Автоматизированная система удаления льда с проводов ЛЭП Сухоруков Сергей Иванович

Содержание к диссертации

Введение

1 Анализ способов, устройств и систем удаления льда с проводов и их классификация 12

1.1 Анализ способов удаления льда с проводов 14

1.1.1 Механическая очистка проводов 14

1.1.2 Плавка гололеда токами короткого замыкания 15

1.1.3 Плавка гололеда высокочастотными токами 17

1.1.4 Использование токов нагрузки для нагрева 19

1.1.5 Применение специальных проводов 21

1.2 Анализ существующих устройств удаления льда с проводов 26

1.2.1 Устройства для плавки гололеда 26

1.2.1.1 Неуправляемые выпрямители для плавки гололеда 26

1.2.1.2 Управляемые выпрямители для плавки гололеда 27

1.2.2 Устройства для механического удаления льда 28

1.3 Анализ существующих систем мониторинга и удаления льда с проводов ЛЭП 33

1.4 Классификация средств борьбы с гололедом на проводах ЛЭП 35

1.5 Выводы по главе 38

2 Разработка новых способов и устройств удаления льда с проводов 40

2.1 Разработка способов удаления льда с проводов 40

2.2 Усовершенствование конструкций локальных устройств удаления льда с проводов

2.2.1 Электромеханическое устройство на основе линейного двигателя 46

2.2.2 Комбинированные устройства 51

2.3 Выводы по главе 57

3 Разработка математического описания процесса удаления льда 58

3.1 Оценка основных параметров разрушения льда на проводах ЛЭП 58

3.1.1 Оценка параметров разрушения ледяного покрова на проводах ЛЭП 69

3.2 Разработка математического описания процесса удаления льда при учете комбинированного воздействия 72

3.2.1 Подпроцесс расплавления внутреннего слоя ледяного покрытия 72

3.2.2 Подпроцесс разлома 75

3.2.3 Подпроцесс стряхивания 78

3.2.4 Математическая модель процесса удаления льда при учете комбинированного воздействия 79

3.3 Выводы по главе 93

4 Разработка прогнозирующего модуля для автоматизированной системы удаления гололеда с проводов ЛЭП 94

4.1 Разработка математического описания процесса образования льда 94

4.2 Разработка прогнозирующего модуля процесса образования льда 103

4.3 Разработка обобщенного алгоритма управления автоматизированной системой удаления льда с проводов ЛЭП 112

4.4 Выводы по главе 113

5 Разработка и описание экспериментальной установки и результаты исследования 115

5.1 Разработка экспериментальной установки 115

5.2 Экспериментальное исследование

5.2.1 Методика проведения эксперимента 121

5.2.2 Результаты экспериментального исследования 124

5.2.3 Обработка результатов эксперимента 1 5.3 Сравнение теоретических и экспериментальных результатов 133

5.4 Учет неравномерности распределения массы гололеда вдоль пролета 137

5.5 Выводы по главе 141

Заключение 142

Список литературы

• Анализ существующих устройств удаления льда с проводов
• Усовершенствование конструкций локальных устройств удаления льда с проводов
• Разработка математического описания процесса удаления льда при учете комбинированного воздействия
• Разработка прогнозирующего модуля процесса образования льда

Введение к работе

Актуальность темы исследования. В настоящее время для передачи энергии на большие расстояния из-за относительно небольшой стоимости широко применяют воздушные линии электропередачи (ЛЭП). Значительную проблему при эксплуатации ЛЭП представляют аварийные ситуации, связанные с обледенением проводов и прочих конструкций ЛЭП. Гололед образуется при низких температурах и высокой влажности воздуха, преимущественно в зимний период. Однако образование гололеда на проводах и иных конструкциях ЛЭП может происходить и в осенне-весенний период.

Наличие гололеда на проводах обуславливает возникновение дополнительных механических нагрузок на все конструктивные элементы линии. При значительных гололедных отложениях, превышающих нормативные значения, происходят обрывы проводов, тросов, разрушения арматуры, изоляторов и даже опор воздушных линий. Неравномерность отложения льда на фазных проводах, приводящая к различным значениям стрел провеса, а также неодновременный сброс гололеда при его таянии, вызывающий «подскок» отдельных проводов, приводят к перекрытию воздушной изоляции. Гололед также является одной из причин «пляски» проводов, способной привести к их схлестыванию.

При возникновении таких аварийных ситуаций энергокомпании несут крупные убытки, связанные с восстановлением поврежденных участков ЛЭП и с недоотпуском энергии потребителям, нарушается непрерывность энергоснабжения как простых жителей, так и социально-значимых объектов и промышленных предприятий. Среднее время ликвидации гололедных аварий превышает среднее время ликвидации аварий, вызванных другими причинами, в 10 и более раз.

