Система мониторинга и количественного контроля

ГОЛОЛЕДООБРАЗОВАНИЯ НА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЯХ

ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

САДЫКОВ М.Ф., канд. физ.-мат. наук, доцент, зав. кафедрой

теоретических основ электротехники КГЭУ, г. Казань

В настоящее время сроки эксплуатации воздушных линий (ВЛ) превышают нормативные и составляют от 40 лет и более, поэтому остро стоит проблема своевременного контроля за их состоянием. Кроме того, на остаточном сроке службы сказывается и воздействие внешних факторов окружающей среды в сочетании с эксплуатационными нагрузками.

Одна из серьезных причин аварий в электроэнергетических системах повышенной мощности состоит в образовании плотного ледяного осадка – гололеда – при намерзании переохлажденных капель дождя, мороси или тумана при температуре от 0 до –5 °С на проводах высоковольтных линий электропередачи. Отложения гололеда, изморози и мокрого снега представляют большую опасность для нормальной эксплуатации ВЛ. От гололеда в высоковольтных линиях электропередачи страдают многие страны мира, в том числе Россия, северные европейские страны, Канада. В каждой из названных стран по причине гололеда в энергосистемах происходит в год до 6–8 крупных аварий [1].

В результате значительного увеличения массы проводов и воздействующих на них динамических и статических нагрузок происходят опасные и нежелательные явления, особенно при сильном ветре. К их числу относятся обрыв токопроводящих проводов и грозозащитных тросов под тяжестью снега и льда, недопустимо близкое сближение проводов и их сильное раскачивание (так называемая пляска), ухудшение защитных свойств изоляторов, разрушение опор.

Одной из первых коммерческих систем мониторинга стала система CAT-1, разработанная в 1991 г. американской компанией The Valley Group, Inc. (на сегодня входит в концерн NEXANS (Франция)). В настоящее время во всем мире используется свыше 300 систем мониторинга CAT-1. Система обеспечивает мониторинг в реальном времени погодных условий и натяжения проводов в точках крепления к опорам. Основной модуль системы монтируется на опоре ЛЭП и весит порядка 50 кг. Несмотря на простоту измерений, система за счет использования патентованных алгоритмов анализа обеспечивает выявление и расчет многих полезных параметров ВЛ, например стрелы провеса, токовой пропускной способности линии и даже наличия гололеда на проводах. Недостатками системы является узкий температурный диапазон используемых датчиков, необходимость использования тензометрического датчика, прикреп-ленного к траверсе опоры, компоненты системы устанавливаются независимо друг от друга и требуют участия высококвалифицированного персонала при монтаже системы.

Получила широкое распространение и другая концепция реализации измерительного модуля для систем мониторинга OTLM (Overhead Transmision Line Monitoring), т.е. мониторинг пропускной способности ВЛ. В отличие от системы мониторинга CAT-1, измерительный модуль OTLM конструктивно монтируется на высоковольтном проводе. Измерение тока в проводе и питание модуля осуществляется бесконтактно. Питание прибора производится от энергии, получаемой от провода через токовый трансформатор. Система OTLM обеспечивает в реальном времени измерение температуры провода и силы тока в нем.

Широко известная система мониторинга линии электропередачи ASTROSE предлагает всестороннюю техническую платформу для измерения таких параметров, как: температура провода; угол провиса провода; действующее значение тока; механические вибрации. Данная система весьма информативна и образует самоорганизующуюся сеть беспроводной передачи данных. Кроме того, сенсоры системы весьма удобны для монтажа на ЛЭП. Однако система мониторинга ASTROSE имеет один существенный недостаток, связанный со способом питания сенсоров, так как отбор мощности осуществляется за счет электро-статического поля, что исключает применение данной системы на линиях 35 кВ и ниже.

