que la nieve y el hielo se peguen. Sin embargo, el alambre Aero-Z® tiene una limitación de derretimiento del hielo, ya que no permite aumentos prolongados de temperatura por encima de los 80 °C.

En general, la implementación práctica de métodos pasivos para tratar el hielo solo es posible cuando se diseñan y ponen en marcha nuevas líneas eléctricas. La reconstrucción de las líneas aéreas "antiguas" está asociada con costos significativos.

Por lo tanto, la tarea de desarrollar métodos activos para combatir los depósitos de hielo en las líneas aéreas no pierde relevancia. Los métodos tradicionales incluyen la fusión del hielo en las líneas aéreas con corriente alterna mediante la creación artificial de cortocircuitos o con corriente continua utilizando unidades rectificadoras controladas o no controladas. Sin embargo, en el primer caso, es posible que se dañen los cables de la línea aérea y, en el segundo caso, las costosas unidades rectificadoras no se utilizan durante la mayor parte del año calendario. Al mismo tiempo, se abre el estado actual del elemento base de la electrónica de potencia. características adicionales y estimula el desarrollo de nuevos métodos para tratar los depósitos de hielo, libres de estas deficiencias. Un gran número de publicaciones científicas están dedicadas al estudio de la formación de hielo y la lucha contra los depósitos de hielo. Este trabajo se plantea la tarea de sistematización y análisis comparativo formas existentes la lucha contra los depósitos de hielo, cuya solución permitirá elegir del conjunto existente de soluciones técnicas la más racional para las condiciones locales.

Clasificación de formas de lidiar con el hielo.

Los dispositivos y métodos conocidos utilizan los siguientes tipos de impacto físico para eliminar los depósitos de escarcha de los cables de las líneas eléctricas (Figura 1):

impacto térmico calentando el cable a una temperatura de 120-130 °C, a la que se derrite el manguito de hielo, o por calentamiento preventivo de los cables a 10-20 °C para evitar la formación de hielo;
impacto termodinámico por precalentamiento hasta que se forma una capa inundada entre el cable y la manga de hielo y la subsiguiente "sacudida de los cables por la fuerza de amperios" que ocurre cuando pasa un poderoso pulso de corriente;
acción electromecánica por transmisión periódica de pulsos de corriente, provocando vibraciones mecánicas de los cables y destrucción del embrague de hielo; la eficiencia de las influencias electromecánicas se mejora con tales parámetros de pulsos de corriente que causan resonancia mecánica;
acción mecánica moviendo los tornillos a lo largo del cable usando energía eólica, la energía del campo electromagnético de la corriente de fase de la línea aérea, imanes permanentes, un motor de inducción lineal o creando vibraciones en el cable usando un generador de oscilación mecánica (no considerado más adelante, ya que prácticamente no se utilizan).

Figura 1 - Clasificación de los métodos para eliminar los depósitos de hielo de las líneas aéreas:

SW - rectificador controlado;

STK - compensador de tiristores estáticos;

FC - convertidor de frecuencia;

NFC - convertidor de frecuencia directo;

UPK - dispositivo de compensación longitudinal

Solo debe tenerse en cuenta el inconveniente general de los sistemas mecánicos, que consiste en la necesidad de una instalación manual en el cable, la eliminación del cable y el sobrepeso de un cable a otro. Esto requiere equipo especial (plataforma aérea) y personal de mantenimiento, lo que aumenta los costos operativos y dificulta su uso en áreas de difícil acceso.

Exposición térmica a la corriente alterna

El hielo derretido con corriente alterna se utiliza en líneas aéreas con un voltaje inferior a 220 kV con cables con una sección transversal inferior a 240 mm2. Como regla general, las barras colectoras de las subestaciones de 6-10 kV o un transformador separado sirven como fuente de energía. El esquema de derretimiento del hielo debe elegirse de tal manera que garantice el flujo de corriente a través de los cables de la línea aérea 1.5-2 veces mayor que la corriente permisible a largo plazo. Tal exceso se justifica por la corta duración del proceso de fusión (~1 h), así como por un enfriamiento más intenso del alambre en invierno. Para cables de acero y aluminio del tipo AC con una sección transversal de 50-185 mm2, el valor aproximado de la corriente de fusión del hielo en una hora se encuentra en el rango de 270-600 A, y la corriente que evita la formación de hielo en los cables están en el rango de 160-375 A.

Sin embargo, solo debido a la elección del esquema de fusión del hielo, a menudo es imposible seleccionar el valor requerido de la corriente de cortocircuito. Superar los valores anteriores de la corriente de fusión puede provocar el recocido de los cables, seguido de una pérdida irreversible de resistencia. A valores más bajos, un solo paso de corriente de cortocircuito puede no ser suficiente para eliminar completamente el hielo. Luego, los cortocircuitos deben repetirse varias veces, lo que agrava aún más las consecuencias.

Para evitar estas consecuencias negativas, permite el uso de un regulador de voltaje de CA de tiristores, cuyo circuito se muestra en la Figura 2. En el modo de derretimiento de hielo, el interruptor 7 está apagado, el interruptor 8 está encendido. formas posibles regulación de la corriente de fusión - fase de pulso cambiando los ángulos de encendido de los tiristores de potencia 1, 2 y 3 o ancho de pulso - cambiando el número de períodos de suministro de voltaje.

Figura 2 - Instalación para compensación de potencia reactiva y derretimiento de hielo

En el modo de compensación de potencia reactiva, el interruptor 7 está encendido y el interruptor 8 está apagado. En este caso, los tiristores de potencia 1, 2, 3 y los reactores 4, 5, 6 forman un grupo tiristor-reactor conectado en triángulo, que es un elemento de un compensador tiristor estático. Los autores también admiten la posibilidad de utilizar condensadores en lugar de reactores. En este caso, la compensación de potencia reactiva se realizará mediante una batería de condensadores regulable.

Sin embargo, independientemente del método de regulación, el derretimiento del hielo se realiza mediante corriente alterna de frecuencia industrial y requiere una potencia importante de la fuente de alimentación (decenas de MB.A), ya que la resistencia activa de los hilos de la línea aérea es mucho menor. que la resistencia inductiva. Poder completo La fuente aumenta debido a la carga reactiva grande e inútil para derretir hielo. Es posible incrementar la eficiencia de fusión por compensación capacitiva longitudinal de la resistencia inductiva en el caso de utilizar capacitores como parte de la instalación propuesta. Sin embargo, los autores no consideraron esta posibilidad.

Destaca la instalación combinada de compensación de potencia reactiva y fusión de hielo, cuyo esquema se muestra en la figura 3. En el modo de derretimiento de hielo, el interruptor 7 está encendido, el reactor de derivación 6, el interruptor 9 apaga el banco de condensadores 8 y el interruptor 10 está encendido. En este caso, es posible la fusión en todos los cables de la línea aérea al mismo tiempo.

Figura 3 - Instalación combinada para compensación de potencia reactiva y derretimiento de hielo

En el modo de compensación de potencia reactiva, los interruptores 7 y 10 están apagados y el interruptor 9 está encendido. Como resultado, se forma un circuito compensador estático típico basado en los módulos de transistores 1, 2 y 3, los reactores 5, 6 en el lado de CA y el banco de condensadores 8 en el lado de CA. corriente continua. Tal estructura puede operar tanto en el modo de generación como en el modo de consumo de energía reactiva.

Una desventaja significativa de la instalación que se muestra en la Figura 3 es el uso incompleto de la parte de la válvula en el modo de fusión. Esto se debe a que la corriente de fusión fluye solo a través de los interruptores "inferiores" de las fases 1, 2 y 3 del puente convertidor. Para convertir el circuito puente en tres interruptores de CA, se requerirá equipo de conmutación adicional y una complicación significativa del circuito de alimentación.

Exposición térmica con corriente continua

Por primera vez, se observó el derretimiento del hielo con corriente continua como una dirección prometedora en la lucha contra los depósitos de hielo en los cables de fase de las líneas aéreas. Los convertidores VUKN-16800-14000, fabricados según el esquema Larionov basado en válvulas no controladas de silicio VK-200 con una tensión rectificada de 14 kV, una corriente rectificada de 1200 A y una potencia de salida de 16800 kW, se pueden atribuir a la primera Instalaciones en serie para derretir hielo con corriente continua. Los esquemas para derretir hielo con una corriente rectificada se analizan en detalle en.

