Metody odladzania linii energetycznych. Sposób zapobiegania oblodzeniu przewodów napowietrznych linii przesyłowych prądu przemiennego

Kuvshinov AA, doktor nauk technicznych, Uniwersytet Państwowy Togliatti;
V.F. Karmanov, dyrektor generalny,
Akhmetzhanov NG, Główny Specjalista LLC „Energia T” (Togliatti);
dr Shkuropat I.A., CJSC "GK" Electroshield TM-Samara ", Samara;
Galiev IT, słuchacz studiów podyplomowych wydziału IIT, NRU MPEI,
Alexandrov N.M., doktorant Wydziału NPP, SamSTU;
Khrennikov A.Yu., doktor nauk technicznych, JSC „STC FGC UES”

Wstęp

Podczas eksploatacji napowietrznych linii elektroenergetycznych (OHL) w wielu rejonach pojawia się poważny problem oblodzenia przewodów w okresie jesienno-zimowym, gdyż średni czas usuwania wypadków lodowych przekracza średni czas eliminacji wypadków spowodowanych przez inne przyczyny o 10 lub więcej razy. Badania pokazują, że osady lodu na liniach napowietrznych występują przy temperaturze powietrza około minus 5 °C i prędkości wiatru 5-10 m/s. Dopuszczalna grubość ścianki płaszcza lodowego wynosi od 5 do 20 mm dla linii napowietrznych o napięciu 3–330 kV, zlokalizowanych w rejonach klimatycznych na lodzie kategorii I – IV.

Jako pasywny środek przeciwoblodzeniowy można użyć różnych wzmocnionych drutów. Na przykład drut ACCC (Aluminum Conductor Composite Core to drut aluminiowy z rdzeniem kompozytowym wykonanym z różnych materiałów. Rdzeń przewodnika ACCC jest stabilny wymiarowo, ponieważ współczynnik rozszerzalności cieplnej (1,6,10-6 ° C-1) jest prawie o rząd wielkości niższy niż stal ( 11.5.10-6 ° C-1) Dlatego druty ACCC mogą wytrzymać wysokie temperatury przez długi czas, zapobiegając tworzeniu się lodu.

Należy również zwrócić uwagę na drut Aero-Z®, który składa się z jednej lub więcej koncentrycznych warstw drutów okrągłych (warstwy wewnętrzne) i drutów „Z” (warstwy zewnętrzne). Każda warstwa drutu jest skręcona na swojej długości, wykonana z określonym skokiem. Gładka powierzchnia zmniejsza obciążenie wiatrem o 30-35% oraz zapobiega przywieraniu śniegu i lodu. Jednak drut Aero-Z® ma ograniczenia dotyczące topienia lodu, ponieważ nie pozwala na długotrwały wzrost temperatury powyżej 80 ° C.

Ogólnie rzecz biorąc, praktyczne wdrożenie pasywnych metod radzenia sobie z lodem jest możliwe tylko przy projektowaniu i uruchamianiu nowych linii energetycznych. Przebudowa „starych” linii napowietrznych wiąże się ze znacznymi kosztami.

Dlatego zadanie opracowania aktywnych metod radzenia sobie z osadami lodowymi na liniach napowietrznych nie traci na znaczeniu. Tradycyjne metody obejmują topienie lodu na liniach napowietrznych prądem przemiennym poprzez sztuczne tworzenie zwarć lub prądu stałego za pomocą niekontrolowanych lub sterowanych prostowników. Jednak w pierwszym przypadku możliwe jest uszkodzenie linii napowietrznych, aw drugim przypadku drogie jednostki prostownikowe nie są używane przez większą część roku kalendarzowego. Jednocześnie otwiera się aktualny stan bazy elementów energoelektroniki dodatkowe funkcje i stymuluje rozwój nowych metod radzenia sobie z osadami lodowymi, wolnych od tych wad. Wiele publikacji naukowych poświęconych jest badaniu powstawania lodu i kontroli osadów lodowych. W pracy tej postawiono zadanie usystematyzowania i analizy porównawczej. istniejące sposoby zwalczanie złóż lodu, którego rozwiązanie pozwoli wybrać z dostępnego zestawu rozwiązań technicznych najbardziej racjonalny dla lokalnych warunków.

Klasyfikacja metod przeciwdziałania oblodzeniu

Znane urządzenia i metody wykorzystują następujące rodzaje uderzeń fizycznych w celu usunięcia osadów lodu i szronu z przewodów linii energetycznych (rysunek 1):

• efekt cieplny poprzez podgrzanie drutu do temperatury 120-130 °C, przy której topi się tuleja lodowa, lub przez podgrzewanie profilaktyczne drutów o 10-20 °C, aby zapobiec tworzeniu się lodu;
• efekt termodynamiczny polegający na wstępnym podgrzaniu aż do powstania warstwy zalanej pomiędzy drutem a tuleją lodową, a następnie „potrząsaniu drutami siłą Ampera”, które następuje przy przejściu silnego impulsu prądowego;
• działanie elektromechaniczne poprzez okresowe przepuszczanie impulsów prądu, powodujące mechaniczne drgania przewodów i zniszczenie lodowego sprzęgła; skuteczność działań elektromechanicznych zwiększa się dzięki takim parametrom impulsów prądowych, które wywołują rezonans mechaniczny;
• działanie mechaniczne poprzez przesuwanie ślimaków wzdłuż drutu za pomocą energii wiatru, energii pola elektromagnetycznego prądu fazowego linii napowietrznych, magnesów trwałych, silnika indukcyjnego liniowego lub wywoływanie drgań drutu za pomocą mechanicznego generatora drgań (nie rozważane dalej, ponieważ praktycznie nie są używane).

Rysunek 1 - Klasyfikacja metod usuwania osadów lodu z linii napowietrznych:

Prostownik sterowany UV;

STK - statyczny kompensator tyrystorowy;

PCh - przetwornica częstotliwości;

NPCH - bezpośredni przemiennik częstotliwości;

UPC - urządzenie do kompensacji wzdłużnej

Należy jedynie zwrócić uwagę na ogólną wadę układów mechanicznych, która polega na konieczności ręcznego montażu na drucie, zdejmowania z drutu, a także przeciążenia z jednego drutu na drugi. Wymaga to specjalistycznego sprzętu (podest ruchomy) i personelu konserwacyjnego, co zwiększa koszty eksploatacji i utrudnia użytkowanie w trudno dostępnych miejscach.

Ekspozycja termiczna na prąd przemienny

Topienie lodu prądem przemiennym stosuje się w liniach napowietrznych o napięciu poniżej 220 kV z przewodami o przekroju mniejszym niż 240 mm2. Źródłem zasilania są zwykle szyny zbiorcze 6-10 kV podstacji lub oddzielny transformator. Obwód topienia lodu należy dobrać w taki sposób, aby zapewnić przepływ prądu przez przewody linii napowietrznej 1,5-2 razy większy niż długookresowy prąd dopuszczalny. Nadmiar taki jest uzasadniony krótkim czasem trwania procesu topienia (~1 h), a także intensywniejszym chłodzeniem drutu w okresie zimowym. Dla drutów stalowo-aluminiowych typu AC o przekroju 50-185 mm2 orientacyjna wartość jednogodzinnego prądu topnienia lodu zawiera się w przedziale 270-600 A, a prądu zapobiegającego powstawaniu lód na przewodach mieści się w zakresie 160-375 A.

Często jednak nie jest możliwe dobranie wymaganej wartości prądu zwarciowego tylko poprzez wybór schematu topnienia lodu. Przekroczenie powyższych wartości prądu topnienia może prowadzić do wyżarzania drutów z późniejszą nieodwracalną utratą wytrzymałości. Przy niższych wartościach pojedynczej transmisji prądu zwarciowego może nie wystarczyć całkowite usunięcie lodu. Następnie zwarcia trzeba powtarzać kilka razy, co dodatkowo pogłębia konsekwencje.

Aby uniknąć tych negatywnych konsekwencji, pozwala na zastosowanie tyrystorowego regulatora napięcia przemiennego, którego obwód pokazano na rysunku 2. W trybie topienia lodu przełącznik 7 jest wyłączony, przełącznik 8 jest włączony. Możliwe sposoby regulacja prądu topnienia - faza impulsu poprzez zmianę kątów przełączania tyrystorów mocy 1, 2 i 3 lub szerokości impulsu - poprzez zmianę ilości okresów zasilania.

Rysunek 2 - Instalacja do kompensacji mocy biernej i topnienia lodu

W trybie kompensacji mocy biernej przełącznik 7 jest włączony, a przełącznik 8 jest wyłączony. W tym przypadku tyrystory mocy 1, 2, 3 oraz dławiki 4, 5, 6 tworzą grupę tyrystor-reaktor połączoną w trójkąt, będącą elementem statycznego kompensatora tyrystorowego. Autorzy dopuszczają też możliwość zastosowania kondensatorów zamiast dławików. W takim przypadku kompensacja mocy biernej będzie realizowana za pomocą regulowanej baterii kondensatorów.

