Методы борьбы с обледенением ЛЭП
Научный руководитель – д. т.н., профессор
1. Введение
Несмотря на многолетние усилия энергетиков и ученых, гололедные аварии в электрических сетях многих энергосистем по-прежнему вызывают наиболее тяжелые последствия и периодически дезорганизуют электроснабжение регионов страны.
Борьба с обледенением проводов ЛЭП осуществляется 3 методами:
1 –механический; 2 – физико-химический; 3 – электромеханический.
1) Механический способ
Механический способ заключается в применении специальных приспособлений, которыми производится сбивание льда с проводов. Самый простой способ механического удаления гололеда – сбивание при помощи длинных шестов. Обивка осуществляется боковыми ударами, вызывающие волнообразное колебание провода. Но этот способ требует доступа к ЛЭП, что нарушает нормальную работу участка. К тому же механическое воздействие не препятствует обледенению, а устраняет его.
https://pandia.ru/text/80/410/images/image006_24.jpg" align="left" width="292" height="271 src=">
Удаление гололеда с проводов шестами практически неосуществимо без большого количества рабочих. Этот метод требует много времени и применяется только на коротких участках линий, из-за чего в большинстве случаев признается нецелесообразным. Поэтому в настоящее время наиболее распространенным способом борьбы с гололедом на проводах ЛЭП является плавка гололеда переменным или постоянным током большой величины в течение продолжительного периода времени (около100 минут и более). При этом расходуется значительное количество энергии и требуется отключение линии от потребителей на длительный срок.
2) Электротермический способ
Электротермический способы удаления льда заключаются в нагреве проводов электрическим током, обеспечивающим предотвращение образования льда – профилактический подогрев или его плавку.
Профилактический подогрев проводов заключается в искусственном повышении тока в сети ЛЭП до такой величины, при которой провода нагреваются до температуры выше 0°С. При такой температуре гололед на проводах не откладывается. Профилактический подогрев необходимо начинать до образования гололеда. При профилактическом подогреве следует применять такие схемы питания, которые не требуют отключения потребителей.
Плавка гололеда на проводах осуществляется при уже образовавшемся гололеде путем искусственного повышения тока сети ЛЭП. Провода нагревают постоянным или переменным током частотой 50 Гц до температуры 100-130°С. Сделать это проще, замкнув накоротко два провода, при этом от сети приходится отключать всех потребителей.
Плавка гололеда переменным током применяется только на линиях с напряжением ниже 220 кВ с проводами сечением меньше, чем 240 мм2. Для ВЛ напряжением 220 кВ и выше с проводами сечений 240 мм2 и более плавка гололеда переменным током требует значительно больших мощностей источника питания.
Преимущество этого метода, это то что он снижает энергозатраты. Однако к недостаткам такого метода можно отнести следующее: необходимость постоянного подогрева проводов для предотвращения гололедообразования, высокая стоимость источников высокочастотного тока необходимой мощности.
3) Физико-химический метод
Физико-химический способ в отличие от других предотвращает появления обледенения проводов. Полученные результаты позволяют говорить о новом физико-химическом методе в борьбе с обледенением проводов ЛЭП, эффективность которого существенно превышает возможности традиционных методов. Также этот метод не требует каких либо больших экономических затрат. Поэтому он является более перспективным. Единственным недостатком физико-химического метода является то, что срок действия таких жидкостей недолог, а регулярно наносить их на сотни и тысячи километров проводов нереально.
4) Замена проводов.
Метод заключается в том, чтобы не изобретать никаких второстепенных приборов для очистки проводов ото льда, а создать новые высокотехнологичные провода. Эти провода должны выполнять следующие требования:
Увеличить пропускную способность существующих линии;
Снизить механические нагрузки, прикладываемые к опорам ЛЭП, из-за пляски проводов;
Повышение коррозионной стойкости проводов и тросов;
Снижение риска обрыва провода при частичном повреждении нескольких внешних проволок из-за внешних воздействий, в том числе в результате удара молнии;
Улучшение механических свойств проводов при налипании снега или образовании льда
Для этого, внешние слои провода нужно выполнять из таких проводников которые будут плотно прилегать друг к другу.