В Российской Федерации на ООО «МИГ» проводятся работы по созданию системы определения точки начала гололедообразования «МИГ» путем измерения температуры провода, влажности и температуры окружающего воздуха, а также ветровой нагрузки с последующей их обработкой. Недостатком данной системы является то, что невозможно определить текущую нагрузку на провод.

Известен и локационный метод обследования воздушных ЛЭП, разработкой которого занимается коллектив из ФГБОУ ВО «КГЭУ» под руководством Рената Гизатулловича Минуллина. Однако для реализации данного метода необходима установка конденсаторов связи на концах обследуемой ВЛ, что экономически нецелесообразно на линиях 35 кВ и ниже.

Таким образом, наблюдается актуальность разработки систем мониторинга и количественного контроля гололедообразования на ВЛ электропередачи с возможностью сбора и беспроводной передачи данных на диспетчерский пульт по следующим параметрам и возможным бытиям:

– контроль гололедообразования;

– определение места механического воздействия на провода;

– контроль температуры проводов ЛЭП, вызванной изменением токовых нагрузок в системе, а также разогрева проводов, вызванного токами при борьбе с обледенением и налипанием на них снега;

– определение места обрыва или КЗ высоковольтных ЛЭП в каждом пролете и на каждой фазе проводов А, В и С.

Методика определения состояния ВЛ электропередачи

Контроль гололедообразования выполняется с помощью разработанной системы мониторинга состояния ВЛ. Аппаратная часть устройства имеет распределенную архитектуру (рис. 1), которая включает набор датчиков для измерения параметров состояния проводов линии и окружающей среды и средства приема и передачи данных [2].

Рис. 1. Структура элемента (устройства) сети

Для контроля гололедообразования на ВЛ проводятся измерения следующих параметров:

– температуры провода;

– относительной влажности воздуха;

– угла провеса провода.

Для измерения влажности и температуры окружающей среды использован датчик, представляющий собой интегральную микросхему, в корпусе которой находятся первичный и вторичный преобразователь физической величины, аналого-цифровой преобразователь и драйвер шинного интерфейса I²C, выводы которого подключаются на одноименные выводы микроконтроллера.

Датчик измерения температуры провода представляет собой терморезистор, включенный по мостовой схеме, аналоговый сигнал с которого оцифровывается микроконтроллером. Он установлен на металлической пластине длиной 1,5 см, находящейся в непосредст-венном контакте с проводом. От внешних воздействий датчик температуры провода защищен внешней защитной оболочкой, при этом на нем отсутствует термоизоляция в целях исключения его нагрева.

Определение угла провеса провода выполнено с использованием акселерометра.

Кроме того, предусмотрена возможность определения действующего значения силы тока в проводе.

Питание устройства осуществляется за счет отбора мощности с магнитной составляющей электромагнитного поля. Первичным источником питания является трансформатор тока с разделяемым сердечником, установленный на проводе ЛЭП, а вторичная обмотка трансформатора соединена с мостовым диодным выпрямителем, в цепь постоянного тока которого и включен преобразователь. Выход блока питания соединяется с общей шиной питания. Второй трансформатор тока используется в качестве датчика тока.

Прием и передача данных осуществляются по радиоканалу на частоте 2,4 ГГц с использованием модуля беспроводной сети автоматизации процессов (БСАП). Модуль беспроводной радиосвязи представляет собой микросборку. Микросборка соединена с контроллером посредством интерфейса UART. В качестве модуля беспроводной радиосвязи могут быть использованы встраиваемые модули БСАП, сочетающие высокое быстродействие и низкое энергопотребление. Они содержат встроенное программное обеспечение, реализующее все основные операции в сети, такие как образование сети, присоединение к сети, ретрансляция данных и автоматическое восстановление сети. Причем надежная связь между соседними устройствами может осуществляться на расстоянии до 1000 м при расположении соседних устройств в пределах прямой видимости, что может быть использовано в случае выхода из строя одного или нескольких устройств, так как есть возможность передавать информацию, минуя неисправные звенья.