Las desventajas del método incluyen el hecho de que la línea aérea debe estar apagada y la unidad rectificadora no se usa durante la mayor parte del año calendario, ya que la necesidad de derretir el hielo ocurre solo en invierno. Cabe destacar la propuesta de derretir hielo con corriente pulsante sin apagar la línea aérea. La unidad rectificadora está incluida en el corte del cable calentado para que la corriente continua no fluya a través de los devanados de los transformadores de potencia y transformadores de corriente. Los alambres son calentados por una corriente pulsante que contiene un componente alterno, determinado por la carga de la línea aérea, y un componente constante, determinado por el voltaje rectificado y la resistencia activa del circuito de fusión. Sin embargo, tal propuesta no aumenta el grado de uso de las unidades rectificadoras, pero para implementación práctica requiere equipo de conmutación adicional.

En este sentido, los intentos de ampliar funcionalidad combinando en una instalación una unidad rectificadora para derretir hielo y un dispositivo para compensación de potencia reactiva. Esto abre la posibilidad de funcionamiento durante todo el año del equipo, lo que aumenta significativamente su eficiencia económica.

OJSC "NIIPT" ha desarrollado un convertidor tipo contenedor para una unidad combinada de fusión de hielo y compensación de energía reactiva (Figura 4).

Figura 4 - Esquema de un dispositivo convertidor tipo contenedor (a) y una instalación combinada (b) para derretir hielo y compensación de potencia reactiva

El dispositivo convertidor (Figura 4) incluye:

contenedor de envío 1,
módulos de tiristores 2 con unidades de control 3,
sistema de refrigeración por aire forzado 4,
seccionador 5 con accionamiento electromecánico 6,
Terminales de ánodo 7, cátodo 8 y fase 9 del puente convertidor,
sistema de control, regulación, protección y automatización 10,
seccionadores 11, 12 y baterías de condensadores 13.1, 13.2 y 13.3.

El equipo de potencia está destinado a operar en áreas de clima templado y frío (versión UHL 1) y se coloca en un contenedor de acero cerrado instalado en la parte abierta de la base de la subestación. La fuente de alimentación se proporciona desde el devanado de 10 kV de un transformador dedicado. A partir de los dispositivos convertidores que se muestran en la Figura 4a, se ensambla una instalación combinada, cuyo diagrama se muestra en la Figura 4b.

En el modo de derretimiento de hielo, los desconectores 11, 12 están cerrados (Figura 4b), los desconectores 5 (Figura 4a) están abiertos. Se está montando un circuito puente rectificador trifásico que proporciona una tensión nominal rectificada de 14 kV, una corriente nominal de fusión de 1400 A y regulación de la corriente de fusión en el rango de 200-1400 A.

En el modo de compensación de potencia reactiva, los seccionadores 11 y 12 están abiertos y los seccionadores 5 están cerrados. Se ensambla un circuito de un banco de capacitores 13.1, 13.2 y 13.3, controlado por módulos de tiristores 2, conectados en antiparalelo. Sin embargo, en el modo de compensación, solo es posible el control de potencia reactiva por pasos.

El último inconveniente se puede evitar en una instalación combinada de fusión de hielo y compensación de potencia reactiva, cuyo esquema se muestra en la Figura 5 (desarrollado por OAO NIIPT).

Figura 5 - Instalación combinada para fusión de hielo y compensación de potencia reactiva

La instalación combinada incluye un transformador de alimentación 1, seccionadores trifásicos 2 y 16, reactores trifásicos 3 y 15, un convertidor de puente de alta tensión 4, un banco de condensadores de CC 5, seccionadores monofásicos 6 y 7, un sistema de control 8, conjuntos de 9-14 dispositivos totalmente controlados con diodos inversos y transformador resonante 17.

En el modo de derretimiento de hielo, los seccionadores 6, 7 y 16 están encendidos. La fusión se lleva a cabo por corriente continua. La regulación de la corriente de fusión se realiza mediante el método de PWM de alta frecuencia. Por ejemplo, cuando la corriente de carga pasa a través de los diodos de los conjuntos 13 y 10, un dispositivo totalmente controlado del conjunto 9 o 14 se conecta en modo PWM. En este caso, se forma brevemente un cortocircuito de dos fases 9 - 10 o 13 - 14. La carga se desvía y la corriente de fusión se regula. La tasa de aumento de la corriente de cortocircuito está limitada por el reactor 3. Debido a la elección de la frecuencia y el factor de modulación PWM, el tiristor se apaga antes de que la corriente de cortocircuito alcance un nivel peligroso. En este caso, el intervalo de conducción del tiristor es menor que en el modo de compensación de potencia reactiva. En modo de compensación de potencia reactiva, los seccionadores 6, 7 y 16 están apagados. El convertidor de puente de alta tensión 4 funciona en el modo "STATCOM".

Según varios autores que confían en su propia experiencia laboral, solo del 7 al 30% de la longitud del cable calentado durante la fusión está realmente cubierta de hielo. Esto se debe al hecho de que las secciones individuales de las líneas aéreas, debido a los ángulos de rotación y la incapacidad de predecir la dirección del viento en el momento de la formación de hielo, se encuentran en diferentes condiciones climáticas. En consecuencia, se desperdicia una parte significativa de la electricidad. En este sentido, se propone instalación móvil, que le permite ir a secciones de líneas aéreas en las que se detecta formación de hielo en los cables.

generador móvil para la fusión de hielo en líneas aéreas, se realiza sobre plataforma de carro, el puente rectificador trifásico se alimenta (0,4 kV) de dos generadores diesel ADV320 de 320 kW cada uno. Hay conductores con terminales para conectar a los cables de la línea aérea y autobuses eléctricos para conectar los cables en el tramo entre los soportes de acuerdo con el esquema de derretimiento del hielo. La solución técnica considerada asegura el derretimiento del hielo a lo largo de dos tramos de la línea aérea en los cables de fase y el cable de tierra.

Una desventaja común de todos los dispositivos que implementan la exposición térmica a la corriente continua es la necesidad de utilizar un esquema de derretimiento de hielo de "alambre-alambre" o "alambre-dos-alambre". En cualquier caso, aumenta el tiempo de fusión y, en consecuencia, el coste de la electricidad. Para reducir el tiempo de fusión, se debe dar preferencia al esquema de fusión de "tres cables - tierra", sin embargo, los dispositivos de puesta a tierra de la subestación no están diseñados, por regla general, para un flujo relativamente largo de corriente continua de hasta 2000 A.

Impacto térmico con corriente de ultra baja frecuencia

El contenido técnico de este tipo de impacto radica en que la fusión se realiza con una corriente de baja frecuencia generada por un inversor de tensión autónomo trifásico, y el valor efectivo de la corriente de fusión se fija y mantiene en el nivel requerido por cambiar el valor de la tensión de alimentación.

Con una frecuencia de voltaje de salida de un inversor autónomo en décimas de Hz e inferior, la corriente en los cables de línea está limitada prácticamente solo por la resistencia activa. Como resultado, la longitud permitida de la línea aérea aumenta en comparación con la fusión con corriente alterna de frecuencia industrial, se simplifica la organización de la fusión, se reduce la duración del proceso de fusión del hielo y se reduce la cantidad de equipos de conmutación adicionales. .

En la Figura 6 se muestra un esquema de una instalación combinada de fusión de hielo y compensación de potencia reactiva, que implementa el método propuesto.

Figura 6 - Instalación combinada para derretimiento de hielo y compensación de potencia reactiva

La instalación combinada incluye convertidores de puente trifásicos en interruptores semiconductores 1 y 7 totalmente controlados, interruptores tripolares 2, 5, 8, 9, bobinas de choque trifásicas 3, 4, banco de capacitores 6 y sistema de control 10.

En el modo de derretimiento de hielo, los interruptores 5 y 8 están encendidos y el interruptor 9 está apagado. El convertidor de puente 1 funciona en el modo de rectificador controlado, y el convertidor de puente 7 funciona en el modo de un inversor de voltaje autónomo trifásico. La fusión se lleva a cabo simultáneamente en tres cables de la línea aérea. En el modo de compensación de potencia reactiva, los interruptores 5 y 8 están apagados y el interruptor 9 está encendido. Los convertidores de puente 1 y 7 funcionan en paralelo.