Таким образом, за счет более плотной скрутки проводников и более гладкой внешней поверхности возможно использование более тонких и более легких проводов. Это, в свою очередь приводит к снижению электрических потерь в проводах на 10 – 15 %, в том числе потери на корону, и повышению механической прочности конструкции. Также, благодаря плотной скрутке практически исключается проникновение во внутренние слои воды и загрязнений, следовательно снижается коррозия внутренних слоев провода.
3. Заключение
Из-за неэффективности механического и физико-химического метода на больших расстояниях, то об экономической стороне, говорить не будем.
В данный момент, образовавшийся гололёд на проводах очищают подогревом. Это не является самым дешевым способом, так как этот способ требует мощных и дорогих источников питания. Таким образом, плавка гололёда током - довольно неудобное, сложное, опасное и дорогостоящее мероприятие. Кроме того, очищенные провода при сохранившихся климатических условиях вновь обрастают льдом, который требуется плавить снова и снова.
Следует отметить, что плавка гололеда должна проводиться в районах интенсивного гололедообразования с частой пляской проводов. В других случаях применение плавки гололеда должно обосновываться технико-экономическими расчетами.
Срок эксплуатации проводов составляет 45 лет. Нужно переходить на новые высокотехнологичные провода. Зарубежные провода стоят очень дорого, стоимость в 10 раз превышает стоимость проводов АС. Предлагается разработать отечественные высокотехнологичные провода и начать заменять старые на новые.
Список используемой литературы
1. Способ удаления обледенения с проводов линий электропередач / , : пат. 2442256 C1 Росс. Федерация, МПК H 02 G 7/16.; № 000/07 ; заявл. 29.10.2010 ; опубл. 10.02.2012, Бюл. № 4. 4с.: ил.
2. , Емельянов борьбы с обледенением ЛЭП: перспективы и преимущества новых супергидрофобных покрытий. //Журнал ЭЛЕКТРО № 6/2011. http://www. ess. ru/.
3. Дьяков и ликвидация гололедных аварий в электрических сетях. Пятигорск: Изд-во РП «Южэнерготехнадзор», 2000. 284 с.
4. Абжанов P. C. Исследование осаждения аэрозолей применительно к процессу гололедообразования на проводам ЛЭП / Дис. канд. техн. наук Алма - Ата,1973.
5. , К вопросу о борьбе с гололедным образованием на проводах линий электропередач // Научн. Тр. ЧИМЗСХ – Челябинск, 1973, вып.83, с.34-36.
6. , АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА УДАЛЕНИЯ ЛЬДА С ПРОВОДОВ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ
Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в предотвращении образования льда на проводах линий электропередачи без необходимости отключения линии на обслуживание. Способ заключается в соединении двойных проводов линии электропередачи, подключенных к одной фазе, упругими перемычками, например, пружинами, обеспечивающими механические колебания проводов при штатных параметрах протекающего через них электрического тока. В штатном режиме работы линии электропередачи при прохождении переменного тока, соединенные пружиной пары проводов одной фазы постоянно, совершают колебательные движения, что обеспечивает непрерывное стряхивание с них капель влаги и снега и тем самым предотвращает обледенение. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Рисунки к патенту РФ 2474939
Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано при эксплуатации линий электропередачи переменного тока. Известны механические , электрические и химические способы удаления льда с проводов линий электропередачи.
Механические способы заключаются в применении специальных приспособлений, обеспечивающих удаление льда с проводов. Недостатком таких устройств является низкая производительность и возможность повреждения и деформации проводов в процессе удаления гололеда, что приводит к обрывам сети и сопровождается ускоренным износом проводов.
Химические способы заключаются в нанесении на провода специальных веществ, предотвращающих образование льда или обеспечивающих его разрушение. Процесс нанесения характеризуется большой трудоемкостью. Кроме того, такие вещества недолговечны, поэтому в течение всего гололедного сезона нуждаются в периодическом обновлении.
Электрические способы удаления льда заключаются в нагреве или встряхивании проводов импульсами тока, обеспечивающими плавку льда или предотвращение его образования.
