Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современных методов и технических средств обнаружения и прогнозирования гололёдно изморозевых отложений на проводах воздушных линий электропередачи напряжением 110-220 КВ 13
1.1. Особенности воздушных линий 110-220 кВ для решения задачи обнаружения гололдно-изморозевых отложений 13
1.1.1. Топология воздушных линий 110-220 кВ 14
1.1.2. Конструктивное исполнение воздушных линий 110-220 кВ 15
1.1.3. Организация высокочастотной связи по проводам воздушных линий 110-220 кВ 17
1.2. Гололдно-изморозевые отложения на проводах воздушных линий электропередачи 20
1.2.1. Условия возникновения гололдно-изморозевых отложений 20
1.2.2. Характеристики гололдно-изморозевых отложений 21
1.2.3. Методы борьбы с гололдно-изморозевыми отложениями 22
1.3. Методы и технические средства обнаружения и прогнозирования гололдных отложений на проводах воздушных линий электропередачи 23
1.3.1. Анализ и классификация 23
1.3.2. Средства дистанционного определения веса гололдно-изморозевых отложений основанные на взвешивании проводов 25
1.3.3. Методы дистанционного определения гололдно-изморозевых отложений основанные на изменении условий распространения высокочастотного сигнала по проводам воздушных линий электропередачи 28
1.4. Выводы 35
ГЛАВА 2. Теоретические аспекты разработки методов обнаружения гололёдно-изморозевых отложений на проводах воздушных лэп, основанных на изменении условий распространения вч сигналов 37
2.1. Распространение волн в многопроводных линиях вблизи поверхности земли 37
2.1.1. Волновые каналы на линиях с горизонтальным расположением проводов 41
2.1.2. Высокочастотные параметры линий с треугольным расположением проводов 44
2.1.3. Линейны тракты двухцепных воздушных линий
2.2. Влияние ГИО на условия распространения ВЧ сигнала по ВЛ 45
2.3. Выбор зондирующего сигнала
2.3.1. Импульсная локация с использованием видеоимпульсов 51
2.3.2. Импульсная локация с использованием радиоимпульсов 55
2.4. Разработка новых методов и способов обнаружения ГИО,
основанных на изменении условий распространения ВЧ сигнала 56 3
2.4.1. Метод обнаружения ГИО с применением радиосигналов с колокольной огибающей 57
2.4.2. Метод обнаружения ГИО с применением датчиков, контролирующих изменение затухания ВЧ сигнала 62
2.5. Выводы 64
ГЛАВА 3. Программно-аппаратный комплекс обнаружения гио на проводах воздушных линий электропередачи 65
3.1. Реализация метода обнаружения ГИО с применением радиосигналов с колокольной огибающей 65
3.1.1. Технические требования к устройству обнаружения ГИО 65
3.1.1. Требования к параметрам выходного сигнала устройства 66
3.1.2. Требования к входным параметрам устройства 68
3.1.3. Функциональная схема устройства 69
3.1.4. Требования к управлению устройством
3.1.2. Вычисление дополнительного запаздывания отраженного сигнала 70
3.1.3. Алгоритмы вычисления амплитуды отраженного сигнала 77 3.1.3.1. Алгоритм действующего значения 77 3.1.3.2.Алгоритм среднеквадратического отклонения 77
3.2. Реализация метода обнаружения ГИО с применением датчиков, контролирующих изменение затухания ВЧ сигнала 78
3.2.1. Технические требования к датчику 79
3.2.2. Состав и принцип работы датчика 79
3.2.3. Способы передачи информации с датчиков
3.3. Программное обеспечение комплекса обнаружения гололдных отложений 86
3.4. Выводы 89
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования дистанционного обнаружения гололёдно-изморозевых отложений на проводах воздушных линий 91
4.1. Физическая модель воздушной линии электропередачи 91
4.2. Приборы и методы, использующиеся при проведении эксперимента 93
4.3. Проведение эксперимента 94
4.4. Влияние электромагнитного поля промышленной частоты на показания датчиков уровня ВЧ сигнала 102
4.5. Влияние температуры провода ВЛ на результаты локационного зондирования 103
4.6. Выводы 108
Заключение 110
Список основных публикаций автора 113
Библиографический список
- Организация высокочастотной связи по проводам воздушных линий 110-220 кВ
- Волновые каналы на линиях с горизонтальным расположением проводов
- Требования к параметрам выходного сигнала устройства
- Приборы и методы, использующиеся при проведении эксперимента
Введение к работе
Актуальность темы. Воздушные ЛЭП являются ответственным и в то же время одним из самых уязвимых элементов электроэнергетической системы, повреждение и аварийное отключение ВЛ приводит к значительному ущербу для сетевых организаций и потребителей.
