Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния изучаемой проблемы 12
1.1 Существующие способы и устройства мониторинга гололедных нагрузок на провода ВЛ 12
1.2 Оценка возможности использования способов мониторинга гололедных нагрузок ВЛ в электротяговых сетях 22
1.3 Постановка задачи исследования 29
Выводы 31
2 Термодинамический способ мониторинга интенсивности гололедообразования 32
2.1 Необходимые и достаточные условия для определения начала образования отложений гололеда на проводе 32
2.2 Анализ состояния системы «провод-воздух» при гололедообразова-нии 39
2.3 Определение максимально возможной массы отложений и интенсивности ее нарастания на обесточенном проводе при отсутствии ветра 45
2.4 Учет влияния направления и скорости ветра на интенсивность нарастания отложений на проводе 49
2.5 Учет влияния напряженности электрического поля провода на интенсивность нарастания отложений на проводе 53
2.6 Определение максимально возможной массы отложений и интенсивности ее нарастания на проводе под напряжением на ветру 61
Выводы 63
3 Моделирование термодинамических процессов системы «провод-воздух» в климатической камере 65
3.1 Постановка задачи и планирование эксперимента 65
3.2 Описание установки для моделирования процессов системы «про 3 вод-воздух» и порядок подготовки проведения экспериментов 67
3.3 Методика проведения эксперимента 70
3.4 Проверка гипотезы о существовании функциональной связи между весом отложений, точкой росы, точкой десублимации и температурой провода 75
Выводы 82
4 Разработка системы мониторинга интенсивности гололедообразования на воздушных линиях электропередачи и в контактных сетях 83
4.1 Архитектура системы мониторинга интенсивности гололедообразо-вания 83
4.2 Функционирование системы МИГ на проводах воздушной линии электропередачи 86
4.3 Функционирование системы МИГ на проводах контактной сети 90
4.4 Натурные испытания модуля измерения температуры провода 93
Выводы 98
5 Оценка экономической эффективности внедрения системы мониторинга интенсивности гололедооб разования на воздушной линии 100
5.1 Выбор критерия экономической эффективности. Методика расчета системного эффекта от внедрения систем мониторинга гололедооб-разования 100
5.2 Анализ статистических данных о результатах работы систем мониторинга гололедообразования 108
5.3 Оценка технико-экономических показателей внедрения МИГ 114
Выводы 121
Заключение 122
Список литературы
- Оценка возможности использования способов мониторинга гололедных нагрузок ВЛ в электротяговых сетях
- Определение максимально возможной массы отложений и интенсивности ее нарастания на обесточенном проводе при отсутствии ветра
- Описание установки для моделирования процессов системы «про 3 вод-воздух» и порядок подготовки проведения экспериментов
- Функционирование системы МИГ на проводах воздушной линии электропередачи
Оценка возможности использования способов мониторинга гололедных нагрузок ВЛ в электротяговых сетях
В районах электрических сетей, как правило, имеется определенный опыт по наблюдению отложений на подведомственных линиях и соответствующая статистика наблюдений. Персонал линейной службы обычно знает участки ВЛ, наиболее подверженные метеорологическим воздействиям. На практике линейные службы во взаимодействии с оперативно-диспетчерской службой при возникновении сочетаний условий, приводящих к гололеду, изморози и намерзанию снега на проводах и грозотросах ВЛ, проводят обследования именно этих участков. В абсолютном большинстве случаев при выявлении угрозы отложений на этих участках выездные бригады проводят визуальную приблизительную оценку вида отложений, их толщины и, в конечном счете, дают приблизительную оценку объему намерзаний. В случаях наличия значительного ветра -так же качественно оцениваются его параметры. На основании совокупности этих данных принимается решение на плавку отложений на линии [35-37, 47].
При использовании такого перечня оцениваемых параметров и визуальной оценке этих параметров только до 10-15 % всех проводимых в настоящее время плавок проводятся именно тогда, когда отложения на проводах и грозотросах ВЛ в сочетании с ветром действительно могут разрушить линию (вероятность разрушения конструкции находится в пределах 0,85 1). Остальные же 85-90 % плавок являются, как правило, перестраховочными и упреждающими. И даже несмотря на то, что таких плавок проводится в 8-10 раз больше обоснованных, не удается избежать разрушений линий [3, 33].