El ángulo de conmutación se elige algo menos de 180°. La potencia activa se consume de la red, que es necesaria para mantener el voltaje en el banco de capacitores 6. En el lado de los convertidores de puente 1 y 7, se forma corriente alterna voltaje de corriente alterna. La fase del primer armónico se desplaza con respecto a los voltajes de fase de la fuente de alimentación en un ángulo. Si la amplitud del primer armónico de la tensión generada supera la amplitud de la tensión de alimentación, los convertidores puente 1 y 7 generan potencia reactiva y, si es menor, consumen potencia reactiva. Al cambiar el factor de modulación del PWM de alta frecuencia, se regula la amplitud del primer armónico de la tensión generada y, en consecuencia, la magnitud y dirección de la potencia reactiva.

Exposición térmica a corriente de alta frecuencia

El método radica en el hecho de que, sin desconectar la línea aérea de los consumidores, se suministra una corriente con una frecuencia de 50-500 MHz a los cables de fase a través de un dispositivo de adaptación y condensadores de acoplamiento de alto voltaje del generador. En un conductor homogéneo, la corriente alterna se concentra en la capa superficial, cuyo adelgazamiento a medida que aumenta la frecuencia conduce a un aumento de la resistencia de la parte del conductor a través de la cual pasa la corriente. Esto significa que para la misma cantidad de corriente que circula por el cable, cuanto mayor sea la frecuencia de la señal, mayor será la potencia térmica disipada en el conductor. Por ejemplo, a MHz, la resistencia de los cables de aluminio aumenta en un factor de 600 o más.

Se muestra que con una potencia de un generador de alta frecuencia de varias decenas de kW, es posible calentar el cable entre 10 y 20 °C, lo que debería evitar la formación de depósitos de hielo. Para eliminar el hielo formado y derretir el hielo, se requiere calentar a una temperatura de 100-180°C. En consecuencia, se requerirán costos de energía significativamente más altos y un procedimiento de fusión más largo.

Por lo tanto, este método es el más apropiado para usar con fines preventivos para evitar la formación de hielo, ya que se implementa sin desconectar a los consumidores. Sin embargo, el uso de generadores con un rango de frecuencia de 87,5-108 MHz conlleva el peligro de crear una intensa interferencia de radio en la banda VHF.

Influencia termodinámica

Calentar el cable con una corriente de alta frecuencia no solo puede evitar la formación de depósitos de hielo, sino que también se puede usar para facilitar la eliminación de una manga helada ya formada. Esto se usa en particular en el dispositivo, cuyo esquema se muestra en la Figura 7.

Figura 7 - Dispositivo para eliminar la capa de nieve y hielo de los cables de las líneas eléctricas.

automatizado lugar de trabajo La estación de trabajo del despachador 6 y el controlador 5 aseguran el funcionamiento ininterrumpido de la subestación con la visualización de información operativa en el panel de luces 7.

Acción electromecánica

Se sabe que cuando fluye corriente, los hilos paralelos son atraídos o repelidos bajo la acción de la fuerza Ampère que surge entre ellos. Con la transmisión periódica de pulsos de corriente, los cables de la línea aérea producirán vibraciones mecánicas que destruirán los depósitos de hielo y escarcha. La frecuencia de los pulsos de corriente debe estar cerca de la resonancia mecánica y la amplitud suficiente para superar las fuerzas de fricción externas e internas. El cambio en la corriente transmitida puede ser estrictamente periódico, tener una frecuencia oscilante, cambiar según una ley armónica, tomar la forma de ráfagas de pulsos con leyes dadas de cambio en frecuencia, amplitud y ciclo de trabajo. La Figura 8 muestra uno de opciones implementación sistema automático eliminación de hielo, realizando el método propuesto.

Figura 8 - El sistema de impacto electromecánico en los cables de la línea aérea para quitar el hielo

El transformador de potencia 1 convierte la tensión de alimentación al valor deseado. La unidad de electrónica de potencia rectifica el voltaje recibido del transformador de potencia 1 y genera pulsos de corriente del tamaño, forma y frecuencia requeridos, pasados a través de los cables 2 de la línea aérea. El sistema de control, que es un controlador lógico programable, procesa información de sensores externos de cargas de viento helado 3, humedad 4 y temperatura 5, establece la forma y frecuencia requeridas de los pulsos de corriente para la unidad electrónica de potencia y controla el funcionamiento del sistema. como un todo.

En uso práctico este método es necesario un cálculo cuidadoso y preciso de la magnitud y frecuencia de los pulsos de corriente para eliminar las posibles consecuencias negativas de la resonancia. Para aumentar la eficiencia de la destrucción de los depósitos de hielo, los pulsos de corriente deben pasar a través de los cables que se encuentran sobre niveles diferentes. Esto te permite usar la inercia del hielo y la gravedad como un factor destructivo adicional.

Este método, al igual que la fusión, requiere que se apague la línea aérea. Sin embargo, el tiempo de destrucción mecánica del hielo es significativamente menor que el tiempo de fusión. Por lo tanto, el costo de la electricidad para la limpieza será menor que cuando se derriten los depósitos de hielo.

conclusiones

La tendencia dominante en el desarrollo de nuevos medios para combatir los depósitos de hielo en las líneas aéreas es el uso de instalaciones de convertidores combinados capaces de derretir el hielo cuando sea necesario, y el resto del tiempo compensación de potencia reactiva.

El más prometedor es el derretimiento del hielo con una corriente de frecuencia ultra baja, que combina las ventajas del derretimiento con corriente alterna de frecuencia industrial (en tres cables simultáneamente) y el derretimiento con corriente continua (limitada solo por resistencia activa, regulación suave de la corriente de fusión). Una ventaja adicional es que el derretimiento de hielo de frecuencia ultrabaja se puede transformar fácilmente en un compensador de potencia reactiva estática. Esto hace posible operar costosos equipos convertidores durante un año calendario. Sin embargo, sigue existiendo una desventaja como la necesidad de apagar la línea aérea para la limpieza.

La tecnología de transmisión de energía de CA flexible, que utiliza equipos convertidores, es teóricamente capaz, si es necesario, de proporcionar, por ejemplo, un calentamiento preventivo de los cables que evita la formación de depósitos de hielo, puede eliminar por completo el último inconveniente.

Bibliografía

Libro de referencia electrotécnica: en 3 volúmenes. T.3. En 2 libros. Libro 1. Producción y distribución de energía eléctrica (Bajo la dirección general de profesores de MPEI: I.N. Orlova (editor en jefe) y otros). 7ª ed., rev. y adicional – M.: Energoatomidato. - 1988 - 880 págs.

Alekseev B.A. Aumentar banda ancha líneas eléctricas aéreas y el uso de cables de nuevas marcas // ELECTRO. - 2009. - Nº 3. - P.45-50.

RD 34.20.511 (MU 34-70-028-82) Pautas derretimiento del hielo con corriente alterna. Ch.1.M.: Soyuztekhenergo, 1983.

RD 34.20.511 (MU 34-70-028-82) Directrices para la fusión de hielo con corriente continua. Ch.2.M.: Soyuztekhenergo, 1983.

Patente RF 2505898 MKI H02G7/16, H02J3.18. Instalación para compensación de potencia reactiva y derretimiento de hielo//Yu.P. Stashinov, V.V. Konopelko. – Publicado. 27/01/2014.

Patente RF 2505903 MKI H02J3/18, H02G7/16. Unidad combinada de compensación de potencia reactiva y fusión de hielo// Yu.P. Stashinov, V. V. Konopelko. – Publicado. 27/01/2014.

Burgsdorf V. V. Derretimiento de hielo con corriente continua sin desconectar la línea // Estaciones eléctricas. - 1945. - Nº 11.

Unidad rectificadora de alto voltaje tipo VUKN-16800-14000. Una lista comentada de los principales trabajos de investigación y desarrollo llevados a cabo en el Instituto Electrotécnico de Investigación de Mordovia (1965-1968). -Informeelectro, 1970.

Genrikh G.A., Denisenko G.I., Mishin V.V., Stryapan V.N. Modos especiales de operación de potentes convertidores estáticos de instalaciones de derretimiento de hielo en líneas eléctricas. - Asociación Editorial "Vishcha Shkola". - 1975. - 242 págs.