Jednak niezależnie od sposobu sterowania topienie lodu odbywa się prądem przemiennym o częstotliwości przemysłowej i wymaga znacznych mocy zasilania (dziesiątki MB.A), gdyż rezystancja czynna przewodów linii napowietrznej jest znacznie mniejsza niż rezystancja indukcyjna . Pełna mocźródło wzrasta ze względu na duże i bezużyteczne obciążenie reaktywne do topienia lodu. Możliwe jest zwiększenie wydajności topienia poprzez kompensację wzdłużną pojemnościową rezystancji indukcyjnej w przypadku zastosowania kondensatorów w ramach projektowanej instalacji. Jednak autorzy nie brali pod uwagę takiej możliwości.

Na uwagę zasługuje łączona instalacja kompensacji mocy biernej i topnienia lodu, której schemat przedstawiono na rysunku 3. W trybie topienia lodu przełącznik 7 jest włączony, omijając dławik 6, przełącznik 9 wyłącza baterię kondensatorów 8, a przełącznik 10 jest włączony. W takim przypadku topienie jest możliwe na wszystkich przewodach linii napowietrznej jednocześnie.

Rysunek 3 - Połączona instalacja do kompensacji mocy biernej i topnienia lodu

W trybie kompensacji mocy biernej przełączniki 7 i 10 są wyłączone, a przełącznik 9 jest włączony. W rezultacie typowy obwód kompensatora statycznego jest tworzony w oparciu o moduły tranzystorowe 1, 2 i 3, dławiki 5, 6 po stronie AC i baterię kondensatorów 8 po stronie DC. Taka konstrukcja może pracować zarówno w trybie wytwarzania, jak i w trybie poboru mocy biernej.

Istotną wadą instalacji pokazanej na rysunku 3 jest niepełne wykorzystanie części zaworowej w trybie topienia. Wynika to z faktu, że prąd topnienia przepływa tylko przez „dolne” przełączniki faz 1, 2 i 3 mostka przekształtnika. Przekształcenie obwodu mostkowego w trzy przełączniki AC będzie wymagało dodatkowego sprzętu przełączającego i znacznej komplikacji obwodu mocy.

Efekt termiczny z prądem stałym

Po raz pierwszy odnotowano topienie lodu prądem stałym jako obiecujący kierunek zwalczania osadów lodowych na przewodach fazowych linii napowietrznych. Przekształtniki VUKN-16800-14000 wykonane według schematu Larionowa w oparciu o niesterowane zawory krzemowe VK-200 o napięciu wyprostowanym 14 kV, prądzie wyprostowanym 1200 A i mocy wyjściowej 16800 kW należą do pierwszych seryjnych instalacji do topienia lodu metodą bezpośrednią. obecny. Schematy topienia lodu prądem wyprostowanym szczegółowo omówiono w.

Wadą metody jest to, że linia napowietrzna musi być wyłączona, a prostownik nie jest używany przez większą część roku kalendarzowego, ponieważ potrzeba stopienia lodu występuje tylko zimą. Można zauważyć propozycję topienia lodu prądem pulsującym bez wyłączania linii napowietrznej. Prostownik jest włączony w cięcie rozgrzanego drutu, dzięki czemu prąd stały nie przepływa przez uzwojenia transformatorów mocy i przekładników prądowych. Druty są nagrzewane prądem pulsującym, zawierającym składową przemienną określoną przez obciążenie linii napowietrznej oraz składową stałą określoną przez napięcie wyprostowane i rezystancję czynną obwodu topienia. Jednak taka propozycja nie zwiększa stopnia wykorzystania jednostek prostownikowych, a dla praktyczne wdrożenie wymaga dodatkowego sprzętu przełączającego.

W związku z tym próby ekspansji funkcjonalność poprzez połączenie w jednej instalacji prostownika do topienia lodu oraz urządzenia do kompensacji mocy biernej. Otwiera to możliwość całorocznej eksploatacji sprzętu, co znacznie zwiększa jego efektywność ekonomiczną.

JSC NIIPT opracował konwerter typu kontenerowego dla połączonej instalacji do topienia lodu i kompensacji mocy biernej (rys. 4).

Rysunek 4 - Schemat kontenerowego urządzenia przekształtnikowego (a) i połączonej instalacji (b) do topienia lodu i kompensacji mocy biernej

Konwerter (rysunek 4) zawiera:

• kontener wysyłkowy 1,
• moduły tyrystorowe 2 z jednostkami sterującymi 3,
• wymuszony układ chłodzenia powietrzem 4,
• odłącznik 5 z napędem elektromechanicznym 6,
• wyjścia anody 7, katody 8 i fazy 9 mostka konwertera,
• system sterowania, regulacji, zabezpieczeń i automatyki 10,
• odłączniki 11, 12 oraz baterie kondensatorów 13.1, 13.2 i 13.3.

Aparatura elektroenergetyczna przeznaczona jest do pracy w obszarach o klimacie umiarkowanym i zimnym (wersja UHL 1) i jest umieszczona w zamkniętym stalowym kontenerze zainstalowanym na otwartej części fundamentu podstacji. Zasilanie dostarczane jest z uzwojenia 10 kV dedykowanego transformatora. Z urządzeń konwertujących pokazanych na rysunku 4a montowana jest instalacja kombinowana, której schemat pokazano na rysunku 4b.

W trybie topienia lodu odłączniki 11, 12 są zamknięte (rysunek 4b), odłączniki 5 (rysunek 4a) są otwarte. Trwa montaż trójfazowego układu mostkowego prostownika, który zapewnia nominalne wyprostowane napięcie 14 kV, nominalny prąd topnienia 1400 A oraz regulację prądu topnienia w zakresie 200-1400 A.

W trybie kompensacji mocy biernej odłączniki 11 i 12 są otwarte, a odłączniki 5 są zamknięte. Zmontowany jest obwód baterii kondensatorów 13.1, 13.2 i 13.3, sterowany przez moduły tyrystorowe 2, połączone antyrównolegle. Jednak w trybie kompensacji możliwa jest tylko stopniowa regulacja mocy biernej.

Tej ostatniej wady można uniknąć w kombinowanej instalacji do topienia lodu i kompensacji mocy biernej, której schemat przedstawiono na rysunku 5 (opracowanym przez JSC NIIPT).

Rysunek 5 - Połączona instalacja do topienia lodu i kompensacji mocy biernej

Połączona instalacja obejmuje transformator zasilający 1, odłączniki trójfazowe 2 i 16, dławiki trójfazowe 3 i 15, przekształtnik mostkowy wysokiego napięcia 4, baterię kondensatorów DC 5, odłączniki jednofazowe 6 i 7, układ sterowania 8, zespoły 9-14 w pełni sterowanych urządzeń z diodami gaszącymi i transformatorem rezonansowym 17.

W trybie topienia lodu odłączniki 6, 7 i 16 są włączone. Topienie odbywa się prądem stałym. Prąd topnienia jest regulowany metodą PWM o wysokiej częstotliwości. Na przykład, gdy prąd obciążenia przechodzi przez diody zespołów 13 i 10, w pełni sterowane urządzenie z zespołów 9 lub 14 jest podłączone w trybie PWM. W takim przypadku na krótki czas powstaje dwufazowe zwarcie 9-10 lub 13-14. Obciążenie jest bocznikowane, a prąd topnienia jest regulowany. Szybkość narastania prądu zwarciowego jest ograniczona przez dławik 3. Wybierając częstotliwość i współczynnik modulacji PWM, tyrystor jest wyłączany przed wzrostem prądu zwarciowego do niebezpiecznego poziomu. W tym przypadku przedział przewodzenia tyrystora jest mniejszy niż w trybie kompensacji mocy biernej. W trybie kompensacji mocy biernej odłączniki 6, 7 i 16 są wyłączone. Konwerter mostkowy wysokiego napięcia 4 pracuje w trybie „STATCOM”.

Według wielu autorów, którzy opierają się na własnym doświadczeniu zawodowym, tylko od 7 do 30% długości rozgrzanego drutu podczas topienia jest naprawdę pokryte lodem. Wynika to z faktu, że poszczególne odcinki linii napowietrznej, ze względu na kąty skrętu i niemożność przewidzenia kierunku wiatru w momencie powstawania lodu, znajdują się w różnych warunkach klimatycznych. W związku z tym marnowana jest znaczna część energii elektrycznej. W związku z tym proponuje się jednostka mobilna, który umożliwia dojazd do odcinków linii napowietrznych, w których wykryto oblodzenie przewodów.

Generator mobilny do topienia lodu na liniach napowietrznych odbywa się na platformie samochodowej, moc (0,4 kV) trójfazowego mostka prostownikowego jest realizowana z dwóch generatorów diesla ADV320 o mocy 320 kW każdy. Istnieją przewody z zaciskami do podłączenia do linii napowietrznych i autobusów elektrycznych do łączenia przewodów na przęśle między podporami zgodnie ze schematem topienia lodu. Rozważane rozwiązanie techniczne przewiduje topienie lodu na długości dwóch przęseł linii napowietrznej na przewodach fazowych i kablu odgromowym.

Wspólną wadą wszystkich urządzeń realizujących efekt cieplny za pomocą prądu stałego jest konieczność stosowania schematu topienia lodu „drut-drut” lub „drut-dwa przewody”. W każdym razie czas topienia wzrasta, a zatem koszt energii elektrycznej. Aby skrócić czas topienia, należy preferować schemat topienia „trzy przewody - uziemienie”, jednak urządzenia uziemiające podstacji z reguły nie są zaprojektowane do stosunkowo długiego przepływu prądu stałego do 2000 A.