Наиболее тяжелыми и трудноустранимыми авариями на ВЛ являются гололдные аварии, которые вызываются образованием ГИО на проводах ВЛ, что в сочетании с ветровыми нагрузками может явиться причиной обрыва проводов, поломки траверс и опор. Гололдные аварии часто носят массовый характер и приводят к большому экономическому ущербу.
Проблемам обнаружения ГИО на ВЛ и их влияния на высокочастотную (ВЧ) связь, организованную по проводам ВЛ, посвящены работы Дьякова А.Ф., Брауде Л.И., Засыпкина А.С., Куликова А.Л., Левченко И.В., Яковлева Л.В., Шкарина Ю.П., Коваленко В.И., Цитвера И.И., Шалыта Г.М., Микуцкого Г.В., Бургсдорфа В.В., Скитальцева В.С., Штейнбока Л.С., Книжника Р.Г., Сацука Е.И., Минуллина Р.Г., Губаева Д.Ф. и др.
Для обнаружения ГИО на проводах ВЛ в контролируемых пунктах преимущественно используют сигнализаторы ГИО, принцип действия которых основан на взвешивании проводов ВЛ. Основным источником информации о возможном образовании ГИО на ВЛ по-прежнему являются прогнозы погоды (температура окружающего воздуха, осадки, влажность воздуха, скорость и направление ветра), данные о текущем состоянии погоды, штормовые предупреждения об опасных метеорологических явлениях.
В связи с этим актуальна разработка новых дистанционных методов, технологий и средств сигнализации о начале процесса гололдообразования и о наличии аварийно-опасных ГИО на проводах ВЛ.
В работе на основе факта изменения условий распространения ВЧ сигнала по проводам ВЛ при образовании ГИО предлагается обеспечить реализацию дистанционного принципа для сигнализации о начале процесса гололдообразования и о наличии аварийно-опасных ГИО на проводах воздушных линий электропередачи, что позволит в режиме реального времени прогнозировать образование и получать информацию о наличии ГИО на ВЛ с автоматизированных рабочих мест (АРМ) диспетчерского персонала энергосистем.
Объект исследования – гололдно-изморозевые отложения на проводах воздушных линий электропередачи.
Предмет исследования – метод и средства обнаружения гололдно-изморозевых отложений на проводах воздушных линий электропередачи.
Целью работы является разработка методов и автоматического ПАК для сигнализации о начале процесса гололдообразования и о наличии аварийно-опасных ГИО на проводах воздушных линий электропередачи.
Основные задачи диссертационной работы.
-
Выполнить критический анализ методов и средств обнаружения ГИО на проводах воздушных линий электропередачи, рассмотреть методы борьбы с ГИО.
-
Исследовать физические и технические возможности способов обнаружения ГИО, основанных на изменении условий распространения ВЧ сигналов по проводам ВЛ.
-
Провести математическое и компьютерное моделирование распространения волн в многопроводных линиях вблизи поверхности земли.
-
Разработать способ обнаружения ГИО на проводах ВЛ и сигнализации о начале процесса гололдообразования.
-
Разработать алгоритмы автоматического обнаружения ГИО на проводах воздушных линий электропередачи.
-
Провести лабораторные и полевые исследования предложенных способов обнаружения ГИО на проводах ВЛ, рассмотреть влияние температуры провода ВЛ на результаты локационного зондирования.
-
Разработать принципы построения, структуру и алгоритмы функционирования ПАК, реализующего предложенные способы обнаружения ГИО на проводах ВЛ.
Методы исследования. При разработке и решении поставленных задач
применялись общенаучные методы исследования: системно-структурный,
сравнительный анализ, наблюдение, измерение, математическое и
компьютерное моделирование, были проведены лабораторные и полевые
эксперименты. Решение поставленных задач базируется на достижениях
фундаментальных и прикладных наук, таких как математический анализ и
математическая статистика, теоретические основы электротехники,
радиоэлектроники и радиолокации.