В силу того, что разрушение элемента ВЛ наступает только в случае превышения гололедно-ветровых нагрузок предела прочности этого элемента, для обоснованного прогноза воздействия отложений на ВЛ необходимо как минимум знать вес отложений. Используя же визуальный способ, по приблизительным диаметрам муфт намерзаний оценивают только объем отложений. Именно это и обуславливает такое большое число необоснованных плавок, т. к. удельный вес отложений в зависимости от условий их формирования отличается в 6-8 раз, а, следовательно, при одном и том же объеме отложений их силовое воздействие на ВЛ будет отличаться также в 6–8 раз [42, 44, 70]. К увеличению ошибок приводит также и то, что оценка объема ведется по разности диаметра провода и отложений на нем, при том, что фактически отложения не могут быть цилиндрическими и всегда имеют сложную неправильную форму.
Таким образом, к главным недостаткам визуального способа можно отнести следующие: во-первых, то, что точность способа из-за визуальной оценки принципиально невысока; во-вторых, он требует непосредственного присутствия наблюдателя в месте контроля, что в условиях зимнего бездорожья, небольшой продолжительности светового дня, труднодоступности большинства участков линий значительно усложняет получение необходимой информации; и, в-третьих, практически не реализуем в условиях плохой видимости.
Ввиду этих недостатков, приводящих, даже при отсутствии аварий, к значительному удорожанию эксплуатации ВЛ в гололедоопасные периоды, в последние годы все чаще на практике прибегают к использованию автоматических информационно-измерительных систем, позволяющих в реальном времени контролировать вес уже образованных отложений на проводах промежуточных пролетов ВЛ.
Наибольшую эффективность имеют системы, основанные на гравитационном способе [69, 78, 103, 106, 105]. Главные достоинства: возможность определения веса отложений в пролете (в более совершенных моделях – учет динамического воздействия ветра), что ведет к сокращению числа необоснованных выездов бригад, снижает затраты на эксплуатацию ВЛ. Даже при установке относительно дорогостоящего оборудования (по данным 2012 года цена поста составляет около 500 тыс. руб.) окупаемость внедряемого оборудования может наступить при предотвращении одной-двух аварий (методика расчета окупаемости представлена в 5 главе). Учитывая, что посты устанавливаются точечно в наиболее подверженных метеорологическим воздействиям местах, для достаточно надежной защиты линии требуется установить всего около пяти постов на 100 км линии.
Гравитационный способ реализуется посредством измерения гололедной и гололедно-ветровой нагрузок на провод с последующим сравнением измеренных величин с наперед заданными величинами пороговых нагрузок (значимых гололедных и гололедно-ветровых, опасных, допустимых нагрузок и т. д.) [76].
Известно устройство для измерения отдельно гололедной и ветровой нагрузок, основанное на вычислении этих нагрузок по измеренным величинам гололедно-ветровой нагрузки и угла отклонения гирлянды изоляторов с проводом под действием ветра с помощью трансформаторных датчиков [103].
Недостатком такого устройства является то, что оно автоматически не обнаруживает появление отложений на проводе, т. к. в нем нет порогового (сравнивающего) элемента и нет формирователя порога (задающего элемента). Кроме того, это устройство принципиально не работает в случае отсутствия тока нагрузки в фазном проводе, а также в случае плавки отложений на проводах постоянным током.
Известно устройство для измерения отдельно гололедной, ветровой и гололедно-ветровой нагрузок с контролем направления ветра на ВЛ [106]. Оно содержит три силоизмерительных датчика, каждый из которых подвешен между траверсой П-образной опоры и верхним концом соответствующей гирлянды изоляторов с фазным проводом.
Нижний конец средней гирлянды изоляторов закреплен с двух сторон горизонтальными шарнирными изоляционными распорками врастяжку к обеим стойкам опоры, а концы правой и левой гирлянд изоляторов прикреплены соответственно слева и справа к стойкам опоры такими же изоляционными распорками. При ветре слева или справа отклоняется соответственно по ветру левая или правая гирлянда изоляторов с фазным проводом и тогда её силоизмери-тельный датчик измеряет гололедно-ветровую нагрузку, в то время как средняя гирлянда не отклоняется и ее датчик всегда измеряет только гололедную нагрузку.