Patente RF 2390895 MKI H02G7/16, H02J3/18. Dispositivo convertidor tipo contenedor para fusión de hielo combinado y compensación de potencia reactiva// М.К. Gurevich, MA Kozlova, A. V. Lobanov, A. V. Repin, Yu.A. Shershnev. – Publicado. 27 de mayo de 2010.

Patente RF 2376692 MKI H02G7/16, H02J3/18. Unidad combinada para fusión de hielo y compensación de potencia reactiva// М.К. Gurevich, AV. Repin, Yu.A. Shershnev. – Publicado. 20/12/2009.

Patente RF 2522423 MKI H02G7|16. Generador de corriente móvil para derretir hielo en los cables de líneas eléctricas aéreas// A.V. Kozlov, A. N. Chulkov, A. V. Shurupov, A.A. Vinogradov. – Publicado. 10/07/2014.

Patente RF 2505897 MKI H02G7/16. El método de derretimiento controlado de hielo en líneas eléctricas aéreas con corriente alterna // Yu.P. Stashinov, V. V. Konopelko. – Publicado. 31 de mayo de 2012.

Patente RF 2356148 MKI H02G7/16. Método y dispositivo para tratar hielo en líneas eléctricas // V.I. Kaganov. – Publicado. 20/05/2009.

Patente RF 2520581 MKI H02G7/16. Dispositivo para eliminar la capa de hielo de nieve de los cables de las líneas eléctricas// N.D. Shelkovnikov, D. N. Shelkovnikov. – Publicado. 27/06/2014.

Patente RF 2166826 MKI H02G7/16, B60M1/12. Cómo quitar el hielo de los cables red de contactos y líneas eléctricas// A.V. Efimov, A.G. Galkin. – Publicado. 10 de mayo de 2001.

Patente RF 93184 MKI H02G7/16 para un modelo de utilidad. Dispositivo para limpieza de cables de líneas eléctricas// R.R. Sattarov, F. R. Ismagilov, M. A. Almaev. – Publicado. 20/04/2010.

Kochkin VI Nuevas tecnologías para aumentar la capacidad de transmisión de las líneas de transmisión. Transmisión de potencia controlada// Noticias de Ingeniería Eléctrica. - 2007. - Nº 4 (46).

El artículo "High Energy" ("PM" No. 9 "2015) menciona la lucha contra la formación de hielo en los cables de la línea eléctrica. Para calentar los cables con corriente alterna, se requieren grandes costos de energía, no es económicamente rentable. Por lo tanto, la electricidad directa Para ello se utiliza corriente, pero para líneas eléctricas de bajo valor de tensión (inferior a 220 kV), teniendo en cuenta el sistema de alimentación y especificaciones, es muy posible utilizar corriente alterna. Las medidas preventivas incluyen el calentamiento preventivo de los cables para evitar su formación de hielo. Con la ayuda de transformadores especiales, se crean corrientes de bucle adicionales en el sistema de anillo, lo que permite calentar los cables y evitar la formación de hielo. Lo bueno es que no hay necesidad de cortar la corriente, como en el caso de utilizar corriente continua, y así se asegura el funcionamiento ininterrumpido de la red. Alexey Grünev

Conversación a través de la tierra

En el artículo "En el camino hacia el mielófono" ("PM" No. 8 "2015), como ejemplo del uso de un ferriimán, se utiliza para intercambiar datos con la electrónica de perforación de "carcasas". Debe ser aclaró que estamos hablando de los llamados sistemas de telemetría diseñados para recolectar datos de profundidad durante la perforación y transmisión de información a la superficie, por ejemplo, para controlar el cabezal de perforación, así como para tomar decisiones rápidamente sobre el cambio del modo de perforación. telesystems, la tasa de datos en un canal de comunicación hidráulica basada en una onda armónica puede alcanzar hasta 10 bit/s, aunque generalmente se limita a 4 bit/s para ahorrar energía de la batería. Junto con los canales de comunicación inalámbrica, como hidráulica, Se utilizan tanto cableados como electromagnéticos, y acústicos, aunque tienen una serie de limitaciones. Kirill Trujánov

¡El rey no es real!

La portada de "PM" No. 9 "2015 muestra un portaaviones y un avión T-50, pero en el artículo en sí "Nuclear Tsar Ship" en la foto firmada por PAK FA, F-22 Raptor. Estos aviones son realmente similares en perspectiva desde la proa, sin embargo, hay un detalle esencial que hace que sea fácil y rápido distinguir entre los dos aviones. Los motores F-22 están ubicados paralelos entre sí y en Distancia corta, mientras que los motores T-50 están en un ángulo significativo entre sí, y entre ellos se coloca el extremo de la cola, la "cola de castor", donde se encuentra el paracaídas de frenado. Yevgeny Kunashov

PM: Pedimos disculpas a todos nuestros lectores por el error técnico que condujo a la colocación de la ilustración incorrecta.

Los lazos familiares

El artículo "Dónde apresurar al caballero" ("PM" No. 8 "2015) dice que la tecnología fue al portador de las tradiciones inglesas de la "actual matriz alemana BMW". De hecho, BMW se ha convertido recientemente en la empresa matriz de Rolls- Royce, pero llamarlo padre no es del todo correcto. Gennady Dreiger

PM: Hasta 1998, Rolls-Royce Motors era propiedad de Vickers. En 1998, la empresa vendió todo a VW excepto el derecho a utilizar la marca Rolls-Royce. La marca se transfirió a BMW, donde desarrollaron autos nuevos y construyeron una nueva planta. Entonces, BMW es el padre del que Rolls-Royce obtuvo el motor, la electrónica y las piezas de suspensión de la séptima serie.

La invención se refiere a la ingeniería eléctrica, en particular a los dispositivos que evitan la formación de hielo en los cables de las líneas eléctricas aéreas de alta tensión (TL) sin desconectar los consumidores. El resultado técnico consiste en la simplicidad y eficiencia del dispositivo reivindicado y, si es posible, la eliminación de las formaciones de hielo existentes sin desconectar los consumidores y sin complicar la línea eléctrica, es decir. sin agregar cables redundantes o de derivación. El dispositivo incluye una fuente de corriente externa a la línea de transmisión de energía, configurada para conectarse a los cables conductores de corriente de la línea de transmisión de energía, mientras que la fuente de corriente está hecha en forma de un generador de alta frecuencia, configurado para proporcionar energía calculada por la fórmula PG =q A ΔT, donde q es el coeficiente de transferencia de calor de la capa caliente superior del cable al aire, A es el área superficial de los cables, ΔT es la temperatura de calentamiento del cable en relación con el ambiente temperatura; mientras que la salida del generador está conectada a la entrada dispositivo coincidente tipo capacitivo, realizado con la posibilidad de hacer coincidir la impedancia de salida del generador de alta frecuencia con la impedancia de entrada de la línea de alimentación y tener el número de salidas correspondiente al número de hilos de la línea de alimentación. 2 np f-ly, 7 malos.

Los ingenieros eléctricos consideran que la formación de hielo en las líneas eléctricas es uno de los desastres más graves. Este fenómeno se caracteriza por la formación de un denso precipitado de hielo durante la congelación de gotas de lluvia, llovizna o niebla sobreenfriadas, principalmente a una temperatura de 0 a -5 °C sobre los cables de las líneas eléctricas. El espesor del hielo en las líneas eléctricas aéreas de alto voltaje puede alcanzar los 60-70 mm, lo que pesa significativamente los cables. Cálculos simples muestran que, por ejemplo, la masa de alambre marca AC-185/43 con un diámetro de 19,6 mm, longitud 1 km, peso 846 kg aumenta con un espesor de hielo de 20 mm en 3,7 veces, con un espesor de 40 mm - por 9 veces, con un espesor de 60 mm - 17 veces. Al mismo tiempo, la masa total de la línea de transmisión de energía de 8 hilos de 1 km de largo aumenta a 25, 60 y 115 toneladas, respectivamente, lo que provoca la rotura de los hilos y la rotura de los soportes de los cojinetes.