Кроме того, применяемые на сегодня способы и устройства для борьбы с гололедом на проводах ЛЭП отличаются относительно невысокой энергоэффективностью, необходимостью длительного отключения линии, а также не позволяют заблаговременно прогнозировать процесс гололедообразования.

Все это подчеркивает важность и актуальность задачи разработки различных способов, устройств и систем, направленных на предотвращение аварий, вызванных образованием гололеда на проводах ЛЭП. Особенно следует отметить необходимость комплексного системного подхода к проблеме – начиная с прогнозирования и мониторинга гололедной ситуации на ЛЭП, и заканчивая проведением очистки линии от уже образовавшегося льда.

Степень разработанности темы исследования. Вопросам исследования процесса гололедообразования и борьбы с гололедом на ЛЭП посвящено большое количество научных публикаций. Исследованием процесса гололедообразования и разработкой средств борьбы со льдом на проводах ЛЭП занимались как отече-

ственные ученые, такие как Бургсдорф В.В., Глухов В.Г., Банников Ю.И., Николаев Н.Я., Нейман А.А., Каганов В.И., Исмагилов Ф.Р. и др., так и зарубежные (Davidson C.C., Granger M., Farzaneh M., Leblond A., Luther M.B., Varrenti A.R., Taflove A.).

Средства борьбы с гололедом на проводах ЛЭП прошли значительный путь развития от примитивного ручного сбивания льда до первых попыток создания крупных автоматизированных систем мониторинга состояния ЛЭП в масштабах целых сетей. Сегодня во всем мире целым рядом компаний и организаций активно ведутся исследования и разработка новых способов и устройств для борьбы со льдом на линиях электропередач, повышающих надежность, эффективность и эксплуатационные характеристики существующих средств.

В настоящее время из всех имеющихся разработок самым массовым и практически единственным применяемым способом борьбы с гололедом стала плавка гололеда постоянным током большой величины. При этом затрачивается большое количество энергии и необходимо отключение линии на длительный срок (порядка 60-100 минут).

Цель работы – разработка и исследование новых способов и устройств удаления гололеда с проводов ЛЭП, обладающих повышенной надежностью и снижающих энергозатраты на очистку, а также автоматизированной системы, производящей мониторинг состояния линии, прогнозирование процесса гололедообра-зования и очистку проводов от образующегося льда.

Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы и решены следующие задачи:

1. анализ известных исследований и разработок в области борьбы с гололедом на проводах ЛЭП;

2. разработка классификации средств борьбы с гололедом;

3. разработка нового способа удаления гололеда с улучшенными энергетическими характеристиками;

4. разработка ряда новых локальных устройств для удаления гололеда с проводов ЛЭП;

5. разработка математического описания и математической модели процессов, происходящих при удалении гололеда предложенным способом с учетом только механических факторов;

6. разработка математического описания и математической модели процессов, происходящих при удалении гололеда предложенным способом с учетом комбинированного воздействия;

7. проведение исследований на разработанных математических моделях;

8. разработка экспериментальной установки и проведение эксперименталь-

ного исследования предложенного способа;

9) разработка компонентов автоматизированной системы удаления гололе
да;

10) исследование влияния неравномерности распределения образовавшегося
льда вдоль пролета на параметры процесса его удаления.

Тематика работы соответствует следующим пунктам паспорта специальности 05.09.03:

9. Развитие общей теории электротехнических комплексов и систем, изучение системных свойств и связей, физическое, математическое, имитационное и компьютерное моделирование компонентов электротехнических комплексов и систем.

10. Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления.

11. Исследование работоспособности и качества функционирования электротехнических комплексов и систем в различных режимах, при разнообразных внешних воздействиях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

12. на основе проведенного анализа существующих способов, устройств и систем удаления гололеда разработана новая классификация средств борьбы с гололедом на проводах ЛЭП;

13. разработан новый способ удаления гололеда, основанный на комбинированном электродинамическом воздействии на ледяной покров. Предложенный способ позволит резко сократить время проведения очистки и снизить затраты энергии на очистку;

14. разработан ряд новых локальных устройств удаления гололеда, обеспечивающих повышение качества и надежности очистки проводов, для применения в случаях, когда использование массовых подходов (плавка, электродинамический способ) по тем или иным причинам невозможно;

15. разработаны математические описания и математические модели процессов, происходящих при удалении гололеда электродинамическим способом, с учетом как чисто механических факторов, так и с учетом комбинированного воздействия, и получены результаты численных экспериментов на разработанных моделях. На основании проведенного экспериментального исследования доказана адекватность разработанных моделей;

16. разработан модуль прогнозирования гололедообразования с элементами искусственного интеллекта, позволяющий определять тип образующегося при данных погодных условиях льда, интенсивность его образования и общую массу

образовавшегося льда, а также учитывающий изменяющиеся в процессе параметры линии.