По величинам гололедно-ветровой и гололедной нагрузок нелинейные преобразователи вычисляют фактическую ветровую нагрузку, которая вместе с фактической гололедной нагрузкой отображается измерительными приборами. Определяющим недостатком этого устройства является то, что в нем, несмотря на реализованное измерение отдельно фактических гололедной, ветровой и гололедно-ветровой нагрузок, автоматически не производится обнаружение отложений на проводе промежуточного пролета по величинам этих нагрузок из-за отсутствия в нем порогового устройства и формирователя порогов.
Кроме того, это устройство имеет ограниченную область применения – только на фазных проводах промежуточных пролетов одноцепных линий с двухстоечными П-образными опорами.
Определение максимально возможной массы отложений и интенсивности ее нарастания на обесточенном проводе при отсутствии ветра
Гололедные отложения на проводах подразделяются на следующие виды: гололед, зернистая и кристаллическая изморозь, замерзшие отложения мокрого снега, сложные отложения (смеси). Классификация обледенения проводов по группам приведена в табл. 2.1 [34].
Из табл. 2.1 следует, что гололед, кристаллическая и зернистая изморозь образуются при десублимации водяного пара, осаждении и замерзании переохлажденной воды из влажного воздуха. Под влажным воздухом понимается гетерогенная смесь, состоящая из сухого воздуха, водяного пара и находящихся во взвешенном состоянии капель воды, а при температуре воздуха Зв 0,01 0С и атмосферном давлении рв 0,61 кПа - кристаллов льда. Если во влажном воздухе отсутствуют капли воды и кристаллы льда, то влажный воздух является гомогенной парогазовой смесью. Влажный воздух может находиться в шести состояниях (табл. 2.2) [8].
Влажный воздух в первом, втором и третьем состояниях является гомогенной системой и в области нормальных давлений и в области температур от -50 0С до 50 0С может рассматриваться как смесь идеальных газов, а воздух по третьему, четвертому и пятому состоянию - гетерогенная система.
Поскольку в атмосфере влага, входящая в состав воздуха, может находиться во всех трех агрегатных состояниях (газовом - водяной пар, жидком -вода, твердом - лед), влажный воздух рассматривается как гетерогенная двух-компонентная смесь сухого воздуха и влаги.
Согласно законам термодинамики, для определения состояния двухком-понентной смеси необходимо знать три независимых термодинамических параметра - давление, температуру и состав смеси. За термодинамический параметр «состав смеси» принимается относительная влажность воздуха -RH [отн. ед.].
Как было отмечено выше, кристаллизация воды на поверхности провода, как механизм образования гололеда, может происходить при опускании температуры поверхности мокрого провода ниже нуля. Понижение температуры провода возможно лишь при понижении температуры окружающего его воздуха ниже нуля. В этом случае парообразование замедляется и практически вся влага на проводе затвердевает.
Конденсироваться водяной пар на поверхности провода может только из влажного воздуха, находящегося в первом, втором, третьем или четвертом состояниях. Также на провод могут осаждаться капли воды, если воздух находится в четвертом или шестом состояниях, и кристаллы льда, если воздух находится в пятом или шестом состояниях [8].
Влажный воздух в третьем состоянии может находиться только при отсутствии ядер конденсации. При наличии пылинок, мельчайших капелек жидкости, газовых ионов, флуктуационных сгущений молекул пара и при соответствующем критическом пересыщении пара происходит его конденсация в объеме, приводящая к образованию тумана. В этом случае воздух переходит в четвертое состояние (табл. 2.2).