Достоверность результатов работы. Достоверность результатов подтверждается сходимостью экспериментальных данных по определению влияния ГИО на условия распространения ВЧ сигнала, полученных при проведении лабораторно-полевых исследований, с данными компьютерного моделирования. Сформулированные в диссертации выводы и рекомендации обоснованы теоретическими решениями и экспериментальными данными, которые не противоречат известным положениям расчета распространения ВЧ сигналов по многопроводным линиям, а также сопоставимостью результатов с данными, полученными другими исследователями.
Научная новизна работы:
-
Разработан метод выявления участка воздушной линии электропередачи, на котором произошло образование ГИО, с помощью датчиков, фиксирующих изменение амплитуды высокочастотного сигнала вдоль трассы ВЛ.
-
Разработан метод обнаружения ГИО на проводах воздушных линий с применением активного зондирования, где в качестве зондирующего сигнала
используется радиоимпульс с колокольной формой огибающей и различными частотами заполнения.
-
Разработаны принципы построения, структура и алгоритмы функционирования ПАК, реализующего предложенные методы обнаружения гололдных отложений на проводах ВЛ.
-
Получены результаты полевых и лабораторных исследований по обнаружению ГИО на проводах ВЛ по анализу затухания и увеличению времени распространения зондирующих сигналов, подтверждающие возможность применения предложенных методов обнаружения ГИО на проводах ВЛ.
Практическая значимость полученных результатов. Разработанный автоматический ПАК, состоящий из устройства локационного зондирования и датчиков уровня ВЧ сигнала, позволит:
-
определять местоположение гололдных отложений вдоль трассы ВЛ;
-
быстро, надежно, с высокой чувствительностью автоматически обнаруживать раннее образование ГИО на ВЛ;
-
сигнализировать о необходимости плавки гололдных отложений;
-
контролировать процесс плавки гололдных отложений.
Это позволит сократить недоотпуск электроэнергии потребителям электрической энергии из-за обрыва проводов ВЛ и падения опор, повысить надежность функционирования воздушных ЛЭП.
Теоретическая значимость исследования. Данная работа будет
способствовать развитию методов обнаружения ГИО на проводах ВЛ, основанных на изменении условий распространения ВЧ сигналов по линейному тракту ВЛ.
На защиту выносятся:
-
Метод выявления участка воздушной линии электропередачи, на котором произошло образование ГИО, с помощью датчиков, фиксирующих изменение амплитуды высокочастотного сигнала вдоль трассы ВЛ.
-
Метод обнаружения ГИО на проводах воздушных линий электропередачи с применением активного зондирования, где в качестве зондирующего сигнала используется радиоимпульс с колокольной формой огибающей и различными частотами заполнения.
-
Принципы построения, структура и алгоритмы функционирования ПАК, реализующего предложенные методы обнаружения ГИО на проводах ВЛ.
-
Результаты исследований обнаружения ГИО на проводах воздушных ЛЭП по анализу затухания и увеличения времени распространения зондирующих сигналов, подтверждающие возможность применения предложенных методов обнаружения ГИО на проводах ВЛ.
Апробация работы. Теоретические положения, результаты и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI, VII и VIII открытых молодежных научно-практических конференциях «Диспетчеризация в электроэнергетике: проблемы и перспективы» (Казань, 2011, 2012 и 2013 гг.) и IV международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (Новочеркасск, 2013 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 20 печатных работах, в том числе в 5 статьях в рецензируемых научных изданиях,
входящих в перечень ВАК, 3 патентах на изобретение, 2 патентах на полезную модель, 2 свидетельствах о регистрации программы для ЭВМ, 8 в материалах докладов всероссийских и международных научных конференций. Перечень авторских публикаций приведн в конце автореферата и диссертации.
Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены в
учебный процесс кафедры «Релейная защита и автоматизация
электроэнергетических систем» Казанского государственного энергетического университета по направлению подготовки 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника», профиль «Автоматика энергосистем».