Теоретическая и практическая значимость работы:

17. предложены и запатентованы новый способ удаления гололеда с проводов ЛЭП и ряд локальных устройств для удаления гололеда;

18. разработано математическое описание и математическая модель процесса колебания провода под действием периодической вынуждающей нагрузки (силы Ампера), позволяющая определять граничные сочетания параметров воздействия, при которых происходит разрушения льда, допустимую рабочую область, в которой не происходит аварийных ситуаций, а также – параметры импульсов, обеспечивающие минимум энергозатрат;

19. разработано математическое описание и математическая модель процесса удаления льда при применении предложенного электродинамического способа, учитывающая комбинированное (механическое и тепловое) воздействие на лед;

20. предложено техническое решение управляемого источника тока для реализации очистки проводов электродинамическим способом, на основании которого создана и испытана экспериментальная установка;

21. проработан один из вариантов общего вида структуры автоматизированной системы удаления льда с проводов ЛЭП;

22. разработан обобщенный алгоритм управления автоматизированной системой удаления льда с проводов ЛЭП;

23. на основании проведенного экспериментального исследования предложена методика учета влияния неравномерности распределения массы гололеда вдоль провода на необходимые параметры импульсов тока.

Методология и методы исследования:

Научные исследования, проведенные в рамках диссертационной работы, основывались на применении методов теории электротехники, теории дифференциальных уравнений, теории механических колебаний, аппарат нечеткой логики. При решении задач исследования использовались методы численного математического моделирования в среде Matlab и Matlab/Simulink. Экспериментальные исследования проводились на изготовленной автором экспериментальной установке.

Достоверность полученных результатов. Основные научные положения и выводы основываются на фундаментальных положениях общей теории электротехники, математики, теории колебаний, и подтверждаются соответствием результатов теоретических исследований и результатов, полученных экспериментальным путем.

Положения, выносимые на защиту:

24. новый способ удаления гололеда с проводов ЛЭП, основанный на комбинированном электродинамическом воздействии;

25. математические описания и математические модели процессов, происходящих при удалении гололеда с применением предложенного электродинамического способа;

26. техническая проработка ряда новых локальных устройств для удаления гололеда с проводов ЛЭП, основанных на различных комбинациях воздействий;

27. модуль прогнозирования гололедообразования, позволяющий определять тип образующегося льда, интенсивность образования и учитывать изменение параметров поверхности в процессе образования.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: IV Международный студенческий научный форум (февраль 2012 г.); Дальневосточный молодежный образовательный форум «Саха-Селигер 2012» (г. Якутск, 2012 г.); XV Краевой конкурс молодых ученых и аспирантов (г. Хабаровск, 2013 г.); Всероссийская заочная научно-практическая конференция «Математическое моделирование физических и информационных процессов» (г. Биробиджан, 2012 г.); Международная научно-техническая конференция «Инновационные материалы и технологии: Достижения. Проблемы. Решения.» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2013 г.); Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР – 2013» (г. Томск, 2013 г.); Международный научный интернет-симпозиум «Наука в жизни современного человека» (г. Одесса, 2013 г.); Конкурс научно-исследовательских работ аспирантов и молодых ученых ФГБОУ ВПО «КнАГТУ» (г. Комсомольск-на-Амуре, октябрь 2013 г., апрель 2014 г., октябрь 2014 г.); Международная конференция «Современные направления теоретических и прикладных исследований - 2014» (г. Одесса, 2014 г.); Региональная научно-практическая конференция «Актуальные вопросы энергетики Дальнего Востока» (г. Южно-Сахалинск, 2014 г.); Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2014» (г. Томск, 2014 г.); II международный молодежный форум «Интеллектуальные энергосистемы» (г. Томск, 2014 г.); XVII Краевой конкурс молодых ученых и аспирантов (г. Хабаровск, 2015 г.).

Реализация работы осуществлена на базе кафедры Электропривода и автоматизации промышленных установок ФГБОУ ВО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» при поддержке гранта программы У.М.Н.И.К. и стипендии Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики. Резуль-

таты работы в виде технической документации и методик проектирования переданы в ООО «Распределительные электрические сети», в виде программно-аппаратного модуля прогнозирования гололедообразования в МУП «Электросеть», а также внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВО «КнАГТУ». О внедрении материалов работы на указанных предприятиях имеются соответствующие акты, приведенные в Приложении 7 диссертационной работы.