Из собранной информации формируется пакет с указанием идентификатора отправителя. Измерительный элемент (устройство) сети, находящийся на удаленном конце контролируемого участка ВЛ, производит передачу первым. Он передает пакет ближайшему соседнему элементу. Далее соседний элемент передает полученный и свой пакет следующему элементу, находящемуся ближе к контрольному центру или пункту сбора данных (рис. 2). Таким образом, строится самооргани-зующаяся сеть из устройств, включающих в себя датчики для измерения основных параметров ВЛ. Информация о линии с этой сети далее поступает в центр хранения и обработки данных.

Рис. 2. Структура системы мониторинга состояния ВЛ

Результаты работы

Разработанная по описанной методике система мониторинга и количественного контроля гололедообразования ВЛ электропередачи состоит из специального набора аппаратно-метрологических средств и соответствующего программного обеспечения.

Данные, получаемые от метрологических средств, собираются и передаются на персональный компьютер для дальнейшей обработки. Программное обеспечение, установленное на персональном компьютере, состоит из следующих блоков: модуль оценки угла провеса, модуль измерения силы тока в проводе, модуль термо-метеорологического прогнозирования, модуль оценки и индикации [3–5].

В модуле оценки стрелы провеса выполняется определение стрелы провеса при измеренных значениях соответствующего расчетного режима. Кривая провисания провода может моделироваться уравнением цепной линии.

Стрела провеса для каждого расчетного климатического условия определяется следующим образом [6, 7]:

(1)

где l – длина пролета, м; a = H/q, H – горизонтальная составляющая силы натяжения (Н); q – погонная масса (Н/м).

Согласно уравнению равновесия

где δ – расстояние по горизонтали от точки подвеса до нижней точки пролета, м (принято за половину длины пролета); x – координата установки прибора на ВЛ относительно точки подвеса, м.

Формула производной данного уравнения [7]:

(2)

где α – угол между прямой, соединяющей соседние точки провеса, и касательной в точке установки устройства мониторинга (рис. 3).

Рис. 3. Наглядное представление параметров линии,

используемых при расчете стрелы провиса

Выразим a:

(3)

Подставив в формулу определения стрелы провиса последнее выражение, получим формулу для определения стрелы провиса через угол с устройства, установленного от точки подвеса на удалении x:

(4)

Напряжение в материале провода для текущих климатических условий определяется по основному уравнению состояния провода в пролете [6]:

(5)

где l – длина пролета, соответствующая данной расчетной точке, м;
σ – напряжение в материале провода в соответствующем расчетном режиме при измеренных климатических условиях, даН/мм²; γ – удельная нагрузка в расчетном режиме при измеренных климатических условиях; s_m – начальное напряжение в материале провода для соответствующего расчетного режима, даН/мм²; g_m – удельная механическая нагрузка на провод соответствующего расчетного режима, даН/м∙мм²;
t_m – температура провода в различных климатических условиях,
°C; – коэффициент упругого удлинения провода, мм²/даН;
E – модуль упругости сталеалюминиевого провода, даН/мм²;
α – коэффициент температурного расширения провода, 1/град.

Модуль термо-метеорологического прогнозирования выполняет оценку параметров окружающей среды и режимов работы линии электропередачи в целях определения вероятности появления гололедных образований.

С использованием измерений температуры и влажности воздуха (рис. 4) возможно определение точки десублимации (температуры перехода вещества из газообразного состояния в твердое, т.е. температуры образования наледи) [8]:

(6)

где t – температура воздуха, °C; RH – относительная влажность воздуха;
T_i – точка десублимации, °C.

Далее полученные данные передаются в модуль оценки состояния и индикации, где выполняется их обработка для оценки состояния ВЛ.

На рис. 4, 5 представлены показания, полученные с опытных образцов датчиков диагностики состояния ВЛ, установленных на действующей линии 35 кВ, за определенный промежуток времени (14.11.2016 1:38 до 17.11.2016 4:40).