В качестве прототипа выбран способ удаления гололеда с проводов контактной сети и линий электропередачи, заключающийся в пропускании по двойным или кратным проводам линии электропередачи переменного тока или импульсов тока с частотой, близкой к их механическому резонансу . Возникающие при этом механические колебания проводов обеспечивают удаление с них влаги и льда. Недостатками этого способа являются:
Необходимость отключения линии электропередачи на обслуживание в связи с тем, что параметры тока, требуемые для обеспечения механического резонанса проводов, могут существенно отличаться от стандартного тока;
Необходимость во вспомогательном источнике импульсного или переменного тока с настройкой частоты импульсов на частоту резонанса проводов;
Необходимость использования выездных бригад для доставки оборудования к местам обледенения, что может быть связано со значительными издержками при работе в труднодоступных районах и в условиях интенсивного гололедообразования;
Невозможность частого применения данного способа требует увеличения мощности импульсов тока, встряхивающих провода, что может приводить к механическому повреждению и разрыву проводов.
Целью изобретения является предотвращение образования льда на проводах линий электропередачи в штатном режиме их работы без необходимости отключения на обслуживание.
Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом способе пары проводов линии электропередачи, подключенные к одной фазе, соединяются упругими перемычками, например, пружинами, параметры которых подобраны таким образом, чтобы обеспечить непрерывные механические колебания проводов при штатных параметрах тока, проходящего через линию электропередачи. Схема расположения проводов и перемычек приведена на фиг.1.
Способ предотвращения обледенения представлен на фиг.2 и заключается в том, что в штатном режиме работы линии электропередачи при прохождении переменного тока соединенные упругими перемычками пары проводов одной фазы постоянно совершают колебательные движения, отталкиваясь под действием силы упругости перемычки F У и притягиваясь под действием силы Лоренца F Л:
,
где d - расстояние между проводами; I 1 , I 2 - сила тока в проводах; µ, µ 0 - магнитная проницаемость среды и вакуума; l - длина проводов .
Непрерывная вибрация проводов приводит к стряхиванию с них капель воды, снега и льда и тем самым предотвращает обледенение, а также приводит к раскалыванию ледяной корки при ее образовании.
Таким образом, в штатном режиме работы линии электропередачи ликвидируются причины обледенения проводов, а не его последствия, что избавляет от необходимости отключения на обслуживание, снижает требуемые затраты ресурсов и энергии.
Источники информации
1. Устройство для удаления гололедных отложений. МКИ H02G 7/16. А.С. № 957332, 07.09.1982.
2. Встряхиватель проводов. МПК H02G 7/16. Российская Федерация, пат. № 2318279, 20.06.2006.
3. Линия электропередачи. МПК H02G 7/16. Российская Федерация, пат. № 2076418, 27.03.1997.
4. Способ удаления гололеда с проводов контактной сети и линий электропередачи. МПК H02G 7/16, В60М 1/12. Российская Федерация, пат. № 2166826, 27.04.2001.
5. Устройство для предотвращения образования гололеда на воздушной линии. МПК H02G 7/16. Российская Федерация, пат. № 2316866, 10.02.2008.
6. Способ и устройство для борьбы с гололедом на линиях электропередачи. МПК H02G 7/16. Российская Федерация, пат. № 2356148, 20.05.2009.
7. Высоковольтная сеть. МПК H02G 7/16, H02J 3/18. Российская Федерация, пат. № 2365011, 20.08.2009.
8. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. - М.: Наука, 1976.
9. Марквардт К.Г. Контактная сеть. - М.: Транспорт, 1994.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ предотвращения обледенения проводов воздушных линий электропередачи переменного тока, заключающийся в пропускании переменного тока по двойным или кратным проводам линии электропередачи, отличающийся тем, что провода, подключенные к одной фазе, соединены упругими перемычками, обеспечивающими механические колебания проводов при штатных параметрах протекающего через них электрического тока.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пропускаемый электрический ток имеет штатные параметры, что обеспечивает непрерывность процесса удаления с проводов капель воды, снега и льда.
Поскольку эффективная эксплуатация ветроэнергетических установок возможна лишь там, где дуют сильные и постоянные ветры, в Европе крупные ветропарки сосредоточены, главным образом, на севере и северо-западе континента. Ветры там, действительно, вполне подходящие. А вот климат - не очень-то.