Tales accidentes traen un daño económico significativo, suspendiendo el suministro de energía a empresas y edificios residenciales. La eliminación de las consecuencias de tales accidentes a veces lleva un tiempo considerable y gasta grandes cantidades de dinero. Tales accidentes ocurren todos los años en muchos países de la franja norte y media. Solo en el territorio de Rusia, los accidentes importantes debido al hielo durante el período de 1971 a 2001 ocurrieron repetidamente en 44 sistemas de energía (ver Diagnóstico, reconstrucción y operación de líneas eléctricas aéreas en áreas heladas. / I.I. Levchenko, A.S. Zasypkin, AA Alliluev, EI Satsuk.- M.: Editorial MPEI, 2007). Solo un accidente en las redes eléctricas de Sochi en diciembre de 2001 provocó daños en 2,5 mil km de líneas eléctricas aéreas con un voltaje de hasta 220 kV y el cese del suministro de energía en una vasta área (ver).

Se conocen numerosos métodos para combatir este fenómeno, basados en efectos mecánicos o térmicos sobre la corteza de hielo. Al hacerlo, se da preferencia a diferentes caminos derretimiento del hielo, ya que los medios de acción mecánica a menudo no se pueden utilizar en zonas montañosas y boscosas de difícil acceso. La fusión actual es la forma más común de tratar el hielo en los cables de las líneas eléctricas aéreas de alto voltaje. El hielo se derrite calentando los cables portadores o auxiliares con corriente continua o alterna con una frecuencia de 50 Hz a una temperatura de 100-130 ° C (ver también Dyakov A.F., Zasypkin A.S., Levchenko I.I. Prevención y eliminación de accidentes por formación de hielo en redes eléctricas - Pyatigorsk, del RP "Yuzhenergotekhnadzor", 2000 y Rudakova RM, Vavilova IV, Golubkov IE Lucha contra el hielo en las empresas de redes eléctricas - Ufa, Universidad Técnica de Aviación del Estado de Ufa, 1995).

Un método conocido para eliminar el hielo cuando pasa una corriente de cortocircuito a través de los cables de la fase dividida de la línea eléctrica (ver A.S. No. 587547). La corriente de cortocircuito es un modo de emergencia para la línea eléctrica y con un alto grado de probabilidad puede provocar el recocido de los cables, seguido de una pérdida irreversible de resistencia, lo cual es inaceptable. El problema se ve agravado por el hecho de que un solo paso de corriente de cortocircuito puede no ser suficiente para eliminar completamente el hielo, y los cortocircuitos deberán repetirse varias veces, lo que agravará aún más las consecuencias.

Considerar bases teóricas una forma de lidiar con el hielo mediante un cortocircuito de cables.

Deje que la corriente requerida para derretir hielo calentando el cable en el que se congela sea I PL. Luego, al fundirse con corriente continua, el voltaje requerido de la fuente de alimentación

donde R PR es la resistencia activa de los cables, y cuando se derrite con corriente alterna de la red

donde X PR \u003d 2πFL PR \u003d 314L PR - reactancia debida a la inductancia de los cables L PR a una frecuencia F \u003d 50 Hz. Por la relación de estos dos voltajes a las mismas corrientes de fusión, según (1) y (2), obtenemos

Dado que el valor de KU en líneas de longitud y sección transversal considerables debido a la inductancia relativamente grande de los cables puede llegar a 5-10, es económicamente más rentable fundir con corriente continua, en la que el voltaje de la fuente de alimentación y, en consecuencia, su potencia, según (3), disminuye de 5 a 10 veces en comparación con la fuente de CA. Es cierto que esto requiere el uso de potentes rectificadores especiales de alto voltaje. Por lo tanto, la fusión de corriente alterna generalmente se usa en líneas de alto voltaje con un voltaje de 110 kV o menos, y corriente continua, por encima de 110 kV. Como ejemplo, señalamos que la corriente de fusión a un voltaje de 110 kV puede alcanzar los 1000 A, la potencia requerida es de 190 millones de voltios-amperios, la temperatura de fusión es de 130 ° C (ver y).

Así, el derretimiento del hielo con la corriente es un evento bastante complicado, peligroso y costoso, estando desconectados todos los consumidores durante el mismo. Además, después de haber limpiado los cables de hielo, en condiciones climáticas sin cambios, nuevamente están cubiertos de hielo y se requiere que se derritan una y otra vez.

A veces, el calentamiento de los cables se combina con la acción mecánica. Entonces, por ejemplo, en la patente de la Federación Rusa No. 2166826, se propone un método para eliminar el hielo de los cables de la red de contacto y las líneas eléctricas, que consiste en pasar corriente alterna o pulsos de corriente con una frecuencia cercana a la resonancia mecánica. y una amplitud suficiente para vencer las fuerzas de fricción externas e internas, y el cambio en la corriente alterna transmitida puede ser estrictamente periódico, tener una frecuencia oscilante, cambiar de acuerdo con una ley armónica, tener la forma de ráfagas de pulsos con leyes de cambio dadas frecuencia, amplitud y ciclo de trabajo. Los parámetros de la corriente eléctrica que pasa a través de los hilos dobles o múltiples de la red de contacto y las líneas de transmisión de energía se seleccionan para que los hilos entren en movimiento oscilatorio. Como sabes, los conductores con flujo de corriente unidireccional se atraen. Al mismo tiempo, cuando los alambres chocan entre sí, se acumula energía potencial en forma de deformación elástica. En consecuencia, se obtiene un sistema oscilatorio que, con una adecuada selección de la frecuencia, amplitud y ciclo de trabajo de los pulsos de corriente, puede comenzar a oscilar y entrar en resonancia. La aceleración de la eliminación del hielo se consigue debido al hecho de que el calentamiento de los hilos estará acompañado por impactos mecánicos de los hilos entre sí. La reducción en el consumo de electricidad se logra reduciendo significativamente el tiempo para quitar el hielo de los cables y reduciendo la magnitud de las corrientes transmitidas. Se logra una mayor seguridad al eliminar los modos de cortocircuito. La reducción del impacto en las líneas de comunicación, la prevención de fallas en los equipos electrónicos también se produce debido al rechazo de los modos de cortocircuito. Este método es muy difícil de implementar y, además, como en otros métodos considerados, es necesario apagar los consumidores durante el procedimiento de descongelación.

Lo más cercano al dispositivo reivindicado es la solución técnica descrita en la patente RF No. 2316866. El prototipo se caracteriza porque el dispositivo está formado por dos grupos de hilos aislados entre sí, que se conectan por un extremo entre sí y al hilo del siguiente tramo de la línea aérea, y por el otro extremo el primer grupo de los cables están conectados al cable de la sección anterior de la línea aérea, y entre el primer y el segundo grupo de cables se incluye una fuente de voltaje independiente.

Un dispositivo prototipo para prevenir la formación de hielo en la línea aérea se muestra en la Fig. 1 y consiste en el primer 1 y el segundo 2 grupos de cables aislados entre sí, que están conectados en un extremo entre sí y al cable de la sección posterior de la línea de transmisión de energía 3, y desde la otra, el primer grupo El cable está conectado al cable de la sección anterior de la línea de transmisión de energía 4, y una fuente de voltaje independiente 5 está conectada entre la primera 1 y la segunda 2 grupos de alambres.

La corriente principal de la línea pasa del cable de la sección anterior de la línea de transmisión de energía 4 al primer grupo de cables 1 y luego al cable de la siguiente sección de la línea de transmisión de energía 3. Desde una fuente independiente 5, el voltaje se aplica entre el primer grupo de cables 1 y el segundo grupo de cables 2.

De los cálculos teóricos dados por los autores del prototipo, se deduce que para evitar la formación de hielo, por ejemplo, en el cable ACS 95/16, el aumento de temperatura del cable con respecto al ambiente debe ser de 5°C a una velocidad del viento de 3 m/s. En este caso, se deben asignar 36 kW / 10 km en el cable. Con la corriente nominal de este cable, las pérdidas activas en una longitud de 10 km son de 28 kW/10 km. Por lo tanto, la potencia de la fuente de tensión independiente 5 debería ser de 8 kW/10 km. Si no hay carga de línea, entonces la potencia de la fuente independiente 5 debe ser de 36 kW/10 km.

Si el segundo grupo de cables es un cable de acero aislado con un diámetro de 4,5 mm, entonces con una pérdida de potencia de este cable de 36 kW / 10 km, el voltaje de una fuente independiente 5 será de 2,1 kV y una corriente de 17 A Con un segundo grupo de hilos aislados de aluminio, con una pérdida de potencia de 36 kW/10 km, la tensión de una fuente independiente será de 0,8 kV y la corriente de 45 A.