Публикации. По результатам работы было опубликовано 29 работ, из них 4 - в изданиях из перечня ВАК, одна монография, 10 патентов на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 164 страницах машинописного текста, списка литературы из 138 наименований и 7 приложений. В работе содержится 71 рисунок и 9 таблиц.

Автор выражает благодарность научному руководителю, заведующему кафедрой «Электропривод и автоматизация промышленных установок» Комсомоль-ского-на-Амуре государственного технического университета, доктору технических наук, профессору Соловьеву Вячеславу Алексеевичу и главному научному сотруднику лаборатории механики деформирования Института машиноведения и металлургии ДВО РАН, доктору технических наук, профессору Козину Виктору Михайловичу за научные консультации, поддержку и помощь при работе над диссертацией.

Анализ существующих устройств удаления льда с проводов

В качестве пассивной меры борьбы с гололедом на проводах линий электропередач, в районах с небольшим намерзанием льда, могут использоваться различные провода повышенной прочности. Повышение прочностных характеристик современных проводов происходит, в основном, за счет применения новых композитных материалов. Такие провода выдерживают большие нагрузки, по сравнению со стандартным сталь-алюминиевым проводом, и могут без фатальных последствий выдерживать образующийся на них гололед. Однако следует помнить, что прочность таких проводов не бесконечна, вследствие чего применение таких проводов в регионах с интенсивным гололедообразованием может быть неэффективным, а иногда даже и невозможным [43].

Одним из наиболее известных типов проводов повышенной прочности являются провода и кабели с несущим сердечником из композитных материалов.

Как известно, стандартные стальные сердечники могут перегреться в условиях пиковых электрических нагрузок, что приводит к растяжению провода и провисанию его ниже допустимой нормы. В противоположность этому, провод с сердечником из композитов обладает более низким коэффициентом термического расширения и поэтому они менее подвержены тепловому расширению, чем проводники со стальными сердечниками. Заменяя провод со стальным сердечником на провод с композитными материалами можно увеличить пропускную способность линий. Производители провода утверждают, что можно удвоить величину тока в линии без риска провисания и разрушения провода.

Учитывая основные свойства композитных материалов – высокое отношение прочности к весу и малая величина провисания, можно обеспечить увеличение длины пролетов между опорами, уменьшая количество опор в линии на 16 %. Реализация данного преимущества, очевидно, возможна только при проектировании и введении в строй новых линий электропередач. Реконструкция же старых ЛЭП связана со значительными затратами.

К данному типу проводов относятся провода АССС (Aluminum Conductor Composite Core) - Алюминиевый Проводниковый Провод с Композитным Сердечником компании Composite Technology Corp. s, который представляет собой набор алюминиевых проводов вокруг углеволоконного и стекловолоконного эпоксидного ядра и провода ACCR (Aluminum Conductor Composite Reinforced) -Алюминиевый Проводящий Композитный Усиленный провод. В проводах ACCR используется сердечник из металлокомпозита, в обертке из высокотемпературных алюминий-цирконидных (Al-Zr) проводов. Характерной особенностью этих проводов является то, что и конструкция и композитный сердечник, и наружные пучки AL-Zr вносят свой вклад в прочность кабеля и повышение проводимости [75].

Для оценки свойств провода АССС компания изготовитель проводила ряд испытаний. При испытании провод подвергали высоким напряжениям - сердечник размером 9,5 мм был испытан нагрузкой 18567 кг при температуре окружающей среды. В результате испытаний определилось, что кабельная система на проводах ACCC может непрерывно работать при 180 С и может выдерживать кратковременные скачки до 200 С, с провисанием всего лишь 10 % от величины провисания кабеля со стальным сердечником. В отличие от обычных проводников со стальным сердечником, которые имеют относительно высокий коэффициент тер 23 мического расширения, сердечник проводника ACCC стабилен по размерам с коэффициентом термического расширения 1,6 10-6 C-1 (у стали коэффициент термического расширения 11,5 10-6 C-1) [75].

Хотя стоимость провода ACCC за один километр приблизительно в три раза выше по сравнению с традиционными проводами, экономический эффект от их применения обеспечивает высокую окупаемость. В протяженной, многоцепной линии, провода с композитными сердечниками не только передают в два раза больше мощности по сравнению с проводом со стальным сердечником такого же веса и напряжения, но и позволяют длительное время выдерживать высокую температуру, предотвращая образование гололеда.