Działanie termiczne z prądem o bardzo niskiej częstotliwości

Techniczną treścią tego typu oddziaływania jest to, że topienie odbywa się prądem o niskiej częstotliwości, generowanym przez trójfazowy, autonomiczny falownik napięcia, a efektywna wartość prądu topienia jest ustawiana i utrzymywana na wymaganym poziomie poprzez zmianę napięcia zasilania.

Gdy częstotliwość napięcia wyjściowego falownika autonomicznego jest w dziesiątych częściach Hz i poniżej, wartość prądu w przewodach liniowych jest praktycznie ograniczona jedynie przez rezystancję czynną. W rezultacie dopuszczalna długość linii napowietrznej wzrasta w porównaniu z topieniem prądem przemiennym o częstotliwości przemysłowej, organizacja topienia jest uproszczona, czas trwania procesu topienia lodu jest skrócony, a liczba dodatkowych urządzeń przełączających jest zmniejszona.

Schemat skojarzonej instalacji do topienia lodu i kompensacji mocy biernej realizującej proponowaną metodę przedstawiono na rysunku 6.

Rysunek 6 - Połączona instalacja do topienia lodu i kompensacji mocy biernej

Połączona instalacja obejmuje trójfazowe przekształtniki mostkowe na w pełni sterowalnych łącznikach półprzewodnikowych 1 i 7, trójbiegunowe łączniki 2, 5, 8, 9, trójfazowe dławiki 3, 4, baterię kondensatorów 6 i układ sterowania 10.

W trybie topienia lodu przełączniki 5 i 8 są włączone, a przełącznik 9 jest wyłączony. Konwerter mostkowy 1 pracuje w trybie prostownika sterowanego, a konwerter mostkowy 7 pracuje w trybie trójfazowego niezależnego falownika napięcia. Topienie odbywa się jednocześnie na trzech przewodach linii napowietrznej. W trybie kompensacji mocy biernej przełączniki 5 i 8 są wyłączone, a przełącznik 9 jest włączony. Konwertery mostkowe 1 i 7 pracują równolegle.

Kąt włączenia jest wybierany nieco mniej niż 180 °. Z sieci pobierana jest moc czynna niezbędna do utrzymania napięcia na baterii kondensatorów 6. Po stronie przekształtników mostkowych 1 i 7 powstaje prąd przemienny Napięcie AC... Faza pierwszej harmonicznej jest przesunięta o kąt względem napięć fazowych zasilacza. Jeżeli amplituda pierwszej harmonicznej generowanego napięcia przekracza amplitudę napięcia zasilania, to przekształtniki mostkowe 1 i 7 generują moc bierną, a jeżeli jest mniejsza, pobierają moc bierną. Zmieniając współczynnik modulacji PWM wysokiej częstotliwości, kontrolowana jest amplituda pierwszej harmonicznej generowanego napięcia, a w konsekwencji wielkość i kierunek mocy biernej.

Oddziaływanie termiczne przez prąd wysokiej częstotliwości

Metoda polega na tym, że bez odłączania linii napowietrznej od odbiorców prąd o częstotliwości 50-500 MHz jest dostarczany do przewodów fazowych przez urządzenie dopasowujące i wysokonapięciowe kondensatory sprzęgające z generatora. W jednorodnym przewodniku prąd przemienny koncentruje się w warstwie powierzchniowej, której ścieńczenie wraz ze wzrostem częstotliwości prowadzi do wzrostu rezystancji tej części przewodnika, przez którą przepływa prąd. Oznacza to, że przy tej samej ilości prądu płynącego przez przewód, im wyższa wartość częstotliwości sygnału, tym większa moc cieplna rozpraszana na przewodzie. Na przykład przy MHz rezystancja drutów aluminiowych wzrasta 600 razy lub więcej.

Wykazano, że przy mocy generatora wysokiej częstotliwości rzędu kilkudziesięciu kW możliwe jest podgrzanie drutu o 10-20 °C, co powinno zapobiec tworzeniu się osadów lodu. Aby wyeliminować uformowany lód i stopić lód, wymagane jest podgrzanie do temperatury 100-180 ° C. W związku z tym wymagane będą znacznie wyższe koszty energii i dłuższa procedura topienia.

Dlatego ta metoda jest najbardziej wskazana do celów zapobiegawczych, aby zapobiec tworzeniu się lodu, ponieważ jest wdrażana bez odłączania konsumentów. Jednak korzystanie z generatorów o zakresie częstotliwości 87,5-108 MHz jest obarczone niebezpieczeństwem powstania intensywnych zakłóceń radiowych w zakresie VHF.

Efekty termodynamiczne

Podgrzewanie drutu prądem o wysokiej częstotliwości może nie tylko zapobiegać tworzeniu się osadów lodowych, ale również służyć do ułatwienia demontażu już uformowanego sprzęgła lodowego. Jest to stosowane w szczególności w urządzeniu, którego schemat pokazano na rysunku 7.

Rysunek 7 - Urządzenie do usuwania śniegu i lodu z przewodów linii energetycznych

Zautomatyzowana stacja robocza AWP dyspozytora 6 i kontrolera 5 zapewnia nieprzerwaną pracę podstacji z wyświetlaniem informacji operacyjnych na tablicy świetlnej 7.

Uderzenie elektromechaniczne

Wiadomo, że kiedy płynie prąd, równoległe przewody są przyciągane lub odpychane przez siłę Ampera powstającą między nimi. Przy okresowej transmisji impulsów prądowych przewody linii napowietrznej będą wykonywać drgania mechaniczne, które niszczą osady szamoszronowe. Częstotliwość impulsów prądowych powinna być zbliżona do rezonansu mechanicznego i amplitudy wystarczającej do pokonania zewnętrznych i wewnętrznych sił tarcia. Zmiana przesyłanego prądu może być ściśle okresowa, mieć częstotliwość wahań, zmieniać się zgodnie z prawem harmonicznym, mieć postać ciągów impulsów o określonych prawach częstotliwości, amplitudy i współczynnika wypełnienia. Rysunek 8 przedstawia jeden z możliwe opcje realizacja zautomatyzowany system usuwanie lodu, co realizuje proponowaną metodę.

Rysunek 8 - System elektromechanicznego uderzenia w przewody linii napowietrznej w celu usunięcia lodu

Transformator mocy 1 przekształca napięcie zasilania na pożądaną wartość. Elektronika mocy prostuje napięcie odbierane z transformatora mocy 1 i generuje impulsy prądowe o wymaganej wielkości, kształcie i częstotliwości, przepuszczane przez przewody 2 linii napowietrznej. Układ sterowania, będący programowalnym sterownikiem logicznym, przetwarza informacje z zewnętrznych czujników obciążenia lodowego i wiatrowego 3, wilgotności 4 i temperatury 5, ustala wymagany kształt i częstotliwość impulsów prądowych dla modułu energoelektronicznego oraz steruje pracą układu jako całość.

Na praktyczne użycie Ta metoda dokładne i dokładne obliczenie wielkości i częstotliwości impulsów prądowych jest konieczne, aby wykluczyć możliwe negatywne konsekwencje rezonansu. Aby zwiększyć skuteczność niszczenia osadów lodowych, impulsy prądowe należy przepuszczać przez leżące na nich przewody różne poziomy... Pozwala to na wykorzystanie bezwładności i grawitacji lodu jako dodatkowego czynnika destrukcyjnego.

Ta metoda, podobnie jak topienie, wymaga wyłączenia linii napowietrznej. Jednak czas mechanicznego niszczenia lodu jest znacznie krótszy niż czas poświęcony na topienie. Dlatego zużycie energii elektrycznej do czyszczenia będzie niższe niż podczas topienia osadów lodowych.

wnioski

Dominującym trendem w opracowywaniu nowych sposobów zwalczania osadów lodu na liniach napowietrznych jest stosowanie kombinowanych instalacji przekształtnikowych zdolnych do topienia lodu w razie potrzeby i kompensacji mocy biernej w pozostałym czasie.

Najbardziej obiecującym jest topienie lodu prądem o ultraniskiej częstotliwości, który łączy zalety topienia prądem przemiennym o częstotliwości przemysłowej (na trzech przewodach jednocześnie) i topienia prądem stałym (ograniczonym jedynie oporem czynnym, płynnym). regulacja prądu topnienia). Dodatkową zaletą jest to, że urządzenie do topienia lodu o ultraniskiej częstotliwości można łatwo przekształcić w statyczny kompensator mocy biernej. Umożliwia to eksploatację drogich urządzeń przeróbczych w ciągu roku kalendarzowego. Niemniej jednak taka wada, jak konieczność wyłączenia linii napowietrznej do czyszczenia.

Technologia elastycznych przesyłów prądu przemiennego, wykorzystująca urządzenia przekształtnikowe, teoretycznie jest w stanie w razie potrzeby zapewnić np. prewencyjne nagrzewanie przewodów, które zapobiega tworzeniu się osadów lodu, może całkowicie pozbyć się tej ostatniej wady.

Bibliografia

Informator elektrotechniczny: W 3v. T.3. W 2 tys. Książka 1. Produkcja i dystrybucja energii elektrycznej (pod redakcją naczelną profesorów MPEI: IN Orlova (redaktor naczelny) i inni). 7 wyd., ks. i dodaj. - M.: Energoatomidat. - 1988 - 880 s.