Естественно, что критическое пересыщение пара S , для плоской поверхности равно единице, для вогнутой S , 1, а для выпуклой поверхности, которую обычно имеют мельчайшие центры конденсации, SKP 1. Этим и объясняется то, что конденсация водяного пара в объеме и образование тумана возможны только в пересыщенном водяном паре. Поверхность провода можно назвать плоской поверхностью, поэтому конденсация на нее происходит при
Если содержащийся в воздухе водяной пар находится в ненасыщенном состоянии (рп рн), то относительная влажность воздуха RH 1. Если температура поверхности провода ниже температуры окружающего его воздуха, то воздух граничного слоя охлаждается и его относительная влажность повышается. Если относительная влажность достигает RH = 1, т. е. воздух в граничном слое становится насыщенным, то даже при незначительном дальнейшем охлаждении на поверхности провода начинает конденсироваться водяной пар. Процесс конденсации связан с высвобождением тепла, количество которого соответствует теплоте парообразования воды. Это приводит к повышению темпера 35 туры поверхности провода. Следовательно, градиент температур у поверхности провода уменьшается. Процесс конденсации замедляется. Это происходит до тех пор, пока не установится новое равновесное состояние температуры поверхности провода и плотности насыщенного пара. Тогда процесс конденсации прекращается.
Точка росы - это значение температуры газа, при снижении до которой водяной пар, содержащийся в газе, охлаждаемом изобарически, становится насыщенным над плоской жидкой поверхностью. Следовательно, температура поверхности провода «9иов, плотность пара вблизи которой становится равна плотности насыщенного пара, т. е. относительная влажность воздуха вблизи которой достигает RH = 1, равна точке росы.
Описание установки для моделирования процессов системы «про 3 вод-воздух» и порядок подготовки проведения экспериментов
Термодинамический способ, лежащий в основе мониторинга интенсивности гололедообразования на проводах, отличается от всех остальных тем, что при нем контролируются не гололедная муфта на проводе и ее размеры, а условия, приводящие к ее возникновению. Этот принцип является основополагающим в разрабатываемой концепции мониторинга воздушных линий электропередачи и контактной подвески электротяговых сетей в условиях экстремальных метеорологических воздействий на их элементы.
1. Установлено, что для ответа на вопрос о наличии или отсутствии де-сублимации, конденсации и сочетания этих процессов необходимо и достаточно знать температуру провода, а также относительную влажность и температуру воздуха.
2. Выдвинута гипотеза, что интенсивность образования отложений на обесточенном проводе при отсутствии ветра имеет функциональную связь с температурой провода, относительной влажностью и температурой воздуха. Представлены выражения для определения максимально возможной массы отложений и интенсивности ее нарастания на обесточенном проводе при отсутствии ветра.
3. Выявлено, что электромагнитное поле провода практически не оказы 64 вает влияния на скорость десублимации и конденсации пара в объеме вблизи провода, но сильно влияет на интенсивность этих процессов на поверхности провода.
4. Предлагается в уравнениях для расчета максимально возможной массы отложений и интенсивности ее нарастания на проводе влияние ветра и напряженности электрического поля провода учитывать введением эмпирических коэффициентов. Постановка задачи и планирование эксперимента
Главная цель проведения экспериментов в климатической камере - проверка гипотезы о наличии функциональной связи между интенсивностью нарастания массы отложений Vp на обесточенном проводе при отсутствии ветра с $пов, 9а и 3 (2.9) и подтверждение гипотетической зависимости между этими величинами (2.10-2.12).
При этом, если гипотеза подтверждена, то подтверждается и ее следствие - наличие той же связи между максимально возможной массой отложений на единице площади поверхности провода и разностью линейных интегралов функций изменения ваДи Зпов по времени (2.13-2.15).
Образование отложений на проводе при отсутствии ветра возможно посредством механизмов десублимации и конденсации. Практически смоделировать процесс конденсации или десублимации по отдельности не представляется возможным по причинам, описанным в пункте 2.3 главы 2. Поэтому принят для проведения двухфакторный эксперимент [72] (одновременно протекающие процессы десублимации и конденсации на одной поверхности). Первый фактор X1 - разница точки росы и температуры поверхности провода при процессе конденсации:
Если 6-3 0, то х2 = 0 В качестве расчетного принимается один из экспериментов однотипной серии. При проведении эксперимента получен поток данных о весе отложений на опытном образце, температуре образца, влажности и температуре воздуха.