Практическим примером использования композитных проводов стала ВЛ протяженностью в 60 км в провинции Фуджиан, Китай. В случае применения обычного провода для реконструкции линии (с увеличением сечения провода) потребовалось бы заменить 150 опор, чтобы удерживать возросший вес. Использование ACCC кабеля позволило избежать замены всех опор, кроме семи штук, снижая материальные затраты и уменьшая полную стоимость проекта. Данных об эффективности реализации данного проекта пока нет.

В проводах повышенной прочности ACCR композитный сердечник состоит из волокна алюминиевой керамики высокой чистоты (оксид алюминия Al2O3). Каждый сердечник состоит из более чем 25000 сверхпрочных волокон Al2O3. Сердечники имеют диаметры от 1,9 мм до 2,9 мм, чтобы коррелировать со стандартными размерами стальных сердечников, в диапазоне от 21,84 мм до 28,19 мм.

Керамические волокна являются непрерывными, осевой ориентации, и полностью помещенными в алюминиевую матрицу. Провод является стандартным крученым проводом с оберткой, состоящей из непрерывных прядей Al-Zr, изготавливаемых с использование обычных методов кручения.

Наружные пряди Al-Zr являются термостойким сплавом, который позволяет непрерывно работать при 210 С, с пиковыми нагрузками до 240 С. Хотя и являющиеся традиционным алюминием, провода с композитным сердечником приблизительно в 9 раз прочнее алюминия и в 3 раза жестче. Сердечник вполовину легче соответствующего стального сердечника, обладает более высоким коэффициентом электропроводности, и имеет коэффициент теплового расширения вполовину меньше, чем у стали.

Применение проводов с композитными сердечниками позволяет повысить пропускную способность ВЛЭП, сократить затраты на реконструкцию и за счет более высокой проводимости композитного сердечника снизить электрические потери в ВЛ.

Для высоковольтных линий электропередач 110 – 1150 кВ электротехнические компании разработали и выставили на рынок новые высокотехнологичные провода. Эти провода, названные Aero-Z, отличаются от обычных проводов тем, что в них использованы проволоки с различной формой поперечного сечения – круглые во внутренних слоях провода и Z-образные во внешних слоях.

Особенность внутренних слоев провода Aero-Z является то, что в них могут использоваться проволоки не только из стали, но и из алюминиевых сплавов. Также, во внутренних слоях возможно использование полых проводников с размещенными в них оптическими волокнами для передачи информации и построения телекоммуникационных сетей.

Усовершенствование конструкций локальных устройств удаления льда с проводов

Несколько упростить конструкцию ранее описанных устройств можно избавившись от дополнительной камеры со вторым химическим реагентом, предназначенным для понижения температуры плавления льда. Роль элемента обеспечивающего начальный этап плавления льда возложить на простые элементы с высоким коэффициентом трения (9 на рис. 6 Приложения 1). Для более плотного контакта со льдом такие элементы следует выполнять на подпружиненной подвеске [91]. Схема такого устройства приведена на рисунке 6 Приложения 1.

В силу того, что процесс плавления льда при использовании такого решения происходит только в процессе движения устройства, то для создания первоначального импульса перемещения предлагается использовать дополнительный пороховой заряд (7 на рис. 6 Приложения 1) в камере сгорания. В начальный момент времени заряд воспламеняется от запальной свечи, вызывая перемещение устройства вдоль провода. В результате перемещения из-за высокого трения тонкий слой льда разогревается и расплавляется. Образовавшаяся вода вступает в химическую реакцию с карбидом кальция, образуя ацетилен. Энергия сгорания ацетилена направляется в дальнейшем на перемещение устройства и вращение фрезы, жестко закрепленной в корпусе.

