Способ мониторинга воздушных линий электропередач Российский патент 2017 года по МПК G01R31/08 

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для обнаружения атмосферных осадков, «пляски» проводов и гололедных отложений, воздействующих на воздушные высоковольтные линии.

В известном устройстве (Устройство для измерения гололедной и ветровой нагрузок на воздушных линиях электропередачи. Патент №2145758 от 20.02.2000. Авторы: Левченко И.И. и др. Патентообладатель: Новочеркасский государственный технический университет, Региональное предприятие "Южэнерготехнадзор") наличие гололеда и «пляску» проводов определяют взвешиванием проводов с дополнительным измерением ветровой нагрузки.

Недостатками устройства являются получение указанной информации в фиксированных точках и сложность конструкции.

Локационный метод обнаружения гололеда (Способ обнаружения гололеда на проводах воздушных линий электропередачи, патент №2537380 10.01.2015. Авторы: Мустафин Р.Г., Писковацкий Ю.В., Хакимзянов Э.Ф. Патентообладатель: Казанский государственный энергетический университет) определяет участок гололедообразования линии с использованием зондирующих импульсов.

Недостатком способа является невозможность определения «пляски» проводов и атмосферных осадков, воздействующих на воздушные линии, а также трудность использования в разветвленных линиях.

Задача изобретения - обнаружение начала гололедообразования с учетом температуры, ветровых нагрузок и атмосферных осадков на распределенных участках неразветвленных и разветвленных воздушных линий.

Поставленная цель достигается тем, что генерируют в высоковольтную линию высокочастотный сигнал с измерением температуры провода и согласно изобретению устанавливают первое и второе значения частот высокочастотного сигнала при равенстве нулю суммарного тока в начале и конце участка линии при отсутствии и наличии атмосферных осадков соответственно и определяют квадрат отношения первого ко второму значению частоты, характеризующий объем выпадения осадков; определяют размах колебаний проводов при ветровой нагрузке по максимальному изменению взаимного сопротивления, определяемого отношением напряжения в конце и током в начале участка при половинном значении второй частоты.

Вариант устройства, реализующий предлагаемый способ, изображен на фиг. 1, где к одной фазе линии приложен высокочастотный синусоидальный сигнал через генератор Г1 и конденсатор связи С1.

В начале и конце 3-х участков линии установлены датчики напряжения, тока и температуры ДН3-ДН6; ДТ7-ДТ10, ДТЕМ11-ДТЕМ14 соответственно. Они измеряют высокочастотные напряжения, токи и температуру провода τ₁-τ₄ соответственно и передают к приемному устройству ПрУ 15.

Для анализа принципа работы устройства рассмотрим в общем виде известные уравнения для линий с распределенными параметрами при пренебрежении активными потерями в линии с использованием высокочастотного сигнала.

где - комплексные напряжения и токи в начале и конце рассматриваемого участка соответственно; Z_c, β_, х - комплексное характеристическое сопротивление, коэффициент фазы и длина линии соответственно.

Z_c и β определяются известными соотношениями

где f - частота генератора Г1, L₀, C_o - погонные индуктивность и емкость линии соответственно.

Для погонных параметров можно записать

где D_cp, r_пр, к_э, ε - среднее геометрическое расстояние между проводами; радиус провода; коэффициент, характеризующий наличие атмосферных осадков; относительная диэлектрическая проницаемость среды при отсутствии осадков соответственно.

При наличии осадков пространство между фазными проводами или между ними и землей частично наполняется осадками со значениями ε=70-80. Очевидно, что эквивалентная емкостная проводимость при этом практически будет определяться оставшимся воздушным пространством. Например, в случае наполнения указанного воздушного пространства наполовину осадками можно считать, что емкость С₀ увеличивается практически в 2 раза, а при заполнении на четверть объема (при этом незаполненное воздушное пространство будет 3/4 от общего объема) - в 4/3 раза и т.д. Соответственно, эти изменения в данном случае можно отразить в выражении (3) подстановкой эквивалентных значений диэлектрической проницаемости среды к_эε=2ε и к_эε=4/3ε соответственно.