Личный вклад автора работы. Автором проведены лабораторные и полевые эксперименты на учебном полигоне ФГБОУ ВПО КГЭУ «Распределительные сети 10/0,4 кВ» и подстанции 110кв «Арск» филиала ОАО «Сетевая компания» Республики Татарстан Приволжские электрические сети, выполнен анализ экспериментальных данных и их интерпретация. Разработан метод выявления участка ВЛ, на котором произошло образование ГИО, с помощью датчиков, контролирующих изменение амплитуды ВЧ сигнала вдоль трассы ВЛ. Участвовал в разработке алгоритмов и компьютерных программ по обработке результатов измерений, участвовал в разработке и апробации методик обнаружения гололдных образований на проводах воздушных линий электропередачи.
Автор принимал непосредственное участие в написании публикаций по результатам исследования и их подготовке к печати, а также в представлении результатов на научных конференциях.
Соответствие диссертации научной специальности.
Диссертация соответствует специальности 05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» и относится к следующим областям исследования:
-
разработанный метод обнаружения ГИО на проводах воздушных ЛЭП с применением активного зондирования, где в качестве зондирующего сигнала используется радиоимпульс с колокольной формой огибающей и различными частотами заполнения, соответствует п. 1 «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»;
-
разработанный автоматический ПАК для обнаружения ГИО на проводах ВЛ соответствует п. 3 «Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами»;
-
разработанные программы сбора и обработки сигналов локационного зондирования соответствуют п.6. «Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля».
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырх глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем диссертации
составляет 125 страниц, в том числе 40 рисунков, 10 таблиц, библиографический список включает 84 наименования.
Организация высокочастотной связи по проводам воздушных линий 110-220 кВ
ВЧ связь по ЛЭП является разновидностью проводной связи. Данный тип связи занимает промежуточное положение между проводной связью и радиосвязью, так как примо-передающая аппаратура ВЧ связи построена аналогично аппаратуре радиосвязи, но подключение е происходит к проводам воздушных ЛЭП [36]. Напрямую подключить аппаратуру ВЧ связи к проводу ВЛ не представляется возможным, так как провода находятся под напряжением 35-750 кВ, для этой цели используются высоковольтные конденсаторы связи (КС) и фильтры присоединения (ФП). Для уменьшения шунтирующего влияния шин подстанции применяют высокочастотные заградители (ВЧЗ), которые устанавливают в разрыв фазного провода [53].
Аппаратура ВЧ связи является узкополосной (0,1-10 кГц), и поэтому все элементы оборудования ВЧ обработки линии (ФП и ВЧЗ) в большинстве случаев также являются узкополосными.
Линии электропередачи предназначены для передачи электроэнергии на промышленной частоте 50 Гц. Но одновременно они используются и для передачи ВЧ сигналов (до 1 МГц) через аппаратуру ВЧ уплотнения, каковой является аппаратура телемеханики и связи. ВЛ конструируются для передачи электроэнергии на промышленной частоте и лишь в той или иной мере могут приспосабливаться для передачи по ней ВЧ сигналов [53].
Канал связи по линии электропередачи, использующий аппаратуру ВЧ уплотнения, называется ВЧ каналом. Участок линии от выхода аппаратуры уплотнения на передающем конце до входа аппаратуры уплотнения на приемном конце называется ВЧ трактом.
ВЧ тракт линии электропередачи включает в себя: многопроводные линии электропередачи (воздушные или кабельные), ответвления от них; промежуточные подстанции с установленным на них высоковольтным оборудованием; устройства присоединения, состоящие из фильтров присоединения с конденсаторами связи, ВЧ кабели, разделительные фильтры; устройства обработки, состоящие из ВЧ заградителей, разделительных контуров, являющихся частным случаем разделительных фильтров [13].
Устройства присоединения служат для ввода в высоковольтные провода линии электропередачи и вывода из них ВЧ сигналов от низковольтной аппаратуры уплотнения на передающем и приемном концах линии.
Устройства обработки служат для отделения по высокой частоте проводов воздушной линии, к которым подключается аппаратура присоединения, от остальной сети высокого напряжения.
Уплотнение линии связи осуществляется путем параллельного подключения к ней нескольких комплектов аппаратуры, работающих в разных участках частотного диапазона.
Структурная схема канала ВЧ связи по ВЛ показана на рис. 1.1 [53].