Una fuente de tensión independiente puede ser un transformador de tensión alimentado desde una red de 0,38 kV con aislamiento de 63 kV a tierra para una subestación de 110 kV, o un transformador alejado de la subestación alimentado directamente desde líneas aéreas de 110 kV.

La característica más atractiva de esta solución es la posibilidad de utilizarla sin desconectar a los consumidores. Sin embargo, la desventaja de este método es la complejidad del diseño de toda la línea de transmisión debido a la creación de grupos de cables de "derivación" que asumen la carga durante la descongelación del cable principal.

La tarea a resolver por la invención reivindicada es desarrollar un dispositivo bastante simple y económico para evitar la formación de hielo en las líneas eléctricas aéreas de alta tensión y, si es posible, eliminar las formaciones de hielo existentes sin desconectar los consumidores y sin complicar la línea eléctrica. , es decir sin agregar cables redundantes o de derivación. Al mismo tiempo, para lograr tales resultados, es deseable que dicho dispositivo se base en un nuevo, más forma eficiente. Como prototipo del método, tiene sentido señalar una solución que utiliza el calentamiento por hilo utilizando una fuente de corriente externa sin apagar los consumidores.

El resultado técnico en relación con el método se logra debido al hecho de que se ha desarrollado un método mejorado para calentar cables conductores de corriente de al menos dos cables aplicándoles voltaje de alta frecuencia, cuya característica distintiva es el uso de el efecto piel y el efecto de onda viajera para calentar los hilos. En este caso, el método reivindicado prevé las siguientes operaciones:

Se aplica un voltaje de alta frecuencia en el rango de 50-500 MHz entre los dos cables de la línea eléctrica con una potencia de PG =q A ΔT, donde q es el coeficiente de transferencia de calor de la capa caliente superior del cable al aire , A es el área superficial de los cables, ΔT es la temperatura de calentamiento del cable en relación con la temperatura ambiente.

El resultado técnico en relación con el dispositivo se logra debido a que el dispositivo reivindicado incluye un generador de alta frecuencia con una potencia calculada por la fórmula: P G =q A ΔT,

donde q es el coeficiente de transferencia de calor de la capa caliente superior del cable al aire, A es el área superficial de los cables, ΔT es la temperatura de calentamiento del cable en relación con la temperatura ambiente, mientras que la salida del generador está conectada a la entrada de un dispositivo de adaptación de tipo capacitivo, configurado para hacer coincidir la impedancia de salida del generador de alta frecuencia con la resistencia de entrada de la línea de alimentación y que tiene el número de salidas correspondiente al número de cables de la línea de alimentación.

Para una mejor comprensión de la esencia de la invención reivindicada, a continuación se da su justificación teórica con referencias a los materiales gráficos pertinentes.

Figura 1. Dispositivo prototipo.

Figura 2. Línea eléctrica: 2.1) cortocircuito en la línea, 2.2) circuito equivalente en corriente continua, 2.3) circuito equivalente en corriente alterna con una frecuencia de 50 Hz.

Fig. 3. Distribución de corriente sobre la sección transversal del conductor: 3.1) en corriente continua y baja frecuencia; 3.1) a alta frecuencia.

Figura 4. Línea de dos hilos: 4.1) apariencia, 4.2) gráfico de la amplitud de voltaje para una onda viajera, 4.3) para una onda viajera y reflejada.

Figura 5. Esquema de conexión de un generador de alta frecuencia a una línea eléctrica.

Figura 6. Gráficos de dependencia: 6.1) capa superficial de penetración de corriente en el conductor, 6.2) resistividad relativa de los cables según la frecuencia: 601 - acero, 602 - aluminio, 603 - cobre.

Figura 7. Dependencia del coeficiente de conversión de energía electromagnética de una onda viajera en energía térmica en la longitud de la línea.

Como sabes, el término "efecto piel" proviene de la palabra inglesa "skin", es decir, "cuero"; al mismo tiempo, en ingeniería eléctrica, esto significa que, en determinadas circunstancias, la corriente eléctrica se concentra en la "piel" del conductor (ver en.wikipedia.org/wiki/Skin effect). Se encontró que en un conductor homogéneo, la corriente alterna, a diferencia de la corriente continua, no se distribuye uniformemente sobre la sección transversal del conductor, sino que se concentra en su superficie, ocupando una capa muy delgada (ver Fig.3), el espesor de que a una frecuencia de corriente alterna f> 10 kHz está determinada por la fórmula

donde σ (Ohm mm 2 /m) - resistividad eléctrica en corriente continua; µ o \u003d 1.257 10 6 (V s / A m) - constante magnética; µ - permeabilidad magnética relativa (para material no magnético µ=1) f - frecuencia en MHz.

Los gráficos de la función δ(f) según (4) para tres materiales (acero - 601, aluminio - 602 y cobre - 603) se muestran en la Fig.6.1. El adelgazamiento de la capa por la que circula la corriente alterna provoca un aumento de la resistencia del conductor de radio r (mm), determinada en (r/2δ)>10 por la fórmula

donde R o \u003d σ / πr 2 es la resistencia del mismo conductor de 1 m de largo a la corriente continua.

En la Fig. 6.2. De ellos, por ejemplo, se deduce que a una frecuencia de 100 MHz y superior, la resistencia de los cables de aluminio aumenta en un factor de 600 o más.

En cuanto al efecto de “onda electromagnética viajera”, como es conocido (ver, por ejemplo, izob.narod.rn/p0007.html ), existen dos formas principales de propagación de ondas electromagnéticas: en el espacio libre cuando es emitida por una antena y con la ayuda de guías de ondas y líneas de alimentación. o las llamadas líneas largas - coaxial, tira y dos hilos - (ver Kaganov V.I. Oscilaciones y ondas en la naturaleza y la tecnología. Curso computarizado. - M .: línea directa- Telecomunicaciones, 2008). En el segundo caso, la onda electromagnética, como sobre raíles, se desliza a lo largo de la línea. Dado que dos cables de una línea eléctrica se pueden considerar como una línea de dos cables (Fig.4.1), nos detendremos en su análisis. La línea en sí se caracteriza por tres parámetros principales: impedancia de onda ρ, constante de amortiguamiento α y constante de fase β. Impedancia de onda línea de dos hilos estirada en el aire

donde a es la distancia entre los centros de los cables, r es el radio del cable (ver Fig.4.1) Constante de atenuación

donde R f es la resistencia de un hilo a alta frecuencia, determinada según (5).

Constante de fase β=2π/λ, (1/m), donde λ (m) es la longitud de onda que se propaga en la línea.

En la propia línea de dos hilos, así como en otras líneas de alimentación, son posibles dos modos principales de operación: solo con una onda viajera en una dirección y con dos ondas: viajera y reflejada desde el final u obstáculo en la línea. Supongamos que la línea es infinitamente larga. Entonces solo es posible el modo de onda viajera, cuyo voltaje depende del tiempo t y la distancia x del generador (Fig.4.2):

donde U 0 es la amplitud de voltaje en la entrada de la línea a la que está conectado el generador con una frecuencia f.

Según (8) la amplitud de la onda viajera que se propaga a lo largo de la línea decrece exponencialmente (Fig. 6 y 7). En consecuencia, la potencia de una onda electromagnética viajera a una distancia L del generador será:

donde Р Г =(U 0)) 2 /2ρ - potencia de onda al comienzo de la línea, igual a la potencia de salida del generador de alta frecuencia.

La diferencia entre la potencia de la onda viajera al principio de la línea y a una distancia L determinará el calentamiento térmico de la línea por donde se propaga la onda

El coeficiente de conversión de la energía electromagnética de la onda viajera W en energía térmica en una línea de longitud L (m), teniendo en cuenta (10), será:

Los gráficos de la función η(L) para tres valores de la constante de amortiguamiento α (1/km) se trazan en la Fig.7. De ellos se deduce que cuanto mayor sea la resistencia de los hilos de línea R f , determinada por (5), y, en consecuencia, la constante de atenuación α, determinada por (7), mayor será la energía del campo electromagnético de la corriente móvil. onda a lo largo de la línea se convierte en calor. Es este efecto de convertir la energía electromagnética en calor, que se utiliza para calentar los cables a una frecuencia de señal alta, y es la base del método propuesto para evitar el hielo en las líneas eléctricas.