Суровые зимы, столь характерные для Скандинавии, создают весьма серьезную проблему - обледенение лопастей. А оно чревато сразу несколькими неприятностями, говорит шведский метеоролог Стефан Сёдерберг (Stefan Söderberg), научный сотрудник компании Weathertech в Упсале: "Когда на лопастях образуется ледяная корка, их аэродинамические характеристики заметно ухудшаются - точно так же, как это иногда происходит с самолетами. В результате производительность ветроэнергетической установки падает. Это - во-первых. Во-вторых, наледь нарушает балансировку ветроколеса, что приводит к повышенному износу подшипников и ветрогенератора в целом. Ну и наконец, нельзя не учитывать опасности, связанные с тем, что куски льда с концов вращающихся лопастей могут срываться и разлетаться на значительные расстояния".
Оптимальную систему выберет компьютер
С такого рода неприятностями эксплуатационники сталкиваются на севере Европы изо дня в день каждую зиму. Понятно, что инженерная мысль все это время не дремала, а разрабатывала различные технические решения проблемы обледенения лопастей. Собственно, решений этих не так уж много, вопрос лишь в том, какое из них наиболее эффективно в тех или иных конкретных условиях эксплуатации. Отвечать на него до сих пор приходилось интуитивно, то есть практически наобум.
Теперь же Стефан Сёдерберг совместно с группой коллег разработали компьютерную модель, позволяющую виртуально испытывать разные стратегии борьбы с обледенением лопастей ветросиловых установок и выбирать оптимальную для каждого отдельного ветропарка. Ученый поясняет: "И системы устранения обледенения, и системы предотвращения обледенения состоят, как правило, из трех компонентов: детектора, блока управления и собственно нагревательной системы. В системах устранения обледенения отопление лопастей включается, как только детектор зарегистрирует образование наледи. В системах же предотвращения обледенения отопление включается в тот момент, когда погодные условия делают образование наледи вероятным, то есть не дожидаясь формирования реальной ледяной корки".
Вертолет - средство дорогое, но эффективное
Все это, конечно, замечательно, но как быть, если ветроэнергетические установки вообще не оборудованы системой подогрева лопастей - а таких пока большинство? По крайней мере, на севере Швеции многие сотни ветряков не имеют встроенных систем борьбы с обледенением. Для таких случаев весьма интересную идею выдвинул Ханс Едда (Hans Gedda), инженер консалтинговой фирмы H Gedda Consulting в Будене.
Контекст
Он предложил бороться с обледенением ветроколес с помощью вертолета. Конечно, это удовольствие, прямо скажем, недешевое, но при определенных условиях может себя окупить, считает автор необычной идеи: "Если вы ожидаете в ближайшие дни оптимальных погодных условий, то есть сильного и устойчивого ветра, а ваши ветрогенераторы из-за обледенения отключены и не могут производить электроэнергию, то освободить их ото льда, пусть даже и с вертолета, имеет прямой смысл".
Лопасти опрыскиваются горячей противообледенительной жидкостью не все сразу, а по очереди одна за другой. Подвергаемая этой процедуре лопасть всегда должна быть направлена вертикально вниз, то есть после завершения обработки одной лопасти ветроколесо следует провернуть так, чтобы следующая лопасть заняла такое же положение. Это обязательно и очень важно, подчеркивает Ханс Едда, иначе куски подтаявшего льда, сорвавшись с большой высоты, могут при падении повредить остальные лопасти или ступицу.
Обледенение - явление почти повсеместное
"Мы надеемся, что вся эта процедура в целом займет не более двух часов, иначе она обойдется слишком дорого, - говорит инженер. - Но если потом освобожденные ото льда установки проработают при хорошем ветре минимум двое суток, этого будет достаточно, чтобы эта вертолетная операция себя окупила".
Там, где борьба с обледенением ветрогенераторов не ведется, среднегодовые потери - вернее, среднегодовая упущенная прибыль, - составляет от пяти до десяти процентов, а в некоторых регионах достигает 20 процентов.
