Введение к работе
Диссертационная работа посвящена разработке способа раннего обнаружения гололедных отложений на воздушных линиях электропередачи (ЛЭП) с целью их предохранения от технологических отказов и разрушений под тяжестью гололедных масс.
Актуальность темы. Возникшие в настоящее время рыночные отношения между производителями и потребителями электроэнергии требуют качественного и бесперебойного электроснабжения. К сожалению, электроэнергетическое оборудование, которое используется сегодня в России, в значительной степени физически и морально устарело. Воздушные линии электропередачи, охватывающие огромные территории, являются наименее надежными элементами современной энергосистемы.
Основная часть повреждений воздушных линий - это короткие замыкания и обрывы проводов из-за атмосферных воздействий. При этом определение места повреждения и восстановление поврежденных участков линий электропередачи являются сложными, длительными и дорогостоящими технологическими операциями.
В этой ситуации вопросы диагностики состояния изношенного электрооборудования и предупредительные меры по предотвращению возможных аварий, в том числе и на воздушных линиях, становятся весьма актуальными. К таким мерам относится процедура раннего обнаружения гололедных отложений на проводах линий электропередачи. Под тяжестью гололедных масс могут произойти обрывы проводов и поломки опор линий электропередачи. Кроме того, при появлении гололедных отложений на проводах ухудшается высокочастотная связь по линиям электропередачи, которая используется для передачи сигналов релейной зашиты и противо-аварийной автоматики, а также технологической информации.
Гололедные аварии на воздушных линиях являются одними из самых тяжелых и трудноустранимых из-за зимнего бездорожья, мерзлого грунта и разбросанности по линии нескольких одновременно пораженных участков. Гололедные аварии на воздушных линиях, как правило, имеют массовый характер и приносят большой экономический ущерб. Раннее обнаружение гололеда на проводах линий электропередачи и своевременное его устранение путем плавки являются насущными задачами энергоснабжающих организаций.
Проблемам обнаружения гололеда, предотвращения и ликвидации гололедных аварий в электрических сетях, влияния гололедных отложений на высокочастотную связь по линиям электропередачи посвящены работы А.Ф.Дьякова, А.С. Засыпкина, И.В. Левченко, Л.В. Яковлева, Л-И.Брауде, ЮЛ. Шкарина, В.Х.Ишкияа, В Л. Коваленко, ШЩигвера, ГМ.Шалыта, Г.В. Микуцкого, B.C. Скитальцева, Л.С. Штейнбока, РТ. Книжника и др. Имеется большое количество авторских свидетельств и патентов на способы и устройства обнаружения гололеда на линиях электропередачи, но по разным причинам широкого применения
большинство из них не получило. Многие из этих устройств требуют установки датчиков гололеда на ЛЭП и организации специального телемеханического канала для передачи информации с датчиков на диспетчерский пункт, что сопряжено со значительными материальными затратами. Кроме того, любое электрооборудование, находящееся безнадзорно на трассе линий электропередачи, в настоящее время становится объектом вандализма. Большая часть датчиков имеет низкую чувствительность и не очень надежно обнаруживает появление гололеда на ЛЭП.
Поэтому сложность и неординарность ситуации требует разработки надежного способа раннего обнаружения гололедных отложений на проводах линий электропередачи, свободного от перечисленных недостатков.
Цель и задачи работы. Целью данной работы является разработка способа и устройства раннего обнаружения гололеда, который был бы надежным, оперативным, дистанционньш, обеспечивал бы высокую чувствительность, не требовал наличия телемеханического канала для передачи данных с датчика на диспетчерский пункт и позволял автоматизировать процесс слежения за появлением гололеда на проводах электролинии и его плавкой.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
проанализировать особенности гололедных образований на проводах линий электропередачи; оценить влияние гололедных отложений на их надежность, рассмотреть условия возникновения гололедных образований и их физико-технические характеристики;
проанализировать существующие методы обнаружения гололеда и выбрать метод, удовлетворяющий требованиям оперативности, высокой чувствительности, надежности, дистанционности, отсутствия дополнительного телемеханического канала, возможности автоматизации измерений и относительной дешевизны;
выбрать соответствующий методу измерительный прибор, оценить его технические возможности и рассмотреть методические особенности использования этого прибора в составе устройства обнаружения гололеда;
исследовать влияние гололедных образований на процедуру их обнаружения выбранным измерительным прибором, определить экспериментальным путем чувствительность прибора;
проанализировать технические характеристики линий электропередачи применительно к требованиям и возможностям выбранного метода обнаружения гололеда, исследовать влияние атмосферных условий на погрешность измерений выбранным методом;
установить критерии и индикатор обнаружения гололедных образований на линиях электропередачи, исследовать влияние помех на процедуру измерений, осуществить проверку технических возможностей выбранного метода обнаружения гололеда в лабораторных и полевых условиях, разработать алгоритм обнаружения гололеда на проводах линий электропередачи;
на основе выбранного метода разработать способ и устройство обнаружения гололеда на линиях электропередачи, удовлетворяющий вышепере-
численным требованиям, вьшолнить сравнительный анализ используемых и разработанного способов обнаружения гололеда, оценить экономическую и практическую эффективность разработанного способа обнаружения гололеда. Научная новизна работы заключается в следующем:
впервые определены количественные оценки времени запаздывания и уменьшения амплитуды отраженных импульсов локационного зондирования под влиянием длины и толщины стенки различных видов гололедно-изморозевых отложений на проводах линий электропередачи;
доказано, что при обнаружении гололеда локационным методом можно использовать в качестве реперных точек неоднородности электролиний, каковыми являются места присоединения к линии ответвлений, высокочастотных заградителей, кабельных вставок и др.;
определены реакции неоднородностей электролиний, имеющих активный и реактивный характер, при импульсном локационном зондировании;
впервые разработана методика распознавания рефлектограмм для линий электропередачи напряжением 6-220 кВ, полученных при импульсном локационном зондировании;
предложены критерии и индикатор обнаружения гололедных отложений при локационном зондировании линий электропередачи;
разработаны способ и устройство раннего обнаружения гололеда на линиях электропередачи, реализующие локационный принцип и отвечающие требованиям оперативности, высокой чувствительности, надежности, отсутствия дополнительного телемеханического канала, возможности автоматизации измерений и относительной дешевизны.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные способ и устройство позволяют оперативно, надежно, с высокой чувствительностью обнаруживать гололед на линиях электропередачи и это дает возможность организовать своевременную плавку гололеда во избежание техногенных аварий. Кроме того, имеется возможность оперативно обнаруживать обрывы и короткие замыкания проводов электролиний, что способствует уменьшению перерывов в электроснабжении потребителей, позволяет мгновенно обнаруживать акты вандализма, предотвращая тяжелые аварийные ситуации на линиях электропередачи и сокращая финансовые затраты энергосистем на аварийно-восстановительные работы.
Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается совпадением данных экспериментальных измерений, выполненных в лабораторных условиях на макетах электролиний и на реальных линиях электропередачи напряжением 6-220 кВ.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Количественные оценки времени запаздывания и уменьшения амплитуды отраженных импульсов локационного зондирования в зависимости от длины и толщины стенки различных видов гололедно-изморозевых отложений на проводах линий.
Возможность использования для обнаружения гололеда локационным методом в качестве реперных точек неоднородностей электролиний, каковыми являются места присоединения ответвлений, высокочастотных заградителей, кабельных вставок и др.
Описание реакций неоднородностей электролиний, имеющих активный и реактивный характер, при импульсном локационном зондировании.
Методика распознавания рефлектограмм электролиний напряжением 6-220 кВ, полученных при импульсном локационном зондировании.
Критерии обнаружения гололедных отложений при локационном зондировании линий электропередачи, способ индикации наличия гололедной муфты.
Способ и устройство обнаружения гололеда на линиях электропередачи, использующие локационный принцип и отвечающие требованиям оперативности, высокой чувствительности, надежности, отсутствия дополнительного телемеханического канала, возможности автоматизации измерений и относительной дешевизны.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах: научно-практическая конференция «Эффективная энергетика» (Казань, 2004 г.), XII Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация и связь RLNC» (Воронеж, 2005 г.), XXI Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн» (Йошкар-Ола, 2005 г.), Международная научно-техническая конференция «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XII Бенардосовские чтения, Иваново, 2005 г.), III Международная конференция «Fundamental Problems of Physics» (Казань, 2005 г.), IX Симпозиум «Электротехника-2030» (Москва, 2007 г.), XIV Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация и связь RLNC» (Воронеж, 2008 г.).
Основные результаты и выводы диссертации изложены в 19 публикациях, в том числе в 8-ми статьях в журналах, включенных в перечень ВАК («Электротехника», «Известия ВУЗов. Проблемы энергетики» и «Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Серия «Информатика. Телекоммуникации. Управление»).
Реализация результатов работы. По результатам выполненной работы получен патент «Способ обнаружения появления гололеда на проводах линии электропередачи». М Кл. Н02 G7/16 II Патент № 2005112401/09(014325). Приоритет с 15.04.05 (коллектив авторов: Р.Г. Минуллин, И.Ш. Фардиев, ЮЛ. Петрушенко, Д.Ф. Губаев, А.К. Мезиков, А. Коровин). Разработанный способ обнаружения гололеда проходит опытную проверку в Бугульминских электрических сетях ОАО «Татэнерго». Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре релейной защиты и автоматизации электроэнергетических систем Казанского государственного энергетического уни-
верситета при подготовке специалистов по направлению «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем».
Результаты исследований по мере их получения внедрялись в производственную деятельность Приволжских и Бугульминских электрических сетей ОАО «Татэнерго» при выполнении грантов Академии наук Республики Татарстан (проекты 06-6.7-178/2002-2004-Ф и 06-6.7-345/2005-2006-Ф), а также научно-исследовательских работ по договорам с ОАО «Татэнерго» (№106 от 13.08.2001, №Д1/317 от 17.06.2004, №Д1/318 от 17.062004, № Д255/743 от 10.10.2005, №2008/Д251/0830 от 17.11.2008, № Д255/2564 от 22.12.2008).
Личный вклад автора работы. Автор участвовал в лабораторных и полевых исследованиях как постановщик задач и руководитель измерений, выполнил анализ экспериментальных данных и их интерпретацию. Проделал большую работу по организации выездных полевых измерений. Участвовал в обсуждении и описании полученных результатов. Разработал критерии и предложил алгоритм обнаружения гололеда на проводах электролиний локационным методом. Участвовал в разработке способа и устройства обнаружения гололеда на проводах электролиний.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Объем диссертации составляет 186 страниц, в том числе 71 рисунок, 10 таблиц. Библиографический список содержит 103 наименования.