Рис. 4. Показания температуры провода и угла наклона устройства,

установленного на линии напряжением 35 кВ

Рис. 5. Показания относительной влажности воздуха с устройства,

установленного на линии напряжением 35 кВ

Общеизвестно, что изменение силы тока в проводе приводит к изменению его температуры, а значит, и его провиса [9]. Однако в обследуемой линии электропередачи наблюдаются одни и те же токовые нагрузки, т.е. циклические изменения силы тока в проводе отсутствуют в течение долгого периода времени (месяцы) и наблюдаются за все время лишь при коммутациях. Таким образом, градиент температуры провода при неизменной температуре окружающей среды не влияет на проводимые измерения.

На графиках рис. 4 температура провода за рассматриваемый период изменялась в пределах от –1,9 до –16,1 °C, а угол наклона устройства (угол между горизонтальной плоскостью и касательной к точке установки устройства на проводе) колебался в диапазоне от –5 до –6,4°. На рис. 5 показано, что за этот же промежуток времени относительная влажность изменялась от 47,2 до 100 %. Таким образом, наблюдается зависимость угла наклона устройства, установленного на проводе, от температуры провода.

Стрела провиса, рассчитанная для пролета длиной 39 м с данным прибором, удаленным от точки подвеса на 1 м при углах на нем 5 и 6,4°, составляла 0,9 и 1,16 м соответственно.

В настоящее время опытные образцы устройств проходят испытания для выявления недостатков и особенностей эксплуатации устройств данной конфигурации.

Обсуждение результатов

Собрано устройство, на базе которого можно построить систему мониторинга и количественного контроля гололедообразования на ВЛ электропередачи. При этом применение современных электронных технологий и схемы питания обеспечивает автономность работы данного устройства, так как оно не зависит от внешних источников питания (аккумуляторная батарея), а производит отбор мощности непосредственно с линии.

Устанавливаемые на линии электропередачи датчики (рис. 6, 7) производят сбор, предварительную обработку и накопление данных об угле провеса, температуре окружающей среды, температуре провода, влажности окружающей среды и действующем значении силы тока.

Рис. 6. Внешняя оболочка устройства мониторинга и количественного контроля гололедообразования на ВЛ

Рис. 7. Внутренняя часть устройства мониторинга и количественного контроля

гололедообразования на ВЛ

Беспроводная передача данных осуществляется при помощи модулей БСАП через недорогой канал связи, совместимый с протоколами IЕЕ802.15.4, позволяющий организовать не только недорогую сеть, но и способную к самовосстановлению (при выходе из строя одного из устройств передача данных будет осуществляться через соседнее устройство), что повышает надежность работы системы в целом.

Мониторинг ВЛ на основе беспроводной сети анализаторов предоставляет возможность измерять температуру провода, угол провеса провода, относительную влажность воздуха, что позволяет осуществлять контроль гололедообразования на ВЛ электропередачи. Кроме того, предусмотрено измерение действующего значения тока в проводе, на котором установлен прибор, что позволяет анализировать режим работы линии и определять местоположение аварийных участков.

Полученные данные позволяют проводить измерения параметров ВЛ, а значит, собирать статистические данные о провесе, параметрах окружающей среды, параметрах режима работы линии. Определение относительной влажности воздуха, температуры провода и угла провеса провода позволяет контролировать гололедообразование на линии. Благодаря измерению действующего значения силы тока, можно анализировать режим работы линии и находить местоположение аварийных участков. По температуре провода можно судить о пиковых перегрузках проводов, что позволяет предотвратить их повреждение. Измерение вышеперечисленных параметров позволяет осуществлять контроль режимов работы ВЛ и определять опасные режимы эксплуатации проводов в пролетах, а при необходимости и информировать оперативный персонал об изменениях контролируемых параметров [5].