Замеры всех приведенных выше параметров производились одновременно, и повторялись через заданный интервал времени. По полученным замеренным данным рассчитывались х1 и х2. После осуществлялась оценка влияния этих факторов на динамику изменения веса отложений.
После оценки параметров регрессионной модели по результатам наблюдений было получено уравнение множественной линейной регрессии.
Множественная регрессионная модель оказалась в целом значимой по расчету общего F-критерия (критерий Фишера), но оценки значимости включения факторов х1 и х2 оказались незначимыми. Результат двухфакторного анализа можно объяснить плохой обусловленностью информационной матрицы.
Поэтому было принято решение проводить однофакторный эксперимент, по результатам которого был проведен регрессионный анализ. Выбранная регрессионная модель - простая линейная регрессия. В качестве фактора выбрана сумма точек росы и десублимации за вычетом двух температур поверхности провода: отклик, соответствующий массе образованных отложений на квадратном метре поверхности образца провода за время At = tk- tk_1 (At = 1200 с); є - случайная ошибка опыта, распределенная нормально с нулевым математическим ожиданием. Случайная составляющая є обусловлена влиянием на измеренную массу отложений сил трения лески держателя (3.1.2), ошибок наблюдений и погрешностью приборов.
После оценки параметров регрессионной модели по результатам наблюдений производится оценка качества аппроксимации данных с помощью линейной регрессионной модели и выполняется проверка адекватности модели.
Отдельным результатом анализа данных эксперимента должен быть рассчитанный коэффициент подобия для сочетания процессов конденсации и де-сублимации (2.18), (2.21) с учетом погрешности.
3.2 Описание установки для моделирования процессов системы «провод-воздух» и порядок подготовки проведения экспериментов
Моделирование процессов системы «провод-воздух» производилось в специально изготовленной для этого климатической камере (рис. 3.1). В качестве поверхности осаждения пара (опытный образец) используется металлическая плоская пластина (231900,5) с намотанной на неё в один ряд алюминиевой проволокой диаметром 1,85 мм (рис. 3.2).
Опытные образцы изготовлены плоскими для удобства замера площади поверхности и толщины слоя отложений. На поверхность намотана проволока для большей ее схожести с поверхностью голого провода.
Образцы 1, 2 помещаются в камеру 3 (при использовании двух образцов второй образец 2 помещается внизу вне радиатора) (рис. 3.1). Камера представляет собой холодильник с системой охлаждения (4 - охлаждающий радиатор), герметичной дверью с проделанным герметичным стеклянным окошком для визуального наблюдения. Кулер 5 установлен на задней поверхности морозильной камеры таким образом, чтобы создавать поток воздуха через образец 1, направленный на дверь. Кулер 6 размещен на полу камеры, он создает поток воздуха вверх на образец 2.
Функционирование системы МИГ на проводах воздушной линии электропередачи
В условиях рыночной экономики наряду с экономической эффективностью следует учитывать и коммерческую эффективность, т. е. финансовые интересы всех участников инвестиционного проекта. Однако в данной работе в качестве основных рассматриваются показатели и критерии экономической эффективности.
В качестве критерия экономической эффективности выбирается чистый дисконтированный доход (ЧДД). Показатель ЧДД используется для оценки экономической эффективности инвестиций в мероприятия по критерию сравнительной эффективности - мероприятие является наиболее эффективным (оптимальным), если обеспечивает максимальное значение ЧДД среди п сравниваемых вариантов (max ЧДДІ,i = 1,...,n).
Технико-экономическое обоснование применения систем мониторинга гололедообразования выполняется сравнением ЧДД от внедрения следующих мероприятий:
1) установка и эксплуатация системы МИГ, работа которой основана на термодинамическом способе, в двух вариантах исполнения (параграф 4.1);
2) установка и эксплуатация системы телеметрии гололедно-ветровых нагрузок, оснащенной модулем контроля температуры провода (СТГН-МКТ).
Для сравнения выбирается СТГН-МКТ как одна из передовых разработок, основанных на гравитационном способе с датчиком температуры провода для обеспечения возможности контроля температуры провода по аналогии с предлагаемыми устройствами (параграф 4.1).