Подстановкой выражений (3) в (2) можно получить

Подстановкой выражений (4) в (1) можно получить

где к=0,208⋅10^-4; к₁=138,44; .

Принцип предлагаемого способа поясняется выражениями (5), где при фиксированной частоте генератора Г1 и неизменной длине участка линии токи и напряжения определяются отношением и ε.

При наличии ветра D_cp будет меняться с колебаниями проводов частотой 0,2-2 Гц, что приведет к изменению значений токов и напряжений, и по частоте изменений их можно судить о ветровой нагрузке.

Наличие минусовой температуры с осадками является сигналом возможного появления гололеда с нарастанием скорости гололедообразования при ветровой нагрузке, и можно использовать профилактический подогрев проводов.

Вариант алгоритма функционирования предлагаемого способа поясняется фиг. 1 на основе уравнений (5).

Для 3-х участков линии можно записать уравнения:

1-й участок

3-й участок

где β₁, β₂, β₃; x₁, х₂, х₃; Z_c1, Z_c2, Z_c3; к_э1ε₁, к_э2ε₂, к_э3ε₃; α₁, α₂, α₃ - комплексные напряжения в начале; комплексные токи в начале; коэффициенты распространения; длины; характеристические сопротивления; относительные диэлектрические проницаемости; отношения 1-го, 2-го и 3-го участков соответственно.

Определение интенсивности атмосферных осадков

Из выражения (6) для 1-го участка имеем

откуда напишем уравнение

и, разлагая это уравнение в комплексном виде на составляющие, можно записать

Согласно фиг. 1 изменением частоты f генератора Г1 с одновременным измерением токов и при соблюдении условия согласно (7) из выражения (8) при n=1 можно получить (f=f₁)

Для определенности при значениях, приведенных на фиг. 1 для участка 1 при отсутствии осадков (к_э1=1, ε₁=1) согласно выражению (9) Г1 будет настроен на частоту

Примем заполнение атмосферного воздуха осадками на 1/4 объема (см. выше) и можно получить эквивалентное значение Тогда генератор настроится на другую частоту f₂ для соблюдения условия

С учетом вышеизложенного для определения степени наличия на участке 1 атмосферных осадков необходимо выявить максимальное значение частоты настройки Г1 в соответствии с выражением (8) за определенный интервал времени (например, несколько суток), что будет соответствовать отсутствию атмосферных осадков. В дальнейшем это значение частоты можно использовать как базовое для участка 1 для случая отсутствия атмосферных осадок.

Предположим, что измеренное максимальное значение частоты Г1 за данный интервал времени равно согласно (10) f₁=4315 Гц. Тогда для случая получения измеренного значения Г1 f₂=3737 Гц из (10) и (11) получим

что соответствует вышеприведенному значению.

Таким образом, степень наличия осадков определяется по измеренным значениям частот при отсутствии и наличии осадков по выражению (12) с соблюдением условия

Согласно выражению (12) можно вычислить наличие осадков на участке 1, отстраиваясь от других участков линии, где могут присутствовать или отсутствовать атмосферные осадки одновременно с участком 1 и этим повышается точность вычислений.

Аналогично для участка 2 согласно данным фиг. 1 можно получить предполагаемые значения частот f₃ и f₄ при соблюдении условия

Расчетное значение к_э2 по измеренным значениям частот Г1

Для участка 3 при соблюдении условия измеренные значения частот f₅ и f₆ Г1 будут

Расчетное значение к_э3 по измеренным значениям частот Г1

Определение ветровой нагрузки

Если считать, что текущей частотой для участка 1 является f₂, то согласно выражению (9) можно записать

откуда

Подставляя выражение (15) в (6) при для участка 1, получим откуда воздействие ветра можно выразить взаимным сопротивлением

Согласно выражению (16), Z₂₁ зависит от т.е. от изменения расстояния между проводами участка 1 под действием ветра и радиуса провода.