En el caso de tamaños de línea limitados o algún obstáculo de alta frecuencia, como una capacitancia, además de la onda incidente, la onda reflejada también se propagará en la línea, cuya energía también se convertirá en calor al propagarse desde el obstáculo para el generador. Las amplitudes de cambio a lo largo de la línea de ambas ondas -incidente y reflejada- se muestran en la Fig.4.3.

Para calcular la transferencia de calor, determinamos en ejemplo específico que poder

Se requerirá R G de un generador de alta frecuencia con una frecuencia f conectado a una línea eléctrica para calentar dos cables en ΔT grados. Tomamos en cuenta las siguientes circunstancias. En primer lugar, la fina capa superior del cable bajo la acción de una onda electromagnética se calienta casi instantáneamente con un alto valor de liberación de calor volumétrico. En segundo lugar, este calor se gasta en calentar todo el alambre (O M) y el aire que rodea el alambre por convección (Q B) (ver Fig.3.2).

Tomemos los siguientes datos iniciales: material del alambre - aluminio con un diámetro de 10 mm, sección S=78,5 mm 2 , longitud L=5000 m, densidad p=2710 kg/m 3 , resistividad en corriente continua σ=0,027 Ohm mm 2 / m, calor específico c=896 J/kg·K, coeficiente de transferencia de calor de la capa superior de hilo caliente al aire q=5 W/m·K.

Masa de dos hilos:

Superficie de dos hilos:

La cantidad de calor requerida para calentar dos cables por ΔТ=13°С:

Transferencia de calor de dos cables al medio ambiente a una diferencia de temperatura ΔТ=13°С:

donde t es el tiempo en segundos.

De la última expresión obtenemos para la potencia requerida del generador de alta frecuencia R G =20,4 kW, es decir 2 W de potencia de oscilación de alta frecuencia por 1 m de hilo con una liberación volumétrica de calor en la capa superior del hilo de 8 MW/m 3 . De paso, notamos que con el mismo tipo de cable, para liberarlo del hielo derritiéndolo con un ciclo de hasta 40 minutos, se requiere una potencia de 100 VA por 1 metro (ver y).

Al igualar las expresiones de energía, encontramos la cantidad de tiempo para establecer un modo estacionario de calentamiento de alambre:

Para probar las disposiciones teóricas anteriores y probar la aplicabilidad industrial del método y dispositivo propuestos, se realizó un experimento de laboratorio.

A partir de cálculos preliminares, se concluyó que los potentes transmisores de radio VHF FM que operan en el rango de frecuencia de 87.5 ... 108 MHz pueden usarse como generadores de señales de alta frecuencia, cambiando solo el dispositivo de adaptación de carga en ellos y conectándolos a la fuente de alimentación. línea según el diagrama .5.

En la versión experimental, se conectó un generador 502 con una potencia de 30 W a una frecuencia de 100 MHz a través de un dispositivo de adaptación 501 a una línea de dos hilos de 50 m de largo, abierta en el extremo, con hilos de 0,4 mm de diámetro. y una distancia entre ellos de 5 mm. La impedancia de onda de tal línea según (6):

Bajo la acción de una onda electromagnética viajera, la temperatura de calentamiento de la línea de dos hilos fue de 50-60°C a una temperatura del aire ambiente de 20°C. Los resultados del experimento con una precisión satisfactoria coincidieron con los resultados del cálculo realizado de acuerdo con las expresiones matemáticas dadas.

Al mismo tiempo, se formularon las siguientes conclusiones:

El método inventivo de calentar líneas eléctricas mediante la propagación a lo largo de una onda electromagnética, cuya energía se convierte en calor a medida que se propaga, le permite calentar los cables entre 10 y 20 °C, lo que debería evitar la formación de hielo;

Lo más apropiado es el uso del método y dispositivo propuesto para evitar la formación de hielo en los alambres, ya que para eliminar la "capa" de hielo ya formada se requerirá mucha más energía y un procedimiento más largo;

En comparación con el método utilizado actualmente para derretir hielo, el método propuesto tiene una serie de ventajas, en particular, dado que el método se implementa sin desconectar los consumidores, es posible, con fines preventivos, calentar la línea hasta que se forme un depósito de hielo denso. en los hilos, lo que permite calentarlos hasta 10-20°C, y no hasta una temperatura de 100-130°C, necesaria para derretir hielo;

La resistencia de los hilos, que aumenta con el aumento de la frecuencia de la corriente alterna (en el ejemplo dado, a una frecuencia de 100 MHz, la resistencia aumenta en tres órdenes de magnitud con respecto a una frecuencia de 50 Hz) permite obtener una alto coeficiente de conversión de energía eléctrica en energía térmica y, por lo tanto, reducir la potencia del generador.

1. Un método para tratar el hielo en las líneas eléctricas, que consiste en el hecho de que, sin desconectar a los consumidores, se suministra corriente a los cables que transportan corriente desde una fuente externa, que calienta el cable, caracterizado porque el voltaje de alta frecuencia se suministra entre los dos hilos de la línea eléctrica en el rango de 50-500 MHz con potencia RG =q·A·ΔT, donde q es el coeficiente de transferencia de calor de la capa caliente superior del hilo al aire, A es la superficie área de los cables, ΔT es la temperatura de calentamiento del cable en relación con la temperatura ambiente.

2. Un dispositivo de deshielo, que incluye una fuente de corriente externa a la línea eléctrica, configurado para ser conectado a los hilos conductores de corriente de la línea eléctrica, caracterizado porque fuente externa la corriente se realiza en forma de un generador de alta frecuencia, realizado con la posibilidad de proporcionar potencia, calculada según la fórmula PG =q A ΔT, donde q es el coeficiente de transferencia de calor de la capa caliente superior del cable al aire, A es el área superficial de los cables, ΔT es la temperatura de calentamiento del cable en relación con la temperatura ambiente; en el que la salida del generador está conectada a la entrada de un dispositivo de adaptación de tipo capacitivo, configurado para hacer coincidir la impedancia de salida del generador de alta frecuencia con la impedancia de entrada de la línea de alimentación y que tiene el número de salidas correspondiente al número de cables de la línea eléctrica.

La invención se refiere a la ingeniería eléctrica, en particular a los dispositivos que evitan la formación de hielo en los cables de las líneas eléctricas aéreas de alta tensión sin desconectar los consumidores.

Doctor en Ciencias Técnicas V. KAGANOV, profesor de MIREA.

En los últimos quince años, el hielo en las líneas de alta tensión se ha vuelto cada vez más frecuente. Con una ligera helada, en un invierno suave, las gotas de niebla o lluvia se depositan en los cables, cubriéndolos con una densa capa de hielo que pesa varias toneladas a lo largo de un kilómetro. Como resultado, los cables se rompen y las líneas eléctricas se rompen. Los accidentes frecuentes en las líneas eléctricas aparentemente están relacionados con el calentamiento general del clima y requerirán mucho esfuerzo y dinero para prevenirlos. Debe prepararse para ellos con anticipación, pero el método tradicional de derretir hielo en los cables es ineficaz, inconveniente, costoso y peligroso. Por lo tanto, el Instituto de Radio Electrónica y Automatización de Moscú (MIREA) ha desarrollado nueva tecnología no solo la destrucción del hielo ya congelado, sino también la anticipación para evitar su formación.

Ciencia y vida // Ilustraciones

Los trozos de hielo en cables, aisladores y estructuras de soporte a veces alcanzan tamaños y masas significativos.

Capas de hielo de varias toneladas en los cables rompen incluso los soportes de acero y hormigón armado.

Generador experimental a 100 MHz con una potencia de 30 W, ensamblado en MIREA.