Alekseev BA Wzmocnienie przepustowość łącza napowietrzne linie energetyczne i zastosowanie nowych marek przewodów // ELECTRO. - 2009r. - nr 3. - S. 45-50.

RD 34.20.511 (MU 34-70-028-82) Instrukcje metodyczne do topienia lodu prądem przemiennym. Część 1, Moskwa: Soyuztekhenergo, 1983.

RD 34.20.511 (MU 34-70-028-82) Wytyczne dotyczące topienia lodu prądem stałym. Część 2, Moskwa: Sojuztekhenergo, 1983.

Patent RF 2505898 MKI H02G7/16, H02J3.18. Instalacja do kompensacji mocy biernej i topnienia lodu // Yu.P. Stashinov, V.V. Konopelko. - Wyd. 27.01.2014.

Patent RF 2505903 MKI H02J3/18, H02G7/16. Instalacja kombinowana do kompensacji mocy biernej i topnienia lodu // Yu.P. Staszynow, W.W. Konopelko. - Wyd. 27.01.2014.

Burgsdorf V.V. Topienie lodu prądem stałym bez rozłączania linii // Stacje elektryczne. - 1945 r. - nr 11.

Prostownik wysokonapięciowy typu VUKN-16800-14000. Opatrzony adnotacjami wykaz głównych prac badawczo-rozwojowych prowadzonych w Mordowskim Naukowym Instytucie Elektrotechnicznym (1965-1968). - Informelectro, 1970.

Genrikh G.A., Denisenko G.I., Mishin V.V., Striapan V.N. Specjalne tryby pracy potężnych przekształtników statycznych instalacji do topienia lodu na liniach energetycznych. - Stowarzyszenie Wydawnicze „Wiszcza Szkoła”. - 1975 .-- 242 s.

Patent RF 2390895 MKI H02G7/16, H02J3/18. Kontenerowe urządzenie przekształtnikowe do kombinowanej jednostki topienia lodu i kompensacji mocy biernej // M.K. Gurevich, mgr Kozłowa, A.V. Łobanow, A.V. Repin, Yu.A. Szerszniew. - Wyd. 27.05.2010.

Patent RF 2376692 MKI H02G7/16, H02J3/18. Kombinowana instalacja do topienia lodu i kompensacji mocy biernej // M.K. Gurevich, A.V. Repin, Yu.A. Szerszniew. - Wyd. 20.12.2009.

Patent RF 2522423 MKI H02G7 |16. Mobilny generator prądu do topienia lodu na przewodach napowietrznych linii energetycznych // A.V. Kozlov, A.N. Chulkov, A.V. Szurupow, A.A. Winogradow. - Wyd. 10.07.2014.

Patent RF 2505897 MKI H02G7/16. Metoda kontrolowanego topienia lodu na napowietrznych liniach elektroenergetycznych prądem przemiennym // Yu.P. Staszynow, W.W. Konopelko. - Wyd. 31 maja 2012 r.

Patent RF 2356148 MKI H02G7/16. Metoda i urządzenie do zwalczania lodu na liniach energetycznych // V.I. Kaganowa. - Wyd. 20.05.2009.

Patent RF 2520581 MKI H02G7/16. Urządzenie do usuwania pokrywy śnieżno-lodowej z przewodów linii energetycznych // N.D. Shelkovnikov, D.N. Szelkownikow. - Wyd. 27.06.2014.

Patent RF 2166826 MKI H02G7/16, B60M1/12. Metoda usuwania lodu z przewodów napowietrznych i linii energetycznych // A.V. Efimow, AG Galkina. - Wyd. 05/10/2001.

Patent RF 93184 MKI H02G7/16 dla użytecznego modelu. Urządzenie do czyszczenia przewodów linii energetycznych // R.R. Sattarow, F.R. mgr Ismagiłow Almajew. - Wyd. 20.04.2010.

VI Koczkin Nowe technologie zwiększania zdolności przesyłowych linii elektroenergetycznych. Kontrolowane przenoszenie mocy // Aktualności Elektrotechniki. - 2007 r. - nr 4 (46).

W artykule „Wysoka energia” („PM” nr 9 „2015) wspomniano o walce z oblodzeniem linii elektroenergetycznych. Aby ogrzać przewody prądem przemiennym, wymagane są wysokie koszty energii, jest to ekonomicznie nieopłacalne. , stosuje się stały prąd elektryczny.Jednak w przypadku linii przesyłowych o niskiej wartości napięcia (poniżej 220 kV), biorąc pod uwagę system zasilania i parametry techniczne, całkiem możliwe jest zastosowanie prądu przemiennego.Pozwala on na nagrzewanie przewodów i zapobiega tworzeniu się lodu Wspaniałą rzeczą jest to, że nie ma przerw w zasilaniu, jak to ma miejsce w przypadku DC, a tym samym zapewniona jest nieprzerwana praca sieci. Aleksiej Gruniew

Rozmowa przez ziemię

W artykule „W drodze do mielofonu” („PM” nr 8 „2015) jako przykład zastosowania ferrimagnetyka podano jego zastosowanie do wymiany danych z elektroniką wiercących „pocisków”. głębokość podczas wiercenia i przekazywanie informacji na powierzchnię, na przykład do sterowania głowicą wiertniczą, a także do szybkiego podjęcia decyzji o zmianie trybu wiercenia. Ferrimagnesy naprawdę można wykorzystać, ale jeśli jest to możliwe wyizolować użyteczny sygnał na tle bardzo wysokiego poziomu szumów.W systemach telemetrycznych prędkość transmisji danych w kanale komunikacji hydraulicznej w oparciu o falę harmoniczną może wynieść nawet 10 bit/s, choć najczęściej jest ograniczona do 4 bit/s do zaoszczędzenia zasilanie bateryjne i akustyczne, chociaż mają one szereg ograniczeń. Cyryl Truchanow

Król nie jest prawdziwy!

Okładka „PM” nr 9 „2015 przedstawia lotniskowiec i samolot T-50, ale w artykule „Nuclear Tsar-Ship” na zdjęciu sygnowanym przez PAK FA, F-22 Raptor. Te samoloty są naprawdę podobne w skrócie, jest jednak jeden istotny szczegół, który pozwala szybko i łatwo odróżnić oba samoloty. Silniki F-22 są umieszczone równolegle do siebie i na krótki dystans, natomiast silniki T-50 znajdują się w stosunku do siebie pod znacznym kątem, a pomiędzy nimi znajduje się końcówka ogonowa - „beaver tail”, w której znajduje się spadochron hamujący. Jewgienij Kunaszow

PM: Przepraszamy wszystkich naszych czytelników za błąd techniczny, który doprowadził do umieszczenia nieprawidłowej ilustracji.

Więzy rodzinne

W artykule „Gdzie się spieszy na dżentelmena” („PM” nr 8 „2015) mówi się, że technologia trafiła do nosiciela angielskich tradycji od „obecnego niemieckiego rodzica BMW”. Giennadij Dreiger

PM: Do 1998 roku Rolls-Royce Motors był własnością Vickersa. W 1998 roku koncern sprzedał VW wszystko poza prawem do używania marki Rolls-Royce. Marka została przeniesiona do BMW, gdzie opracowali nowe samochody i zbudowali nową fabrykę. Tak więc BMW jest rodzicem, od którego Rolls-Royce odziedziczył silnik, elektronikę i części zawieszenia siódmej serii.

Wynalazek dotyczy elektrotechniki, w szczególności urządzeń, które zapobiegają tworzeniu się lodu na przewodach napowietrznych linii wysokiego napięcia (PTL) bez odłączania odbiorników. Wynik techniczny polega na prostocie i opłacalności zastrzeganego urządzenia oraz, jeśli to możliwe, usunięciu istniejących formacji lodowych bez odłączania odbiorców i bez komplikowania linii przesyłowej energii, tj. bez dodawania przewodów nadmiarowych lub obejściowych. Urządzenie zawiera zewnętrzne w stosunku do linii elektroenergetycznej źródło prądu, wykonane z możliwością podłączenia do przewodów przewodzących prąd linii elektroenergetycznej, natomiast źródło prądu wykonane jest w postaci generatora wysokiej częstotliwości, wykonanego z zdolność do dostarczania mocy obliczona według wzoru P Г = q · A · ΔT, gdzie q to współczynnik przenikania ciepła górnej gorącej warstwy drutu do powietrza, A to pole powierzchni drutów, ΔT to nagrzewanie temperatura drutu w stosunku do temperatury otoczenia; podczas gdy wyjście generatora jest podłączone do wejścia pasujące urządzenie typu pojemnościowego, wykonane z możliwością dopasowania rezystancji wyjściowej generatora wysokiej częstotliwości do rezystancji wejściowej linii transmisyjnej i posiadające liczbę wyjść odpowiadającą liczbie żył linii transmisyjnej. 2 n.p. mucha, 7 chor.

Wynalazek dotyczy elektrotechniki, w szczególności urządzeń, które zapobiegają tworzeniu się lodu na przewodach napowietrznych linii wysokiego napięcia (PTL) bez odłączania odbiorników.