В этом случае из (16) относительное изменение γ_в1 взаимного сопротивления будет

Из выражения (17) следует, что

Пусть r_пр1=0,5 см, при расположении проводов равносторонним треугольником со сторонами по 200 см. При среднем отклонении провода на 25 см минимальное и максимальное расстояния между 3-мя проводами равны D_ср1min=150 и D_ср1max=250 см, и можно получить - γ_в1=2(lg250/150)/lg(250⋅150/0,5²)=8,5%.

При среднем отклонении проводов на 50 см значения D_ср1max=300 см, D_ср1min=100 см получим значения γ_в1=2(lg300/100)/lg(300⋅100/0,5²)=19%.

Аналогично (17) выводится выражения и для участков 2 и 3.

Полученные результаты для неразветвленных линий (обычно линии напряжением 110 кВ и выше) можно распространить и на разветвленные линии (линии 6-35 кВ).

Вышеполученные результаты дают основание сделать выводы:

- способ позволяет определить распределенное воздействие атмосферных осадков и ветровых нагрузок на участок воздушной линии;

- при суммарном токе в начале и конце участка линии, равном нулю, наличие осадков определяется независимо от ветровой нагрузки (изменения Z_c1 согласно выражению (7));

- действие ветровой нагрузки определяется согласно выражению (18) отстройкой от достаточно медленно меняющейся составляющей к_эε, обусловленной атмосферными осадками на фоне колебательной ветровой нагрузки частотой 0,2-2 Гц;

- согласно выражениям (12), (13) и (14) при к_э>1 и минусовых температурах, получаемых с датчиков температуры участков линии, можно организовать профилактический подогрев проводов с целью предотвращения гололедообразования линии;

- для упрощения реализации способа можно воспользоваться только датчиками тока для выявления атмосферных осадков и предупреждения гололедообразования;

- на основе способа можно произвести мониторинг воздействия ветровых нагрузок на участки воздушных линий с целью обеспечения требуемой их надежности.

Вариант реализации ПрУ15 на подстанции и передающего устройства в конце участка 1 приведен на фиг. 2 с графиками прохождения сигналов на фиг. 3.

Генератор высокочастотных синусоидальных сигналов Г1 посылает сигнал в высоковольтную линию ВЛ16 через конденсатор С2, и между фазой и землей выделяется напряжение, измеряемое датчиком напряжения ДН4. На выходах датчиков тока ДТ7 и ДТ8 выделяются сигналы, мгновенные значения высокочастотных токов фазы линии i₁ и i₂ соответственно согласно фиг. 3.

На выходе ППУ17 непрерывно вырабатываются тактовые импульсы U₄, поступающие на вход счетчика импульсов Сч18, и логический сигнал U₅ на его выходе приведен на фиг. 3.

При наличии на левом выходе триггера Тг19 логической 1, в момент t₁ на выходе И20 устанавливается логическая 1 и запускается ждущий мультивибратор ЖМ21 с длительностью выходного сигнала U₆, равного Δt, который сбрасывает интегратор ИНТ22. Также этот сигнал поступает на вход приемо-передающего устройства ППУ17, и далее он передается через ППУ17 на ППУ23, который сбрасывает ИНТ24.

В момент t₁ согласно фиг. 2 начинается интегрирование токов i₁ и i₂ интеграторами ИНТ22 и ИНТ24, на выходах которых выделяются интегральные значения ∫i₁ и ∫i₂ соответственно, подаваемые на входы арифметического сумматора СУМ25. Согласно фиг. 3 в момент t₂ при частоте f₁ выражение и поэтому на выходе СУМ25 формируется сигнал U₇ логического нуля с одновременным прекращением суммирования задним фронтом импульса ЖМ21. Через открытый ключ К26 поступает на вход И27 логический 0 с выхода СУМ25.