Расчет ведется при установке 2-х постов на 100 км линии МИГ (в двух вариантах исполнения) и 2-х постов на 100 км линии СТГН-МКТ. Такое коли 101 чество постов позволяет повысить надежность линии и сильно упрощает мониторинг гололедообразования (выбрано по рекомендациям персонала ОДС ПО КЭС «Волгоградэнерго»). Питание нагрузки резервируется такой же линией в тех же условиях. ЧДД определяется по выражению: где Э,- системный эффект в год t, который оценивается снижением ущерба от гололедных аварий при внедрении мероприятий [тыс. руб.]; З,- затраты на внедрение и функционирование мероприятий в год t, куда входят все затраты, необходимые для сооружения, реконструкции, функционирования и ликвидации (демонтажа) объектов, требуемых для осуществления мероприятий, и не входят амортизационные отчисления [тыс. руб.]; Енп - норма дисконта (норматив приведения); 7расч- расчетный период, который принимается равным 10 лет для основной сети ОЭС и 5-8 лет для распределительной сети.
Любое внедрение в эксплуатацию инновационного продукта является рискованным мероприятием. Вложения капитала, связанные с большим риском получения ожидаемого эффекта, в полной мере могут быть оправданы лишь в случаях, когда расчетная норма доходности будет выше, чем при вложении капитала в проекты с меньшим риском. Один из способов учета риска — добавление надбавки за риск АЕ к величине нормы дисконта - Енп: Ен.п.=Еср + АЕ, (5.2) где Еср - усредненная норма дисконта (норматив приведения), которая в отечественной практике рекомендуется на уровне 8-12 % (принимается 10 %). Ориентировочные рекомендации по установлению АЕ (по эмпирическим данным): 1) для инвестиций в объекты с традиционными техническими решениями надбавка принимается в пределах 0,02...0,03; 102 2) для инвестиций в инновационные объекты надбавка может быть принята АЕ = 0,03...0,1.
В расчете экономической эффективности применения устройств, основанных на термодинамическом способе АЕ = 0,065, для СТГН-МКТ АЕ = 0,025. Затраты на внедрение систем автоматического обнаружения отложений в год: Кt, Иt- капитальные затраты и эксплуатационные издержки при внедрении систем автоматического обнаружения отложений, в год t [тыс. руб.].
В формуле (5.3) амортизационные отчисления на реновацию ар в составе Иг не учитываются, поскольку в условиях рыночных отношений в экономике источником финансирования капитальных вложений могут быть любые поступления: кредиты банков, накопленная прибыль и др. При этом амортизационные отчисления могут расходоваться не только на финансирование Kt, но и на другие цели.
Системный эффект в год t от внедрения систем автоматического обнаружения отложений, Эt (5.1), оценивается снижением ущерба из-за гололедного воздействия.
Помимо общепринятого [28] слагаемого ущерба, при оценке системного эффекта (затрат на восстановление поврежденных ВЛ Усист) предлагается учесть затраты на организацию выездов бригад Уов , затраты на возмещение потерь электроэнергии при плавках Упл и упущенную прибыль от реализации электроэнергии потребителю Уупп.
Упущенную прибыль генерирующих и сетевых компаний от реализации электроэнергии предлагается не учитывать, так как в условиях рыночной экономики эта упущенная прибыль не влияет на решение сетевой организации по внедрению систем автоматического обнаружения отложений.
Затраты на компенсацию ущерба от аварийных ограничений потребителей, АУпотр, [28] на практике сетевые организации не несут, поэтому АУпотр
Рассчитаем упущенную прибыль от реализации электроэнергии по причине аварийных отключений, вызванных гололедом. Отказ системы из двух независимых взаиморезервируемых элементов (рассматриваемая и резервирующая ее линии) произойдет в случае пересечения событий отказа (связанных с гололедом) первого и второго, вероятность чего равна произведению средних вероятностей состояний отказа каждого из них, qj и qn. Так как средние вероятности состояний отказа элементов приближенно равны произведениям числа отказов в год на 100 км линии со1, а п (соответственно для 1 и 2 элементов) на среднюю продолжительность восстановления Тв1, ТвП (соответственно для 1 и 2 элементов),