Inżynierowie energetycy postrzegają oblodzenie linii energetycznych jako jedną z najpoważniejszych katastrof. Zjawisko to charakteryzuje się tworzeniem gęstego osadu lodowego, gdy przechłodzone krople deszczu, mżawka lub mgła zamarzają, głównie w temperaturach od 0 do -5 ° C na liniach elektroenergetycznych. Grubość lodu na napowietrznych liniach przesyłowych wysokiego napięcia może sięgać 60-70 mm, co znacznie zwiększa wagę przewodów. Proste obliczenia pokazują, że np. masa drutu AC-185/43 o średnicy 19,6 mm i długości 1 km oraz masie 846 kg wzrasta 3,7 razy przy grubości lodu 20 mm, a 9 razy przy grubości lodu. o grubości 40 mm, o grubości 60 mm - 17 razy. W tym przypadku całkowita masa 8-przewodowej linii elektroenergetycznej o długości 1 km wzrasta odpowiednio do 25, 60 i 115 ton, co prowadzi do zerwania drutu i uszkodzenia podpór łożyska.

Takie wypadki powodują znaczne szkody gospodarcze, przerywając dostawy energii elektrycznej do firm i budynków mieszkalnych. Wyeliminowanie skutków takich wypadków zajmuje czasem dużo czasu i wydawane są ogromne sumy pieniędzy. Takie wypadki zdarzają się co roku w wielu krajach pasa północnego i środkowego. Tylko na terytorium Rosji poważne awarie spowodowane lodem w latach 1971-2001 wielokrotnie miały miejsce w 44 systemach elektroenergetycznych (patrz Diagnostyka, rekonstrukcja i eksploatacja napowietrznych linii energetycznych na obszarach lodowych. / I.I. Levchenko, A.S. Zasypkin, AAAlliluev, EI Satsuk - M .: Wydawnictwo MPEI, 2007). Tylko jeden wypadek w sieciach Soczi w grudniu 2001 r. Doprowadził do uszkodzenia 2,5 tys. km napowietrznych linii przesyłowych o napięciu do 220 kV i przerwania dostaw energii do ogromnego regionu (patrz).

Znane są liczne metody zwalczania tego zjawiska, oparte na mechanicznym lub termicznym oddziaływaniu na skorupę lodową. W takim przypadku preferowane jest: różne sposoby topienie lodu, ponieważ środki mechanicznego działania często nie mogą być stosowane w odległych obszarach górskich i zalesionych. Topienie elektryczne jest najczęstszym sposobem radzenia sobie z lodem na przewodach napowietrznych linii wysokiego napięcia. Lód topi się przez ogrzewanie przewodów nośnych lub pomocniczych prądem stałym lub przemiennym o częstotliwości 50 Hz do temperatury 100-130 ° C (patrz, a także Dyakov A.F., Zasypkin A.S., Levchenko II. Wypadki lodowe w sieciach energetycznych. - Piatigorsk, z RP „Jużenergotechnadzor”, 2000 i Rudakova RM, Vavilova IV, Golubkov IE University, 1995).

Znana metoda usuwania lodu podczas przepuszczania prądu zwarciowego przez przewody fazy rozdzielonej linii energetycznej (patrz AS nr 587547). Prąd zwarciowy jest stanem awaryjnym linii elektroenergetycznej i z dużym prawdopodobieństwem może prowadzić do wyżarzania przewodów z następującą nieodwracalną utratą wytrzymałości, co jest niedopuszczalne. Problem pogłębia fakt, że jednorazowy przepływ prądu zwarciowego może nie wystarczyć do całkowitego usunięcia lodu, a zwarcia trzeba będzie powtarzać kilka razy, co dodatkowo pogorszy konsekwencje.

Rozważać podstawy teoretyczne sposób radzenia sobie z lodem poprzez zwieranie przewodów.

Niech wymagany prąd topnienia lodu w wyniku nagrzewania się drutu, na którym jest on zamrożony, wynosi I PL. Następnie, podczas topienia prądem stałym, wymagane napięcie źródła zasilania wynosi

gdzie R PR jest czynną rezystancją przewodów, a podczas topienia prądem przemiennym z sieci

gdzie X PR = 2πFL PR = 314L PR jest reaktancją spowodowaną indukcyjnością przewodów L PR przy częstotliwości F = 50 Hz. Dla stosunku tych dwóch napięć przy tych samych prądach topnienia, zgodnie z (1) i (2) otrzymujemy

Ponieważ wartość К U w liniach o znacznej długości i przekroju ze względu na stosunkowo dużą indukcyjność przewodów może osiągnąć 5-10, ekonomicznie bardziej opłacalne jest topienie prądem stałym, przy którym napięcie zasilania i w związku z tym jego moc, zgodnie z (3), zmniejsza się 5-10 razy w porównaniu z mocą AC. To prawda, że ​​wymaga to użycia specjalnych potężnych prostowników wysokiego napięcia. Dlatego wytapianie prądem przemiennym jest zwykle stosowane na liniach wysokiego napięcia o napięciu 110 kV i niższym oraz przy stałym prądzie - powyżej 110 kV. Jako przykład zwróćmy uwagę, że prąd topnienia przy napięciu 110 kV może osiągnąć 1000 A, wymagana moc wynosi 190 milionów woltamperów, a temperatura topnienia 130 ° C (patrz i).

Zatem topienie lodu prądem jest dość skomplikowanym, niebezpiecznym i kosztownym przedsięwzięciem z odłączeniem wszystkich odbiorców w jego trakcie. Ponadto, po usunięciu lodu z drutów, w niezmienionych warunkach klimatycznych, ponownie zarastają lodem i konieczne jest ciągłe topnienie.

Czasami nagrzewanie drutów łączy się z naprężeniem mechanicznym. Na przykład w patencie Federacji Rosyjskiej nr 2166826 zaproponowano metodę usuwania lodu z przewodów sieci jezdnej i linii energetycznych, polegającą na przepuszczaniu impulsów prądu przemiennego lub prądu o częstotliwości zbliżonej do rezonansu mechanicznego i amplitudzie wystarczającej do pokonania tarcia sił zewnętrznych i wewnętrznych, a zmiana przesyłanego prądu przemiennego może być ściśle okresowa, mieć częstotliwość wahań, zmieniać się zgodnie z prawem harmonicznym, mieć postać ciągów impulsów o zadanych prawach częstotliwości, amplitudy i cykl pracy. Parametry prądu elektrycznego przepływającego przez podwójne lub wielokrotne przewody sieci jezdnej i linii elektroenergetycznych dobierane są tak, aby powodowały drgania przewodów. Jak wiadomo, przewodniki z jednokierunkowym przepływem prądu przyciągają. Jednocześnie, gdy druty uderzają o siebie, energia potencjalna kumuluje się w postaci odkształcenia sprężystego. W efekcie uzyskuje się układ oscylacyjny, który przy odpowiednim doborze częstotliwości, amplitudy i wypełnienia impulsów prądowych może zacząć oscylować i wejść w rezonans. Przyspieszenie usuwania lodu uzyskuje się dzięki temu, że nagrzewaniu się drutów będą towarzyszyć mechaniczne uderzenia drutów o siebie. Zmniejszenie zużycia energii uzyskuje się poprzez znaczne skrócenie czasu usuwania lodu z przewodów oraz zmniejszenie ilości przesyłanych prądów. Zwiększone bezpieczeństwo osiąga się poprzez wyeliminowanie trybów zwarciowych. Zmniejszenie wpływu na linie komunikacyjne, zapobieganie awariom sprzętu elektronicznego następuje również z powodu odrzucenia trybów zwarciowych. Metoda ta jest bardzo trudna do wykonania, a ponadto, podobnie jak w innych rozważanych metodach, konieczne jest odłączanie odbiorników podczas procedury rozmrażania.

Najbliżej zastrzeganego urządzenia jest rozwiązanie techniczne opisane w patencie Federacji Rosyjskiej nr 2316866. Prototyp charakteryzuje się tym, że urządzenie składa się z dwóch izolowanych grup przewodów, które na jednym końcu są połączone ze sobą oraz z przewodem kolejnego odcinka linii napowietrznej, a na drugim końcu z pierwszej grupy przewodów. przewody są połączone z przewodem poprzedniego odcinka linii napowietrznej, a między pierwszą a drugą grupą przewodów włączone jest niezależne źródło napięcia.

Prototypowe urządzenie do zapobiegania tworzeniu się lodu na linii napowietrznej pokazano na rys. 1 i składa się z pierwszej 1 i drugiej 2 grup izolowanych od siebie drutów, które są połączone jednym końcem oraz drutem kolejnego odcinka linii elektroenergetycznej 3, a z drugiej - pierwsza grupa przewody są połączone z przewodem poprzedniego odcinka linii transmisyjnej 4, a niezależne źródło napięcia 5 jest podłączone między pierwszą 1 a drugą 2 grupami przewody.

Główny prąd linii przechodzi z przewodu poprzedniego odcinka linii transmisyjnej 4 do pierwszej grupy przewodów 1, a następnie do przewodu następnego odcinka linii transmisyjnej 3. Z niezależnego źródła 5 jest napięcie nakładana między pierwszą grupę drutów 1 a drugą grupę drutów 2.

Z obliczeń teoretycznych podanych przez autorów prototypu wynika, że ​​aby zapobiec oblodzeniu np. na przewodzie ACS 95/16 przyrost temperatury przewodu względem otoczenia powinien wynosić 5°C przy prędkości wiatru 3 m/s. W takim przypadku na przewodzie należy przydzielić 36 kW / 10 km. Przy prądzie znamionowym tego drutu straty czynne na długości 10 km wynoszą 28 kW/10 km. Dlatego moc z niezależnego źródła napięcia 5 powinna wynosić 8 kW/10 km. W przypadku braku obciążenia linii moc niezależnego źródła 5 powinna wynosić 36 kW/10 km.