Данные, получаемые от метрологических средств, собираются и передаются на персональный компьютер для дальнейшей обработки. Программное обеспечение, установленное на персональном компьютере, состоит из следующих блоков: модуль оценки угла провеса, модуль измерения силы тока в проводе, модуль термо-метеорологического прогнозирования, модуль оценки и индикации [3–5].

Модуль оценки стрелы провеса позволяет выполнять расчеты для различного сочетания температурных, ветровых и гололедных параметров. Следует учитывать, что степень изменения стрелы провеса также зависит от начальной величины провеса в нормальных условиях.

Модуль работает в режиме реального времени и автоматически выполняет расчет каждый раз при изменении исходных условий, определяемых измерительными датчиками. По результатам расчета строится кривая провисания провода, которая отображается в заданном расчетном режиме с помощью модуля индикации.

Заключение

Результаты работы показывают возможность определения стрелы провеса и параметров окружающей среды. Получаемые данные могут быть использованы в системе контроля состояния ВЛ и термо-метеороло-гического прогнозирования. Используя в комплексе перечисленные методы, необходимо создать систему мониторинга гололедообразования ВЛ.

Кроме того, системы мониторинга и количественного контроля гололедообразования на ВЛ электропередачи, построенные на базе разрабатываемых устройств, имеют и дополнительные функциональные возможности, такие как оперативное определение места обрыва или короткого замыкания высоковольтных линий электропередачи в каждом пролете и на каждой фазе проводов А, В и С благодаря измерению величины силы тока в проводе, на котором установлено данное устройство.

Данная система позволит предотвратить аварии на ВЛ электро-передачи, возникающие из-за превышения допустимой гололедно-ветровой нагрузки, сократить издержки на ее содержание и повысить экономическую эффективность.

Работа по созданию устройства для системы мониторинга и количественного контроля гололедообразования на ВЛ электропередачи проводится в рамках договора на выполнение научно-исследовательской опытно-конструкторской работы с ПАО «Татнефть» № 0002/11/29 от 19.01.2015 г.

Литература

1. Каганов В.И. Нагрев проводов электрических сетей с помощью высокочастотной электромагнитной волны для борьбы с гололедом / В.И. Каганов // Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротех-ническая промышленность. – 2012. – № 3. С. 21–25.

2. Richard Regep. Optical fiber communication network based on power distribution system // IEEE PES Transmission and Distribution Conference and Exposition Latin America, Venezuela, 2006.

3. Самарин А.В. Современные технологии мониторинга воздушных электросетей ЛЭП / А.В. Самарин, Д.Б. Рыгалин, А.А. Шкляев // Естественные и технические науки. – 2012. – № 1/2.

4. Qinyou Wang Ming Zhong Yumei Liu. Remote monitoring and intelligent diagnosis for power transmission lines // Control and Automation, 2003: ICCA’03: Proc. 4^th International Conference on 12 June 2003.

5. Nazaré F.V.B. de. Temperature and current monitoring system for transmission lines using power-over-fiber technology / F.V.B. de Nazaré, M.M. Werneck // Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), 2010 IEEE.

6. Короткевич М.А. Проектирование линий электропередачи: учеб. пособие / М.А. Короткевич. – Минск: Вышэйшая школа, 2010. – 574 с.

7. Меркин Д.Р. Введение в механику гибкой нити / Д.Р. Меркин. – М.: Наука, 1980. – 240 с.

8. Титов Д.Е. Графическое представление условий гололедообразо-вания как термодинамического процесса / Д.Е. Титов, Г.Г. Угаров, А.Г. Сошинов // Сб. науч. тр. SWorld. – 2013. – Т. 10, № 3. – C. 60–63.

9. Правила устройства электроустановок. Все действующие разделы шестого и седьмого изданий с изменениями и дополнениями по состоянию на 1 февраля 2015 г. (+CD). – М.: КНОРУС, 2015. – 488 с.