Причем эта проблема касается не только Скандинавии, - говорит Стефан Сёдерберг: "Обледенение имеет место во многих регионах мира - практически повсюду, где зимой идет снег. Все, что нужно для этого эффекта - температура ниже нуля и высокая влажность воздуха. А переохлажденная вода может присутствовать в атмосфере при температурах до минус двадцати градусов. То есть вероятность обледенения лопастей ветроустановок высока и в Германии. Когда я еще только начинал заниматься этой тематикой, речь всегда шла лишь о регионах с очень суровым климатом - вроде Скандинавии. Действительно, здесь у нас в Швеции, как и в Норвегии, и в Дании, - зимы очень холодные. Но обледенение-то может возникать и при температурах лишь незначительно ниже нуля".
Тем не менее, в Германии, похоже, этим вопросом пока всерьез никто не озаботился. А потому здесь, в отличие от Скандинавии, при первых же признаках обледенения лопастей ветрогенераторы положено просто отключать. Системой же подогрева и вовсе оборудована одна-единственная ветроустановка - на всю страну.
В статье «Высокая энергия» («ПМ» № 9"2015) упоминается борьба с обледенением проводов ЛЭП. Чтобы нагреть провода с помощью переменного тока, требуются большие энергозатраты, экономически это невыгодно. Поэтому в этих целях применяется постоянный электрический ток. Однако для ЛЭП с низким значением напряжения (менее 220 кВ), с учетом системы энергоснабжения и технических характеристик, вполне возможно использование и переменного тока. Предупредительные меры заключаются в профилактическом подогреве проводов для предотвращения их обледенения. С помощью специальных трансформаторов в кольцевой системе создаются дополнительные контурные токи, что позволяет нагревать провода и предотвратить образование льда. Замечательно то, что здесь не требуется отключения энергии, как в случае с использованием постоянного тока, и таким образом обеспечивается бесперебойная работа сети. Алексей Грунёв
Разговор сквозь землю
В статье «На пути к миелофону» («ПМ» № 8"2015) в качестве примера применения ферримагнетика приводится его использование для обмена данными с электроникой буровых «снарядов». Стоит уточнить, что речь идет о так называемых телеметрических системах, предназначенных для сбора данных с глубины при бурении и передачи информации на поверхность, например для управления головкой бура, а также для оперативного принятия решения об изменении режима бурения. Ферримагнетики действительно могут найти применение, но если удастся выделить полезный сигнал на фоне очень высокого уровня шума. Но в современных телесистемах скорость передачи данных по гидравлическому каналу связи на основе гармонической волны может доходить до 10 бит/с, хотя чаще всего она ограничена 4 бит/с для экономии энергии батарей. Наряду с беспроводными каналами связи, такими как гидравлический, применяют и проводной, и электромагнитный, и акустический, хотя они имеют ряд ограничений. Кирилл ТрухановЦарь — не настоящий!
На обложке «ПМ» № 9"2015 изображен авианосец и самолет Т-50, но в самой статье «Атомный царь-корабль» на фото, подписанном ПАК ФА, F-22 Raptor. Самолеты эти действительно похожи в ракурсе с носовой части, однако есть одна существенная деталь, которая позволяет легко и быстро различить эти два летательных аппарата. Двигатели F-22 расположены параллельно друг другу и на небольшом расстоянии, тогда как двигатели Т-50 — под существенным углом друг относительно друга, а между ними помещается хвостовая оконечность — «бобровый хвост», где размещен тормозной парашют. Евгений КунашовПМ: Просим прощения у всех наших читателей за техническую ошибку, которая привела к размещению неправильной иллюстрации.
Родственные связи
В статье «Куда спешить джентльмену» («ПМ» № 8"2015) сказано, что технологии достались носителю английских традиций от «нынешнего немецкого родителя BMW». BMW действительно с недавнего времени стал материнской компанией Rolls-Royce, но назвать его родителем не совсем корректно. Геннадий ДрейгерПМ: До 1998 года компания Rolls-Royce Motors принадлежала концерну Vickers. В 1998-м концерн продал компании VW всё, кроме права на использование марки Rolls-Royce. Марка же была передана BMW, где и разработали новые машины и построили новый завод. Так что BMW — именно родитель, от которого Rolls-Royce достались двигатель, электроника и детали подвески от седьмой серии.