Jeśli druga grupa drutów jest izolowanym drutem stalowym o średnicy 4,5 mm, to przy utracie mocy tego drutu 36 kW / 10 km napięcie niezależnego źródła 5 wyniesie 2,1 kV i prąd 17 A. aluminium, przy stratach mocy 36 kW/10 km, napięcie niezależnego źródła wyniesie 0,8 kV i prąd 45 A.

Niezależnym źródłem napięcia może być transformator napięciowy zasilany z sieci 0,38 kV z izolacją 63 kV względem ziemi dla podstacji 110 kV lub transformator oddalony od podstacji zasilany bezpośrednio z linii napowietrznych 110 kV.

Najbardziej atrakcyjną cechą tego rozwiązania jest możliwość korzystania z niego bez odłączania odbiorców. Jednak wadą tej metody jest komplikacja konstrukcji całej linii przesyłowej energii ze względu na tworzenie „obejścia” grup przewodów, które przejmują obciążenie w okresie odszraniania przewodu głównego.

Problemem, który ma rozwiązać zastrzegany wynalazek, jest opracowanie wystarczająco prostego i ekonomicznego urządzenia, aby zapobiec tworzeniu się lodu na napowietrznych liniach przesyłowych wysokiego napięcia i, jeśli to możliwe, usunąć istniejące formacje lodu bez odłączania odbiorców i bez komplikowania linii przesyłowej energii , tj bez dodawania przewodów nadmiarowych lub obejściowych. Ponadto, aby osiągnąć takie rezultaty, pożądane jest aby takie urządzenie było oparte na nowym, bardziej efektywny sposób... Jako prototyp metody warto wskazać rozwiązanie, w którym drut jest podgrzewany za pomocą zewnętrznego źródła prądu bez odłączania odbiorników.

Wynik techniczny w stosunku do metody uzyskuje się dzięki temu, że udoskonalony sposób nagrzewania przewodów przewodzących prąd o co najmniej dwóch przewodach jest rozwijany poprzez zasilenie ich napięciem o wysokiej częstotliwości, którego charakterystyczną cechą jest zastosowanie efekt naskórkowości i efekt fali biegnącej do nagrzewania przewodów. W takim przypadku proponowana metoda przewiduje następujące operacje:

Pomiędzy dwa przewody linii elektroenergetycznej przykładane jest napięcie o wysokiej częstotliwości w zakresie 50-500 MHz o mocy Р Г = q А ΔT, gdzie q jest współczynnikiem przenikania ciepła górnej gorącej warstwy drutu do powietrza, A jest polem powierzchni drutów, ΔТ jest temperaturą nagrzewania drutu w stosunku do temperatury otoczenia.

Wynik techniczny w odniesieniu do urządzenia uzyskano dzięki temu, że urządzenie według wynalazku zawiera generator wysokiej częstotliwości o mocy obliczonej ze wzoru: R G = q A ΔT,

gdzie q jest współczynnikiem przenikania ciepła górnej gorącej warstwy drutu do powietrza, A jest polem powierzchni drutów, ΔT jest temperaturą nagrzewania drutu w stosunku do temperatury otoczenia, natomiast wyjście generatora jest podłączone do wejście pojemnościowego urządzenia dopasowującego wykonane z możliwością dopasowania rezystancji wyjściowej generatora wysokiej częstotliwości z rezystancją wejściową linii elektroenergetycznych i posiadające liczbę wyjść odpowiadającą liczbie przewodów linii elektroenergetycznych.

Dla lepszego zrozumienia istoty zastrzeganego wynalazku poniżej przedstawiono jego teoretyczne uzasadnienie z odnośnikami do odpowiednich materiałów graficznych.

Rys. 1. Urządzenie prototypowe.

Rys. 2. Linia elektryczna: 2.1) zwarcie w linii, 2.2) obwód zastępczy przy prądzie stałym, 2.3) obwód zastępczy przy prądzie przemiennym o częstotliwości 50 Hz.

Rys. 3. Rozkład prądu w przekroju przewodu: 3.1) przy stałym prądzie i niskiej częstotliwości; 3.1) przy wysokiej częstotliwości.

Rys. 4. Linia dwuprzewodowa: 4.1) wygląd zewnętrzny, 4.2) wykres amplitudy napięcia dla fali biegnącej, 4.3) dla fali biegnącej i odbitej.

Rys. 5. Schemat podłączenia generatora wysokiej częstotliwości do linii elektroenergetycznej.

Rys. 6. Wykresy zależności: 6.1) warstwa wierzchnia wnikania prądu w przewodnik, 6.2) oporność względna przewodów w zależności od częstotliwości: 601 – stal, 602 – aluminium, 603 – miedź.

Rys. 7. Zależność współczynnika konwersji energii elektromagnetycznej fali biegnącej na energię cieplną od długości linii.

Jak wiadomo, termin „efekt skóry” pochodzi od angielskiego słowa „skóra”, tj. "Skórzany"; jednocześnie w elektrotechnice oznacza to, że w pewnych okolicznościach prąd elektryczny jest skoncentrowany na „skórze” przewodnika (patrz ru.wikipedia.org/wiki/Skin effect). Stwierdzono, że w jednorodnym przewodniku prąd przemienny, w przeciwieństwie do prądu stałego, nie jest rozprowadzany równomiernie w przekroju przewodnika, ale jest skoncentrowany na jego powierzchni, zajmując bardzo cienką warstwę (patrz rys. 3), którego grubość przy częstotliwości prądu przemiennego f> 10 kHz jest określona wzorem

gdzie σ (Ohm · mm 2 / m) jest specyficzną rezystancją elektryczną przy prądzie stałym; µ około = 1,257 · 10 6 (V · s / A · m) - stała magnetyczna; µ - względna przenikalność magnetyczna (dla materiału niemagnetycznego µ = 1) f - częstotliwość w MHz.

Wykresy funkcji δ (f) według (4) dla trzech materiałów (stal – 601, aluminium – 602 i miedź – 603) przedstawiono na rys. 6.1. Pocienienie warstwy, przez którą przepływa prąd przemienny, prowadzi do wzrostu rezystancji przewodnika o promieniu r (mm), określonej przy (r/2δ)>10 wzorem

gdzie R o = σ / πr 2 to rezystancja tego samego przewodu o długości 1 m na prąd stały.

W Rys. 6.2. Z nich wynika na przykład, że przy częstotliwości 100 MHz i wyższej rezystancja drutów aluminiowych wzrasta 600 lub więcej razy.

Jeśli chodzi o efekt „wędrującej fali elektromagnetycznej”, wiadomo (patrz np. izob.narod.rn/p0007.html), że istnieją dwa główne sposoby propagacji fal elektromagnetycznych: w wolnej przestrzeni, gdy są emitowane przez antenę i za pomocą falowodów i podajnika lub tak zwanych długich linii - koncentrycznych, taśmowych i dwuprzewodowych - (patrz Kaganov V.I. Oscylacje i fale w naturze i technologii. Kurs komputerowy. - M .: Gorąca linia- Telekomunikacja, 2008). W drugim przypadku fala elektromagnetyczna, jak po szynach, przesuwa się po linii. Ponieważ dwa przewody linii elektroenergetycznej można uznać za linię dwuprzewodową (ryc. 4.1), skupimy się na jej analizie. Sama linia charakteryzuje się trzema głównymi parametrami: impedancją charakterystyczną ρ, stałą tłumienia α oraz stałą fazową β. Odporność na fale linia dwuprzewodowa w powietrzu

gdzie a jest odległością między środkami drutów, r jest promieniem drutu (patrz rys. 4.1) Stała tłumienia

gdzie R f jest rezystancją jednego przewodu przy wysokiej częstotliwości, określoną zgodnie z (5).

Stała fazowa β = 2π / λ, (1 / m), gdzie λ (m) jest długością fali rozchodzącej się w linii.

W samej linii dwuprzewodowej, podobnie jak w innych liniach zasilających, możliwe są dwa główne tryby pracy: tylko z falą biegnącą w jednym kierunku oraz z dwiema falami - biegnącą i odbitą od końca lub przeszkody w linii. Załóżmy, że linia jest nieskończenie długa. Wtedy możliwy jest w nim tylko tryb fali biegnącej, którego napięcie zależy od czasu t i odległości x od generatora (rys. 4.2):

gdzie U 0 to amplituda napięcia na wejściu linii, do której podłączony jest generator o częstotliwości f.

Zgodnie z (8) amplituda fali wędrującej rozchodzącej się wzdłuż linii maleje wykładniczo (rys. 6 i 7). W konsekwencji moc wędrującej fali elektromagnetycznej w odległości L od generatora będzie wynosić:

gdzie Р Г = (U 0)) 2 / 2ρ jest mocą fali na początku linii, równą mocy wyjściowej generatora wysokiej częstotliwości.