Относительно «узким» узлом вышеописанного устройства является механический элемент, основанный на применении силы трения, для плавления льда, использование которого требует специальных материалов для изготовления и пускового импульса для перемещения за счет порохового заряда. При этом величина порохового заряда будет зависеть от эффективности расплавления льда перемещающимся по нему элементом с высоким коэффициентом трения. Практически длительность пускового импульса должна быть такой, чтобы устройство могло провернуться вокруг своей оси несколько раз. Уменьшить величину порохового заряда можно, если перейти на другой принцип предварительного расплавления льда – например, за счет его нагревания. На рисунке 7 Приложения 1 приведена схема возможного варианта реализации такого устройства [89]. В качестве устройства предварительного прогрева предложено использовать обычные рези-стивные нагревательные элементы (17 на рис. 7 Приложения 1). Использование таких нагревательных элементов требует наличия источника электрической энергии в составе устройства. В качестве такого источника в рассматриваемом решении предложено использовать пьезоэлементы (19 на рис. 7 Приложения 1). Пьезо-элементы устанавливаются в опорах подпружиненных роликов и не перекрывают канал для выхода продуктов горения. Для выработки энергии необходима периодическая деформация пьезоэлементов, поэтому корпус устройства должен быть выполнен несимметричным, то есть иметь дисбаланс относительно оси вращения. Фреза для удаления льда жестко закрепляется в корпусе, поэтому во время работы устройство будет совершать как поступательное движение вдоль провода и вращательное движение вокруг оси провода, так и поперечные колебания, вызванные дисбалансом массы. Таким образом, пьезоэлементы будут постоянно сжиматься и разжиматься, генерируя энергию для нагревателей. Для повышения нагрузочной способности можно использовать параллельное подключение пьезоэлементов.

При применении предложенной конструкции также необходим начальный импульс для перемещения устройства, поэтому в камере сгорания по-прежнему должен быть размещен пороховой заряд (8 на рис. 7 Приложения 1). Однако при таком подходе величина заряда может быть существенно снижена.

Наличие порохового заряда в структуре устройства требует соблюдения дополнительных мер по пожаро- и взрывобезопасности, а также периодической замены израсходованного заряда. Кроме того, сложность реализации источника электроэнергии на основе пьезоэлементов будет препятствовать практическому использованию вышеописанного устройства. Избавиться от указанных недостатков можно, если для источника подогрева использовать энергию, транспортируемую по проводам. Для преобразования передаваемой энергии в электроэнергию для нагревательных элементов предлагается использовать тороидальный трансформатор тока (8 на рис. 8 Приложения 1), монтируемый в задней части устройства между рядами подпружиненных роликов [93]. Конструктивное расположение основных элементов предлагаемого устройства приведено на рисунке 8 Приложения 1.

Использование такого подхода требует исполнения фрезы с возможностью свободного вращения внутри корпуса устройства, а также симметричного корпуса для предотвращения его поперечных колебаний.

Такой подход позволяет производить очистку даже при низких температурах, когда эффективность химического реагента минимальна.

1) Предложен и разработан новый способ удаления гололеда на проводах ЛЭП, использующий комбинированное электродинамическое воздействие. Реализация данного способа позволит снизить энергозатраты на проведение очистки проводов и сократить время проведения очистки.

2) Для случаев, когда массовая очистка проводов является нерациональной, предложено и запатентовано новое локальное электромеханическое устройство, обеспечивающее повышение качества очистки проводов на отдельных участках ЛЭП при снижении энергетических затрат на очистку. Предложенное устройство обладает повышенной надежностью и управляемостью по сравнению с существующими аналогами, а также не требует отключения потребителей на время проведения очистки.

3) С целью снижения затрат энергии и упрощения конструкции локальных устройств выполнен и запатентован ряд разработок по усовершенствованию конструкции локальных химико-механических устройств. Практическая реализация указанных устройств позволит расширить область использования локальных устройств для различных климатических условий и параметров гололедообразо-вания.

Разработка математического описания процесса удаления льда при учете комбинированного воздействия