El hielo es un desastre para las líneas eléctricas

Según el diccionario de Dahl, el hielo tiene otro nombre: ozeled o ozeleditsa. La formación de hielo, es decir, una densa corteza de hielo, se forma cuando las gotas de lluvia, llovizna o niebla sobreenfriadas se congelan a temperaturas de 0 a -5 ° C en la superficie de la tierra y diversos objetos, incluidos los cables de las líneas eléctricas de alto voltaje. El grosor del hielo sobre ellos puede alcanzar los 60-70 mm, pesando significativamente los cables. Cálculos simples muestran que, por ejemplo, un cable AC-185/43 con un diámetro de 19,6 mm y una longitud de un kilómetro tiene una masa de 846 kg; con un espesor de hielo de 20 mm, aumenta 3,7 veces, con un espesor de 40 mm, 9 veces, con un espesor de 60 mm, 17 veces. Al mismo tiempo, la masa total de la línea de transmisión eléctrica de cables de ocho kilómetros de longitud aumenta a 25, 60 y 115 toneladas, respectivamente, lo que provoca rotura de cables y rotura de soportes metálicos.

Tales accidentes causan un daño económico significativo, se tarda varios días en eliminarlos y se gastan enormes cantidades de dinero. Por lo tanto, según los materiales de la compañía OGRES, los accidentes importantes debido al hielo durante el período de 1971 a 2001 ocurrieron repetidamente en 44 sistemas de energía de Rusia. Solo un accidente en las redes eléctricas de Sochi en diciembre de 2001 provocó daños en 2.500 km de líneas eléctricas aéreas con un voltaje de hasta 220 kV y la interrupción del suministro de energía a una vasta área. También hubo muchos accidentes de origen helado el invierno pasado.

Las líneas eléctricas de alto voltaje son más susceptibles al hielo en el Cáucaso (incluso en el área de los próximos Juegos Olímpicos de Invierno de Sochi en 2014), en Bashkiria, Kamchatka, en otras regiones de Rusia y otros países. Este flagelo tiene que ser tratado de una manera muy costosa y extremadamente inconveniente.

Fusión eléctrica

La costra de hielo en las líneas de alta tensión se elimina calentando los cables con corriente continua o alterna con una frecuencia de 50 Hz a una temperatura de 100-130°C. La forma más fácil de hacer esto es cortocircuitar dos cables (en este caso, todos los consumidores deben estar desconectados de la red). Sea necesaria la corriente I pl para el derretimiento efectivo de la capa de hielo en los alambres. Luego, al fundirse con corriente continua, el voltaje de la fuente de poder

U 0 \u003d I pl R pr,

donde R pr - resistencia activa de los cables y corriente alterna de la red -

donde X pr \u003d 2FL pr - reactancia a una frecuencia F \u003d 50 Hz, debido a la inductancia de los cables L pr.

En líneas de longitud y sección transversal considerables, debido a su inductancia relativamente grande, la tensión de la fuente de corriente alterna a una frecuencia F = 50 Hz y, en consecuencia, su potencia debe ser 5-10 veces mayor en comparación con una fuente de corriente continua. de la misma fuerza. Por lo tanto, es económicamente ventajoso derretir hielo con corriente continua, aunque esto requiere potentes rectificadores de alto voltaje. La corriente alterna generalmente se usa en líneas de alto voltaje con un voltaje de 110 kV e inferior, y la corriente continua se usa por encima de 110 kV. Como ejemplo, señalamos que a un voltaje de 110 kV, la intensidad de la corriente puede alcanzar los 1000 A, la potencia requerida es de 190 millones de VA y la temperatura del cable es de 130 ° C.

Por lo tanto, derretir hielo con corriente es una empresa bastante inconveniente, compleja, peligrosa y costosa. Además, los cables limpios, bajo las condiciones climáticas preservadas, vuelven a estar cubiertos de hielo, que debe derretirse una y otra vez.

Antes de presentar la esencia de nuestro método propuesto para tratar el hielo en los cables de las líneas eléctricas de alto voltaje, detengámonos en dos fenómenos físicos, el primero de los cuales está asociado con el efecto de la piel, el segundo, con una onda electromagnética viajera.

Efecto piel y ondas viajeras

El nombre del efecto proviene de la palabra inglesa "skin" - piel. El efecto piel consiste en el hecho de que las corrientes de alta frecuencia, a diferencia de la corriente continua, no se distribuyen uniformemente sobre la sección transversal del conductor, sino que se concentran en una capa muy delgada de su superficie, cuyo espesor a una frecuencia f > 10 kHz. ya son fracciones de milímetro, y la resistencia de los cables aumenta cientos de veces.

Las oscilaciones electromagnéticas de alta frecuencia pueden propagarse en el espacio libre (cuando son emitidas por una antena) y en guías de ondas, por ejemplo, en las llamadas líneas largas, a lo largo de las cuales se desliza una onda electromagnética, como si fuera sobre rieles. Una línea tan larga puede ser un par de cables de una línea eléctrica. Cuanto mayor es la resistencia de los cables de línea, la mayor parte de la energía del campo electromagnético de la onda que viaja a lo largo de la línea se convierte en calor. Es este efecto el que subyace en el nuevo método para prevenir el hielo en las líneas eléctricas.

Los cálculos muestran que para proteger del hielo una línea eléctrica con una longitud de unos 10 km, se necesita un generador de alta frecuencia con una potencia de 20 kW, es decir, entrega 2 W de potencia por metro de cable. En este caso, el modo estacionario de calentar los cables ocurre después de 20 minutos. Y con el mismo tipo de cable, el uso de corriente continua requiere una potencia de 100 W por metro con acceso al modo en 40 minutos.

Las corrientes de alta frecuencia son generadas por poderosos transmisores de radio VHF FM que operan en el rango de 87.5-108 MHz. Se pueden conectar a los cables de las líneas eléctricas a través de un dispositivo coincidente con una carga: una línea eléctrica.

Para probar la efectividad del método propuesto, se realizó un experimento de laboratorio en MIREA. Un generador con una potencia de 30 W, una frecuencia de 100 MHz se conectó a una línea de dos hilos de 50 m de largo, abierta en el extremo, con hilos de 0,4 mm de diámetro y una distancia entre ellos de 5 mm.

Bajo la acción de una onda electromagnética viajera, la temperatura de calentamiento de la línea de dos hilos fue de 50-60°C a una temperatura del aire de 20°C. Los resultados del experimento coincidieron con los resultados de los cálculos con una precisión satisfactoria.

conclusiones

El método propuesto requiere, por supuesto, una verificación exhaustiva en condiciones reales de la red eléctrica existente con experimentos a gran escala, porque el experimento de laboratorio solo nos permite dar la primera evaluación preliminar del nuevo método para tratar con hielo. Pero aún se pueden sacar algunas conclusiones de todo lo dicho:

1. El calentamiento de las líneas eléctricas con corrientes de alta frecuencia evitará la formación de hielo en los cables, ya que es posible calentarlos hasta 10-20 ° C sin esperar la formación de hielo denso. No tiene que desconectar a los consumidores de la red eléctrica: una señal de alta frecuencia no los penetrará.

Destacamos: el método le permite prevenir la aparición de hielo en los cables y no comenzar a combatirlo después de que la "capa" de hielo los envuelva.

2. Dado que los cables se pueden calentar a solo 10-20 °C, en comparación con la fusión, que requiere que los cables se calienten hasta 100-130 °C, el consumo de energía se reduce significativamente.

3. Dado que la resistencia de los cables a las corrientes de alta frecuencia aumenta considerablemente en comparación con la industrial (50 Hz), el coeficiente de conversión de energía eléctrica en energía térmica es grande. Esto a su vez conduce a una disminución en la potencia requerida. Al principio, aparentemente, es posible limitar la frecuencia de alrededor de 100 MHz de un generador con una potencia de 20-30 kW, utilizando los transmisores de radiodifusión existentes.

Literatura

Dyakov A. F., Zasypkin A. S., Levchenko I. I. Prevención y eliminación de accidentes por hielo en redes eléctricas. - Pyatigorsk: Editorial de RP "Yuzhenergotekhnadzor", 2000.

Kaganov V. I. Oscilaciones y ondas en la naturaleza y la tecnología. curso informatizado. - M.: Línea Directa - Telecom, 2008.

Levchenko I. I., Zasypkin A. S., Alliluev A. A., Satsuk E. I. Diagnóstico, reconstrucción y operación de líneas eléctricas aéreas en áreas heladas. - M.: Editorial MPEI, 2007.

Rudakova R. M., Vavilova I. V., Golubkov I. E. Lucha contra el hielo en las empresas de redes eléctricas. - Ufá: Ufimsk. Expresar aviación tecnología un-t, 1995.

Yavorsky B. M., Detlaf A. A. Manual de física. - M.: Nauka, 1974.