Różnica między mocą fali biegnącej na początku linii i w odległości L określi nagrzewanie termiczne linii, wzdłuż której fala się rozchodzi

Współczynnik konwersji energii elektromagnetycznej fali biegnącej W na energię cieplną w linii o długości L (m) z uwzględnieniem (10) będzie wynosił:

Wykresy funkcji η (L) przy trzech wartościach stałej tłumienia α (1 / km) przedstawiono na rys. 7. Wynika z nich, że im większa rezystancja przewodów linii R f, wyznaczona przez (5) i odpowiednio stała tłumienia α, wyznaczona przez (7), tym większa część energii pola elektromagnetycznego fala biegnąca wzdłuż linii zamienia się w ciepło. To właśnie ten efekt zamiany energii elektromagnetycznej na energię cieplną, który służy do podgrzewania przewodów z wysoką częstotliwością sygnału i jest podstawą proponowanej metody zapobiegania tworzeniu się lodu na liniach energetycznych.

W przypadku ograniczonego rozmiaru linii lub jakiejś przeszkody o wysokiej częstotliwości, na przykład pojemności, oprócz fali padającej w linii będzie się rozchodzić fala odbita, której energia podczas rozchodzenia się również zostanie zamieniona na ciepło od przeszkody do generatora. Amplitudy zmian wzdłuż linii obu fal - padającej i odbitej - pokazano na ryc. 4.3.

Aby obliczyć wymianę ciepła, wyznaczmy przez konkretny przykład jaka moc?

RG generatora wysokiej częstotliwości o częstotliwości f, podłączonego do linii elektroenergetycznej, będzie musiał rozgrzać dwa przewody o ΔT stopni. Weźmy pod uwagę następujące okoliczności. Po pierwsze, cienka górna warstwa drutu pod wpływem fali elektromagnetycznej nagrzewa się niemal natychmiast przy dużej wartości objętościowego wydzielania ciepła. Po drugie, ciepło to jest zużywane na ogrzewanie całego drutu (OM) i powietrza otaczającego drut przez konwekcję (Q B) (patrz ryc. 3.2).

Przyjmijmy następujące dane wyjściowe: materiał drutu - aluminium o średnicy 10 mm, przekroju S = 78,5 mm 2, długości L = 5000 m, gęstości p = 2710 kg / m 3, rezystywności prądu stałego σ = 0,027 Ohm mm2/m, ciepło właściwe c=896 J/kg·K, współczynnik przenikania ciepła górnej gorącej warstwy drutu do powietrza q=5 W/m·K.

Waga dwóch przewodów:

Powierzchnia dwóch przewodów:

Ilość ciepła potrzebna do podgrzania dwóch przewodów przy ΔТ = 13 ° С:

Przenikanie ciepła dwóch przewodów do otoczenia przy różnicy temperatur ΔТ = 13 ° С:

gdzie t to czas w sekundach.

Z ostatniego wyrażenia otrzymujemy dla wymaganej mocy generatora wysokiej częstotliwości R G = 20,4 kW, tj. 2 W mocy oscylacyjnej wysokiej częstotliwości na 1 m drutu z objętościowym wydzielaniem ciepła w górnej warstwie drutu 8 MW/m3. Nawiasem mówiąc, zauważamy, że przy tym samym rodzaju drutu, aby uwolnić go od lodu przez stopienie w cyklu do 40 minut, wymagana jest moc 100 VA na 1 metr (patrz i).

Przyrównując wyrażenia na energię, znajdujemy czas na ustalenie stacjonarnego trybu ogrzewania przewodów:

Przeprowadzono eksperyment laboratoryjny w celu weryfikacji powyższych założeń teoretycznych oraz wykazania przydatności przemysłowej proponowanej metody i urządzenia.

Ze wstępnych obliczeń wywnioskowano, że potężne nadajniki radiowe VHF FM działające w zakresie częstotliwości 87,5 ... 108 MHz mogą być używane jako generator sygnałów o wysokiej częstotliwości, zmieniając w nich tylko urządzenie dopasowujące obciążenie i łącząc się z linią energetyczną zgodnie z do schematu z rys. .5.

W wersji eksperymentalnej generator 502 o mocy 30 W i częstotliwości 100 MHz został podłączony przez urządzenie dopasowujące 501 do linii dwuprzewodowej o długości 50 m, otwartej na końcu, z przewodami o średnicy 0,4 mm i odległość między nimi 5 mm. Impedancja charakterystyczna takiej linii według (6):

Pod działaniem wędrującej fali elektromagnetycznej temperatura ogrzewania linii dwuprzewodowej wynosiła 50-60 ° C przy temperaturze otoczenia 20 ° C. Wyniki eksperymentu pokrywały się z zadowalającą dokładnością z wynikami obliczeń wykonanych według podanych wyrażeń matematycznych.

Jednocześnie sformułowano następujące wnioski:

Nowatorska metoda nagrzewania linii energetycznych poprzez rozchodzenie się przez nią fali elektromagnetycznej, której energia przechodzi w ciepło w trakcie rozchodzenia się, pozwala na podgrzanie przewodów o 10-20 ° C, co powinno zapobiegać tworzeniu się lodu;

Najbardziej celowe jest zastosowanie proponowanego sposobu i urządzenia zapobiegającego tworzeniu się lodu na drutach, ponieważ wyeliminowanie już powstałej „powłoki lodowej” będzie wymagało znacznie większego zużycia energii i dłuższej procedury;

W porównaniu z obecnie stosowaną metodą topienia lodu, zastrzegana metoda ma szereg zalet, w szczególności biorąc pod uwagę fakt, że metoda jest realizowana bez odłączania odbiorców, możliwe jest prewencyjne podgrzewanie linii do momentu powstania gęstego osadu lodowego na drutach, co pozwala na ich podgrzanie do 10-20 ° C, a nie do temperatury 100-130 ° C wymaganej do topienia lodu;

Rezystancja przewodów rosnąca wraz ze wzrostem częstotliwości prądu przemiennego (w podanym przykładzie przy częstotliwości 100 MHz rezystancja wzrasta o trzy rzędy wielkości w porównaniu z częstotliwością 50 Hz) umożliwia uzyskanie wysokiej współczynnik konwersji energii elektrycznej na ciepło, a tym samym do zmniejszenia mocy generatora.

1. Sposób zwalczania lodu na liniach elektroenergetycznych, polegający na tym, że przewody przewodzące prąd bez odłączania odbiorników zasilane są z zewnętrznego źródła prądem, przewodem grzejnym, charakteryzujący się tym, że napięcie o wysokiej częstotliwości w sieci zakres 50-500 MHz jest dostarczany pomiędzy dwoma przewodami linii elektroenergetycznej moc R Г = q · A · ΔT, gdzie q jest współczynnikiem przenikania ciepła górnej, gorącej warstwy drutu do powietrza, A jest polem powierzchni drutów, ΔT jest temperaturą nagrzewania drutu w stosunku do temperatury otoczenia.

2. Urządzenie do zwalczania lodu, w tym źródło prądu poza linią elektroenergetyczną, wykonane z możliwością podłączenia do przewodów przewodzących prąd linii elektroenergetycznej, charakteryzujące się tym źródło zewnętrzne prąd wytwarzany jest w postaci generatora wysokiej częstotliwości, wykonanego z możliwością dostarczenia mocy obliczonej według wzoru P G = q A otoczenie; wyjście generatora połączone jest z wejściem urządzenia dopasowującego typu pojemnościowego z możliwością dopasowania rezystancji wyjściowej generatora wysokiej częstotliwości do rezystancji wejściowej linii transmisyjnej i posiadającego liczbę wyjść odpowiadającą liczbie przewodów linii przesyłowej.

Wynalazek dotyczy elektrotechniki, w szczególności urządzeń zapobiegających tworzeniu się lodu na przewodach napowietrznych linii elektroenergetycznych wysokiego napięcia bez odłączania odbiorników

Doktor nauk technicznych V. KAGANOV, profesor MIREA.

W ciągu ostatnich piętnastu lat coraz częściej pojawiał się lód na liniach wysokiego napięcia. Przy lekkim mrozie, w łagodną zimę, kropelki mgły lub deszczu osiadają na drutach, pokrywając je gęstą „płaszczą” lodową o wadze kilku ton na długości jednego kilometra. W rezultacie pękają przewody i pękają wsporniki linii energetycznej. Częstsze wypadki na liniach elektroenergetycznych są najwyraźniej związane z ogólnym ociepleniem klimatu i będą wymagały dużego wysiłku i pieniędzy, aby im zapobiec. Trzeba się do nich wcześniej przygotować, ale tradycyjna metoda topienia lodu na drutach jest nieskuteczna, niewygodna, droga i niebezpieczna. Dlatego powstał Moskiewski Instytut Elektroniki Radiowej i Automatyki (MIREA) Nowa technologia nie tylko niszczenie już zamarzniętego lodu, ale także zapobieganie jego powstawaniu z wyprzedzeniem.

Nauka i życie // Ilustracje

Czasami pęknięcia lodu na przewodach, izolatorach i konstrukcjach wsporczych osiągają znaczne rozmiary i wagę.

Wielotonowe warstwy lodu na drutach łamią nawet podpory stalowe i żelbetowe.

Eksperymentalny generator 100 MHz o mocy 30 W, montowany w firmie MIREA.