Для упрощения решения задачи предположим, что ледяной цилиндр можно представить в виде квадратного сечения. Тогда изгибу будут подвержены пластины расположенные в верхней и нижней плоскостях цилиндра, а боковые будут испытывать только сжатие и растяжение. При этом верхняя пластина цилиндра под действием изгибающего момента будет испытывать в точке изгиба сжатие, а нижняя - растяжение. Приняв, что усилия, затрачиваемые на сжатие и растяжение боковых пластин цилиндра, существенно меньше усилий сжатия и растяжения нижней и верхней пластин цилиндра, и усилия сжатия и растяжения этих пластин одинаковы, то изгибающий момент ледяного цилиндра будет: Млц pJл g h lл 2. ц, (54) где 1л . ц - длина пластины разламываемого цилиндра, м. При известном предельном значении изгибающего момента (55) можно определить длину пластины разламываемого цилиндра 1л . ц (56). Мпр=аизг. прН2/6, (55) предел прочности льда на изгиб, Н/м2. изг.пр где CJи lл.ц \ Р л (56) Необходимо подчеркнуть, что Уизгпр зависит от температуры, при этом с понижением температуры стизгпр возрастает. Так, например, у морского льда при понижении температуры с -1,2 С до -4 С, предел прочности льда возрастает на пятьдесят процентов. В анализируемом случае изгибающий момент будет возникать за счет электродинамического воздействия, создаваемого силой Ампера. При этом, если принять во внимание соблюдение принципа независимости действия сил, то изгибающий момент будет представлять суммарное действие двух моментов: Mизг=MF+M1F1, (57) где MF - момент, обусловленный статическим действием возмущающей силы (58); M1F1 - составляющая момента, обусловленная действием силы инерции; М1- изгибающий момент единичной силы. F() = F sin(#), (58) где F - амплитудное значение силы Ампера, Н. Считая провода ЛЭП на периоде собственных колебаний параллельными друг другу, амплитудное значение силы Ампера можно определить как: F = 2fLар, (59) где / - длина участка параллельности проводов, м. Предположив, что точка расположения массы провода и точка приложения электродинамического воздействия совпадают, изгибающий момент можно определить через статическое усилие MF и динамический коэффициент кдин: Мизг = кдин Мр. (60) Динамический коэффициент определяется по формуле: дин=1 2, (61) 1- 2 где щ - круговая частота свободных колебаний провода (62), рад/с. К ж (62) СО0 = Рлин где рлин - линейная плотность провода, кг/м; Т0 - тяжение провода в центральной точке пролета [70], Н. С другой стороны статический момент MF можно выразить через произведение вынуждающей силы на плечо lF и, при условии, что колебания провода синусоидальны, длина волны колебаний Л составит: Л = 2 1Р. (63) Таким образом, при известных параметрах колебаний можно определить длину кусков разламываемого ледяного цилиндра и найти массу льда, подлежащего стряхиванию.

Подпроцесс стряхивания будет происходить под влиянием динамического воздействия. При синусоидальности колебаний провода смещение материальной точки участка провода определяется как: x = A cos(a)t + p), (64) где со - частота колебаний провода, рад/с; Р - фазовый сдвиг колебаний, рад. Ускорение при перемещении материальной точки можно найти по формуле (65), а силу, действующую на колеблющийся участок провода (материальную точку), по формуле (66): а = Аа 2 cos(аЯ + р + я), (65) Fв =(тфк+тфльда)А(о2 cos(Ш + (р+7і), (66) где тфльда - масса фрагмента льда, на который действует сила, кг; тф.к - масса фрагмента провода, на котором расположен фрагмент льда, кг. Амплитуду вынужденных колебаний материальной точки провода приблизительно можно оценить по выражению [128]: А= . Н (67) где /г - отношение амплитуды вынуждающей силы к массе (68); Р - коэффициент затухания колебаний. h = в . (68) тпр + тльда При р - 0 выражение (67) принимает вид: А-22. (69) Отрыв ледяного куска будет наблюдаться при условии, что Fв будет превышать вес этого куска, который может быть рассчитан по формуле: p = g Pjл l 7T b(d + b). (70)

Представленное математическое описание физических процессов удаления гололеда с проводов ЛЭП позволяет создать математическую модель процесса разрушения гололедных образований на проводах ЛЭП при электродинамическом воздействии.

Математическая модель процесса удаления льда при учете комбинированного воздействия

На основании полученного математического описания процесса удаления льда электродинамическим способом разработана математическая модель процесса удаления льда с проводов ЛЭП в среде Matlab Simulink, позволяющей производить инженерные и научные расчеты и имеющей гибкую систему настройки параметров расчета.

Основу структуры модели составляют четыре блока: блок задания исходных данных, в котором перед началом моделирования задаются основные значения, характеризующие исследуемый случай (длина пролета, тип провода, толщина слоя гололеда, основные константы и т.д.); блок расчета температурных параметров, в котором осуществляется расчет энергии, необходимой на нагрев и расплавление тонкого слоя льда на границе «провод-лед», и необходимая скважности импульсов, подаваемых в линию; блок расчета механических характеристик, в котором осуществляется расчет усилий, действующих на провод, длин откалываемых фрагментов ледяного цилиндра, а также собственная частота колебаний провода, натянутого в пролете; Управляемый генератор импульсов, моделирующий работу источника электродинамического воздействия с возможностью управления частотой и скважностью генерируемых импульсов.

Разработка прогнозирующего модуля процесса образования льда

Известен термодинамический способ мониторинга интенсивности гололе-дообразования [126], позволяющий определить условия, при которых происходит образование льда на поверхности провода. Согласно этому способу, под влажным воздухом понимается гетерогенная смесь, состоящая из сухого воздуха, водяного пара и находящихся во взвешенном состоянии капель воды. Способ заключается в следующем:

На основании известных данных о температуре и относительной влажности воздуха определяется значение точки росы. Точка росы – это значение температуры газа, при снижении до которой водяной пар, содержащийся в газе, охлаждаемом изобарически, становится насыщенным над плоской поверхностью провода, покрытого конденсирующейся влагой.