Так как именно линия электропередачи определяет условия передачи сигнала по ВЧ тракту, то в общей схеме ВЧ тракта удобно выделить линейный тракт, который начинается и заканчивается в точках подключения устройств присоединения к проводам линий электропередачи, как это показано на рис. 1.1.
Все схемы присоединения к проводам (фазам или грозозащитным тросам) линий электропередачи можно разделить на две группы: присоединение между проводами и землей. Это, как правило, схемы фаза-земля, трос-земля и два троса-земля; присоединение между проводами. Это, как правило, схемы фаза-фаза, трос-трос, внутрифазное или внутритросовое присоединение соответственно к изолированным проводам расщепленной фазы или троса.
В данной работе рассматривается только присоединение фаза-земля, так как этот тип присоединения получил наибольшее распространение.
В схеме присоединения фаза-земля, которая изображена на рис. 1.2, ВЧ аппаратура подключается к одному из фазных проводов линии и земле. Линия электропередачи подходит к шинам подстанции через линейный разъединитель (ЛР), выключатель (В) и шинный разъединитель (ШР). К одному из проводов линии подключается КС. Этот провод линии называется рабочим проводом данного ВЧ канала. Между точкой подключения конденсатора связи и линейным разъединителем «врезается» ВЧЗ. Между нижней обкладкой конденсатора связи и землей включается фильтр присоединения (ФП), который с помощью ВЧ кабеля соединяется с аппаратурой уплотнения канала связи [13].
Часто для организации канала связи ВЧ тракт образуют по двум и более линиям электропередачи. При этом на промежуточных подстанциях организуют ВЧ обходы этих подстанций для обеспечения работы канала в любых коммутационных состояниях линии, входящей в ВЧ тракт [53]. 1.2. Гололдно-изморозевые отложения на проводах воздушных линий электропередачи
Гололед, образовавшийся на проводах, оказывает дополнительную механическую нагрузку на провода и опоры, что создает риск разрушения линии и опасность для жизни людей. Поэтому при проектировании распределительных сетей нельзя не учитывать влияние гололеда на прочностные характеристики элементов сетей [36].
При гололедных нагрузках ниже нормы в результате аэродинамического воздействия могут возникать колебания (пляска) проводов при одностороннем отложении гололеда или вибрации при цилиндрической форме гололеда [59].
Условиями образования ГИО на проводах ВЛ являются определнные сочетания температуры окружающего воздуха и атмосферных явлений, таких как морось, дождь, туман, мокрый снег и т.д. Температура воздуха влияет не только на образование того или иного вида обледенения, но и определяет продолжительность этого процесса, что имеет очень большое значение [47]. Понижение температуры воздуха в процессе обледенения способствует длительному сохранению льда на проводах. Ветер играет немаловажную роль в формировании структуры отложения. При определенных условиях он может способствовать слиянию мелких капель в крупные, содействуя растеканию капель по поверхности предмета и, напротив, дроблению крупных капель на более мелкие [3].
Значительное влияние на величину ГИО оказывает расположение линии электропередачи по отношению к гололдонесущему потоку (подробнее см. [1]). Из обобщенной характеристики метеорологических условий гололедообразования приведенной в [3, 6, 37] видно, что температурный диапазон для образования гололда и налипания мокрого снега невелик и находится в диапазоне от плюс 1 до минус 4С. Однако, возникнув, эти отложения могут долгое время сохраняться при значительно более низких температурах. Кроме того, на образование ГИО влияют: высота подвеса проводов ВЛ, закручивание проводов, диаметр проводов, действие электрического поля, протекание нагрузочного тока.
Волновые каналы на линиях с горизонтальным расположением проводов
Коэффициенты затухания w и {2) двух междуфазных каналов существенно различны. Чем больше расстояние между фазами, тем больше разница в их значениях.
Скорость распространения волны в первом волновом канале близка к скорости света и составляет (1)= (299,0299,9)103 км/с. Во втором волновом канале скорость распространения существенно меньше [16, 34, 39]. 2.1.2. Высокочастотные параметры линий с треугольным расположением проводов
Линия с треугольным расположением проводов является несимметричной, так как в ней не соблюдается равенство расстояний различных фазовых проводов от земли и имеется некоторое различие в значениях расстояний между проводами. Однако асимметрия таких линий значительно меньше, чем у линий с горизонтальным расположением проводов, вследствие чего параметры двух междуфазных каналов не очень сильно различаются [16].