Lód to katastrofa dla linii energetycznych

Według słownika Dahla lód ma również inną nazwę - ozeleed lub ozelenye. Lód, czyli gęsta skorupa lodowa, powstaje, gdy przechłodzone krople deszczu, mżawki lub mgły zamarzają w temperaturach od 0 do –5 ° C na powierzchni ziemi i różnych obiektów, w tym przewodów linii wysokiego napięcia. Grubość lodu na nich może sięgać 60-70 mm, znacznie cięższe druty. Proste obliczenia pokazują, że na przykład drut marki АС-185/43 o średnicy 19,6 mm i długości kilometra ma masę 846 kg; przy grubości lodu 20 mm zwiększa się 3,7 razy, przy grubości 40 mm - 9 razy, przy grubości 60 mm - 17 razy. Jednocześnie całkowita masa ośmiokilometrowej linii elektroenergetycznej wzrasta odpowiednio do 25, 60 i 115 ton, co prowadzi do zerwania drutu i złamania metalowych wsporników.

Takie wypadki powodują znaczne straty ekonomiczne, ich eliminacja zajmuje kilka dni i są wydawane ogromne sumy pieniędzy. Tak więc, według materiałów firmy „OGRES”, poważne awarie spowodowane lodem w latach 1971-2001 miały miejsce wielokrotnie w 44 systemach elektroenergetycznych Rosji. Tylko jedna awaria w sieciach Soczi w grudniu 2001 r. doprowadziła do uszkodzenia 2500 km napowietrznych linii elektroenergetycznych o napięciu do 220 kV i przerwy w dostawie energii do ogromnego obszaru. Zeszłej zimy doszło do wielu wypadków o lodowatym pochodzeniu.

Najbardziej podatne na lód są linie wysokiego napięcia na Kaukazie (m.in. w rejonie zbliżających się Zimowych Igrzysk Olimpijskich w Soczi 2014), w Baszkirii, Kamczatce, w innych regionach Rosji i innych krajach. Radzenie sobie z tą plagą jest bardzo kosztowne i niezwykle niewygodne.

Bezpiecznik wstrząs elektryczny

Skorupę lodową na liniach wysokiego napięcia eliminuje się, podgrzewając przewody prądem stałym lub przemiennym o częstotliwości 50 Hz do temperatury 100-130 ° C. Najłatwiej to zrobić przez zwarcie dwóch przewodów (w tym przypadku wszyscy odbiorcy muszą być odłączeni od sieci). Załóżmy, że do skutecznego topienia skorupy lodowej na drutach wymagany jest prąd I pl. Następnie podczas topienia prądem stałym napięcie źródła zasilania wynosi

U 0 = I pl R pr,

gdzie R pr jest czynną rezystancją przewodów, a prądem przemiennym z sieci -

gdzie X pr = 2FL pr jest reaktancją przy częstotliwości F = 50 Hz, wynikającą z indukcyjności przewodów L pr.

W liniach o znacznej długości i przekroju, ze względu na ich stosunkowo dużą indukcyjność, napięcie źródła prądu przemiennego o częstotliwości F = 50 Hz, a zatem jego moc powinna być 5-10 razy większa niż źródło prądu stałego o tej samej mocy. Dlatego ekonomicznie opłaca się topić lód za pomocą prądu stałego, chociaż wymaga to potężnych prostowników wysokiego napięcia. Prąd przemienny jest zwykle używany w liniach wysokiego napięcia o napięciu 110 kV i niższym, a prąd stały jest używany powyżej 110 kV. Jako przykład zwróćmy uwagę, że przy napięciu 110 kV natężenie prądu może osiągnąć 1000 A, wymagana moc to 190 mln VA, a temperatura drutu 130 ° C.

Topienie lodu prądem elektrycznym jest więc przedsięwzięciem raczej niewygodnym, trudnym, niebezpiecznym i kosztownym. Dodatkowo, czyszczone druty w tych samych warunkach klimatycznych porastają lodem, który trzeba ciągle topić.

Zanim wyjaśnimy istotę proponowanej przez nas metody radzenia sobie z lodem na przewodach linii wysokiego napięcia, zajmijmy się dwoma zjawiskami fizycznymi, z których pierwsze związane jest z efektem naskórkowości, a drugie z wędrującą falą elektromagnetyczną.

Efekt skóry i fale wędrujące

Nazwa efektu pochodzi od angielskiego słowa „skin” – skóra. Efekt naskórkowości polega na tym, że prądy o wysokiej częstotliwości, w przeciwieństwie do prądu stałego, nie są równomiernie rozłożone w przekroju przewodnika, ale są skoncentrowane w bardzo cienkiej warstwie jego powierzchni, której grubość przy częstotliwości f>10 kHz to już ułamki milimetra, a rezystancja przewodów wzrasta setki razy.

Drgania elektromagnetyczne o wysokiej częstotliwości mogą rozchodzić się w wolnej przestrzeni (wysyłane przez antenę) oraz w falowodach np. po tzw. długich liniach, po których fala elektromagnetyczna ślizga się jak po szynach. Tak długa linia może być parą przewodów w linii energetycznej. Im wyższa rezystancja przewodów linii, tym więcej energii pola elektromagnetycznego fali biegnącej wzdłuż linii jest zamieniane na ciepło. To właśnie ten efekt stanowi podstawę nowej metody zapobiegania oblodzeniu linii energetycznych.

W przypadku ograniczonych wymiarów linii lub jakiejkolwiek przeszkody o wysokiej częstotliwości, np. pojemności, oprócz fali padającej w linii będzie się również rozchodzić fala odbita, której energia będzie również zamieniana na ciepło jako rozchodzi się od przeszkody do generatora.

Z obliczeń wynika, że ​​do ochrony linii energetycznych przed lodem o długości około 10 km potrzebny jest generator wysokiej częstotliwości o mocy 20 kW, czyli dający 2 W mocy na metr przewodu. W takim przypadku stacjonarny tryb podgrzewania drutów następuje po 20 minutach. A przy tym samym rodzaju drutu użycie prądu stałego wymaga mocy 100 W na metr, osiągając tryb w 40 minut.

Prądy o wysokiej częstotliwości są generowane przez potężne nadajniki radiowe VHF FM działające w zakresie 87,5-108 MHz. Można je podłączyć do linii energetycznych za pomocą urządzenia dopasowującego obciążenie - linii energetycznej.

Aby sprawdzić skuteczność proponowanej metody, w MIREA przeprowadzono eksperyment laboratoryjny. Do linii dwuprzewodowej o długości 50 m otwartej na końcu podłączono generator o mocy 30 W i częstotliwości 100 MHz z przewodami o średnicy 0,4 mm i odległości 5 mm między nimi.

Pod działaniem wędrującej fali elektromagnetycznej temperatura ogrzewania linii dwuprzewodowej wynosiła 50-60 ° C przy temperaturze powietrza 20 ° C. Wyniki eksperymentalne pokrywały się z wynikami obliczonymi z zadowalającą dokładnością.

wnioski

Zaproponowana metoda wymaga oczywiście dokładnego sprawdzenia w rzeczywistych warunkach istniejącej sieci energetycznej eksperymentami pełnoskalowymi, ponieważ eksperyment laboratoryjny pozwala jedynie na pierwszą, wstępną ocenę nowej metody radzenia sobie z lodem. Jednak ze wszystkiego, co zostało powiedziane, można jeszcze wyciągnąć pewne wnioski:

1. Ogrzewanie linii energetycznych prądami o wysokiej częstotliwości zapobiegnie tworzeniu się lodu na przewodach, ponieważ można je podgrzać do 10-20 ° C, nie czekając na tworzenie się gęstego lodu. Nie ma potrzeby odłączania odbiorników od sieci elektrycznej – sygnał o wysokiej częstotliwości nie przeniknie do nich.

Podkreślamy: metoda pozwala zapobiegać pojawianiu się lodu na drutach, a nie rozpoczynać walki po tym, jak okryje je lodowa „powłoka”.

2. Ponieważ druty można nagrzewać tylko do 10-20 ° C, w porównaniu do topienia, które wymaga podgrzania przewodów do 100-130 ° C, zużycie energii jest znacznie zmniejszone.

3. Ponieważ odporność przewodów na prądy o wysokiej częstotliwości w porównaniu z przemysłowymi (50 Hz) gwałtownie wzrasta, współczynnik konwersji energii elektrycznej na ciepło jest duży. To z kolei prowadzi do zmniejszenia wymaganej mocy. Na początku, podobno, możliwe jest ograniczenie częstotliwości około 100 MHz generatora o mocy 20-30 kW, wykorzystując istniejące nadajniki radiowe.

Literatura

Dyakov A. F., Zasypkin A. S., Levchenko I. I. Zapobieganie i eliminacja wypadków lodowych w sieciach elektrycznych. - Piatigorsk: Wydawnictwo Przedsiębiorstwa Republikańskiego „Yuzhenergotekhnadzor”, 2000.

Kaganov VI Oscylacje i fale w naturze i technologii. Kurs komputerowy. - M.: Gorąca linia - Telecom, 2008.

Levchenko I. I., Zasypkin A. S., Alliluyev A. A., Satsuk E. I. Diagnostyka, rekonstrukcja i eksploatacja napowietrznych linii energetycznych na obszarach oblodzonych. - M.: Wydawnictwo MEI, 2007.

Rudakova R.M., Vavilova I.V., Golubkov I.E. - Ufa: Ufimsk. stan Lotnictwo technika un-t, 1995.

Yavorskiy BM, Detlaf AA Podręcznik fizyki. - M .: Nauka, 1974.