Напряжения U₈ и U₉ на выходах И28 и ЖМ29 приведены на фиг. 3. На выходе И27 формируется сигнал U₁₀.

В момент t₃ от логической 1 на выходе Сч18, генератор Г1 переключится на следующую ступень частоты f₂ (см. выражение (11) - ступень частоты можно регулировать в зависимости от требуемой точности) с одновременным пуском ЖМ21. Процесс повторяется с тем отличием, что и на выходе СУМ25 появляется логическая 1.

Измеритель частоты ИЧ30 измеряет частоту генератора Г1, и на вход устройства деления УД31 подаются сигналы с выходов ИЧ30 с частотой f₂ и установочного узла УСТ32, соответствующий максимальной частоте f₁ для участка 1 при отсутствии атмосферных осадков (в данном случае это значение выставлено вручную). На выходе УД31 получается значение согласно выражению (12), записываемое в предварительно сброшенное запоминающее устройство ЗУ33 и далее отображаемое индикатором атмосферных осадков ИАО34.

Запоминающее устройство ЗУ 35 периодически сбрасывается, и последнее записанное значение равно f₂/2, которое вычисляется устройством деления частоты УДЧ36. Логическая 1 напряжения U₁₀ открывает ключ К37, и значение f₂/2 поступает на другой вход Г1, и на его выходе вырабатывается сигнал указанной частоты в соответствии с выражением (15).

При появлении на нижнем входе И28 логического 0 с выхода Тг19 соответственно на нижнем входе И38 появится логическая 1.

Действующие значения напряжения U₂ и тока I₁ поступают с выходов ДН4 и выпрямителя В39 соответственно на входы ключей К40 и К41 соответственно, с выходов которых они поступают на входы устройства деления УД42, начиная с момента t₅. Отношение напряжения к току как функция ветровой нагрузки согласно выражению (17), с выхода УД42 записывается в предварительно сброшенное запоминающее устройство ЗУ43 и далее отображается в индикаторе ветровой нагрузки ИВН44.

В моменты t₁ и t₃ происходит сброс индикаторов температуры τ₁ и τ₂ провода ИТЕМ44, ИТЕМ45 с последующей записью их значений, поступающих с выходов датчиков температуры ДТЕМ11 и ДТЕМ12 соответственно.

В момент t₆ на выходе ждущего мультивибратор ЖМ46 логическая 1 переходит в 0 и Г1 прекращает генерировать сигнал. Начиная с момента t₇ процесс повторяется.

Изобретение относится к области электроизмерительной техники. Технический результат: обнаружение начала гололедообразования с учетом температуры, ветровых нагрузок и атмосферных осадков на распределенных участках неразветвленных и разветвленных воздушных линий. Сущность: генерируют в высоковольтную линию высокочастотный сигнал с измерением температуры провода и устанавливают первое и второе значения частот высокочастотного сигнала при равенстве нулю суммарного тока в начале и конце участка линии при отсутствии и наличии атмосферных осадков соответственно. Определяется квадрат отношения первого ко второму значению частоты, характеризующий объем выпадения осадков. Определяют размах колебаний проводов при ветровой нагрузке по максимальному изменению взаимного сопротивления, определяемого отношением напряжения в конце и током в начале участка при половинном значении второй частоты. 3 ил.

Способ мониторинга воздушных линий электропередач, заключающийся в генерации в высоковольтную линию высокочастотного сигнала и измерении температуры провода, отличающийся тем, что устанавливают первое и второе значения частот высокочастотного сигнала при равенстве нулю суммарного тока в начале и конце участка линии при отсутствии и наличии атмосферных осадков соответственно и определяется квадрат отношения первого к второму значению частоты, характеризующий объем выпадения осадков; определяют размах колебаний проводов при ветровой нагрузке по максимальному изменению взаимного сопротивления, определяемого отношением напряжения в конце и током в начале участка при половинном значении второй частоты.