При схеме присоединения верхняя фаза — земля возбуждается в основном только первая волновая составляющая. Поэтому на нетранспонированных линиях при этой схеме присоединения образуется одноволновой тракт, обладающий наименьшим затуханием.
Волновые и характеристические сопротивления ВЛ с треугольным расположением проводов мало отличаются от таковых для ВЛ с горизонтальным расположением проводов [16].
Двухцепная ВЛ представляет собой шестипроводную линию, у которой провода расположены симметрично относительно вертикальной плоскости симметрии. Наибольшее распространение имеют двухцепные линии с расположением проводов типа «бочка». Провода 1, 2 и 3 являются фазами одной цепи, провода 4, 5 и 6 – фазами другой цепи [16, 35].
В двухцепной шестипроводной линии распространение волн происходит по шести волновым каналам, из которых пять междуфазных и один земляной, а именно:
Затухания первых трех каналов почти не отличаются одно от другого, вследствие чего волновые составляющие в этих трех каналах образуют одну междуфазную волну. Затухание пятого и земляного каналов заметно больше, чем у первых трех, причем эта разница растет с увеличением частоты [16].
При различных схемах присоединения мощность передатчика по-разному распределяется между волновыми каналами. При однофазном присоединении к верхней или средней фазам большая часть мощности передатчика поступает в первые три канала, обладающие наименьшим затуханием. При присоединении к одной из нижних фаз большая часть мощности поступает в последние два канала, обладающие большим затуханием. Поэтому линейные тракты двухцепной линии, образованные по верхней или средней фазе, имеют меньшее затухание по сравнению с трактами по одной из нижних фаз[16].
Когда на проводах ВЛ осаждается гололед, изморозь или мокрый снег, наблюдается увеличение затухания линейных трактов каналов связи [16, 35]. Некоторое увеличение затухания может быть также при ливневом дожде за счет образования на проводах слоя воды. Если провода линии свободны от внешних покрытий, то затухание каналов практически не зависит от условий погоды.
Увеличение затухания линейного тракта обусловлено диэлектрическими потерями в слое покрытия. Электромагнитная волна распространяется в пространстве между проводами. Наибольшая концентрация энергии имеет место вблизи поверхности проводов. Если поверхность провода покрыта гололедным образованием, то электромагнитная волна распространяется в несовершенном диэлектрике и часть энергии этой волны идет на нагрев гололедного покрытия. Наибольшие потери вносит чистый гололед, т.к. он образует наиболее плотное покрытие. Прирост затухания, вызванный гололедным покрытием, зависит от толщины стенки покрытия и от длины участка обледенения. При определении влияния гололда полагаем, что провод покрыт однородным цилиндрическим осесимметрчным слоем льда [18].
Тангенс диэлектрических потерь и диэлектрическая проницаемость льда зависят от частоты и температуры. Зависимость определяется следующими формулами [55]: Л = 2,2 .(к2+1)/(к2+ 0,0275); (Л) = 5,86-к/к2+1), где k = f/f0; f0- частота, на которой значение tg(Л) максимально. Частота/, несколько зависит от температуры льда. Область температур, при которых может выпадать гололед, невелика: 0 -4оС. Поэтому в качестве расчетной обычно принимают t = -2С. При этой температуре , = 28 кГц. Объединим в один коэффициент все сомножители, зависящие от частоты, представив этот коэффициент в виде:
Основываясь на выражениях (2.1-2.22) была написана программа для ЭВМ «Расчет влияния элементов ВЧ тракта линий электропередачи 110-220 кВ на распространение импульсных зондирующих сигналов» [А11]. В этой программе были выполнены оценочные расчеты влияния гололдных отложений на затухание и скорость распространения ВЧ сигнала в междуфазных и «земляном» волновых каналах (рис. 2.2-2.4).
Требования к параметрам выходного сигнала устройства
Требования к входным параметрам устройства локационного зондирования определяются требуемой точностью измерения времени распространения сигнала от начала линии до е конца и обратно. Для решения задачи обнаружения ГИО на проводах ВЛ достаточно точности измерения времени до 10 нс [А4], соответственно частота дискретизации аналого-цифрового преобразователя должна составлять не менее 100 МГц.