Для нахождения точки росы не требуется знать величину давления воздуха, так как давление воздуха вблизи поверхности провода принимается равным атмосферному давлению на уровне провода.

При замерзании на проводе сконденсировавшейся влаги дальнейший рост гололедной муфты происходит, в основном, за счет десублимации водяного пара при ударении о провод водяных капель. Точка десублимации - это значение температуры газа, при снижении до которой водяной пар, содержащийся в газе, охлаждаемом изобарически, становится насыщенным над плоской поверхностью покрытого льдом или голого провода.

Расчетное значение точки десублимации находится по формуле (72). где 9\ - расчетное значение точки десублимации, С. По значению 0\ определяется реальное значение точки десублимации 6t в соответствии с (73). щ, при в; 0 [0, при в\ 0 . Это условие необходимо учитывать, так как 6 . 0 не имеет физического смысла.

Для точного ответа на вопрос о наличии или отсутствии десублимации и конденсации на поверхности провода необходимо и достаточно знать температуру провода, а также относительную влажность и температуру воздуха. Точка с соответствующими координатами была названа точкой состояния.

Исходя из формул (71) и (72) был построен трехмерный график значений точки росы и точки десублимации (рисунок 31) [126].

График значений точки росы и точки десублимации при различных значениях температуры и относительной влажности воздуха На рисунке (31) приняты следующие обозначения: i - поверхность значений вi; а - поверхность значений вa; m - кривая пересечения поверхностей 6i и вa; поверхность нулевой температуры провода; p - кривая пересечения поверхностей вa и у/; со - вертикальная поверхность, проходящая через кривую p; r прямая, принадлежащая поверхности a, каждая точка которой соответствует влажности воздуха 100 %.

Точка состояния системы может находиться в любой из четырех отмеченных на графике областей: I, II, III или IV. Область I безопасна - в ней не происходит конденсации или десублимации влаги и, соответственно, образования гололеда не происходит. В областях II, III и IV происходит конденсация или десублима-ция, что приводит к образованию гололеда различного типа и плотности [71].

В результате была получена поверхность, описывающая верхнюю границу области, в пределах которой происходит процесс гололедообразования (рисунок 32). При нахождении точки состояния выше указанной границы гололедообразо Рисунок 32 – Верхняя граница области гололедообразования вания не происходит. Согласно термодинамическому способу, для надежного гололедообразова-ния необходимо, чтобы количество теплоты, выделяемое при протекании тока по проводу, не превышало количество теплоты, отдаваемой окружающему воздуху.

Полученная граница позволяет определить только лишь факт наличия процессов образования льда в текущих погодных условиях, однако, для практического применения важно знать еще и интенсивность этих процессов для дальнейшего расчета массы отложившегося на проводе льда.

В своей работе [126] Д.Е. Титов вывел зависимость интенсивности образования гололеда от текущих условий для трех случаев: образование монолитного льда плотностью 900 кг/м3 (74), образование инея плотностью 50 кг/м3 (75) и образование сложных отложений плотностью 500 кг/м3 (76). Vp =КП (ва-іпр), (74) где VP - интенсивность образования гололеда плотностью 900 кг/м3, кг/(м2 с); КП - экспериментально определенный пропорциональный коэффициент, кг/(м2 с С);

Следует отметить, что имеющееся на сегодня математическое описание не учитывает изменение геометрических параметров провода в процессе образования льда, а также не позволяет с достаточной точностью определять тип образующегося льда. Для учета изменяющихся геометрических параметров представим провод в виде цилиндра диаметром d, а намерзающий на нем гололед - в виде полого цилиндра с толщиной стенки Ъ (рисунок 33).

Будем считать, что в момент времени t на проводе имеется слой льда с толщиной стенки b(t). Также, примем за момент времени t = 0 момент начала го лоледообразования. При этом площадь поверхности, на которой образуется гололед, на одном проводе в пролете составит: Sпов (t) = / ті (d + 2 b(t), (77) где Sпов(t) - площадь поверхности в момент времени t, м2. Интенсивность образования гололеда при этом равна Vобр(t) , кг/(м2 с), и за висит только от параметров окружающей среды. За некоторое малое время At на проводе намерзает масса льда Am, равная: Am = Vобр(t) Sпов(t) At. (78) При At — 0 зависимость массы образовавшегося льда от времени примет вид: m(t) = \Vобр(t) Sпов(t)dt. (79) Начальными условиями для интеграла (79) являются т(0) = 0 и Sпов(0) = x d l.