При квантовании входного сигнала по уровню на входе АЦП присутствуют шумы дискретизации, уровень которых должен быть ниже уровня помех на разряд АЦП. Соответственно количество двоичных разрядов АЦП должно быть не меньше 14 [40]. 3.1.1.3. Функциональная схема устройства
Для проведения лабораторных и полевых измерений был создан программно-аппаратный комплекс, включающий в себя устройство обнаружения ГИО на проводах ВЛ (локатор), датчики уровня ВЧ сигнала и программное обеспечение, разработанное для обработки результатов измерений и их визуального представления. В устройстве обнаружения ГИО в качестве генератора импульсов 1 используется генератор сигналов произвольной формы В-332 [71] , приемника импульсов 2 – цифровой осциллограф В-423 [72]. Устройство подключается к ВЧ тракту через разделительный фильтр 5, который снижает влияние устройства на аппаратуру ВЧ связи. ВЧ тракт включает в себя: конденсатор связи – 6, фильтр присоединения – 7, ВЧ заградитель – 8, провода ВЛ – 9. С генератора импульсов 1 зондирующие импульсы попадают в линию. Отраженные импульсы поступают с линии в приемник, который обрабатывает и передает данные в компьютер 3. При помощи специально разработанной программы производится управление генератором импульсов и цифровым осциллографом, выделение отраженного сигнала на фоне помех, обнаружение образования гололедных отложений, а также осуществляется передача данных на компьютер сервера 10 через систему связи 4. Пуск локатора осуществляется при обнаружении ГИО на участке ВЛ с помощью датчиков уровня ВЧ сигнала 11, для уточнения параметров ГИО измеряется дополнительная задержка и амплитуда отраженного импульса [А7, А9, А10]. Передача информации на диспетчерский пункт осуществляется с помощью промышленного GSM-модема. Формирование изображения на экране дисплея, настройка, управление и регистрация данных осуществляются с помощью программного обеспечения «Гололд 0.9», разработанного в программной среде «Delphi» [А12].
Устройство локационного зондирования должно иметь интерфейс для местного и дистанционного управления и настройки параметров, а также передавать информацию о параметрах ГИО на диспетчерский пункт. Информация для оперативного персонала не должна быть излишней и должна содержать: диспетчерское наименование ВЛ, участок трассы ВЛ где образовалась гололдная муфта, рекомендации о необходимости плавки гололдных отложений, а также позволять контролировать процесс плавки ГИО.
Обнаружение ГИО на проводах ВЛ локационным методом сводится к задаче определения параметров принятого сигнала, отраженного от конца линейного тракта. Как было показано выше (глава 2) при образовании ГИО на ВЛ, скорость распространения ВЧ сигнала снижается (увеличивается время распространения зондирующего и принятого отраженного сигналов), а затухание увеличивается, при этом форма отраженного сигнала сохраняется. Данный факт позволяет вычислить изменение распространения ВЧ сигналов корреляционным методом.
Допустим, имеется текущая рефлектограмма тек(), включающая в себя отраженный импульс () конечной длины отр и зондирующий импульс. Для поиска этого импульса в скользящем по рефлектограмме тек() временном окне длиной отр вычисляются скалярные произведения тек() и (). Тем самым мы сравниваем участок рефлектограммы, включающей отраженный от конца ВЛ импульс конечной длины, с зондирующим импульсом, и по величине скалярного произведения оцениваем степень сходства сигналов.
В функциональном пространстве сигналов эта степень связи может выражаться в нормированных единицах коэффициента корреляции, т.е. в косинусе угла между векторами сигналов, и, соответственно, будет принимать значения от 1 (полное совпадение сигналов) до -1 (полная противоположность) и не зависит от значения (масштаба) единиц измерений [33].
Приборы и методы, использующиеся при проведении эксперимента
На графике (рис. 4.7) представлена зависимость амплитуды отраженного сигнала от длины гололдной муфты (измеренное значение – сплошная линия, расчетное значение – штриховая). Из графика видно, что при увеличении длины гололдных отложений амплитуда отраженного импульса уменьшается, при этом расчтное значение снижения амплитуды отраженного импульса оказалось больше измеренного. Расхождение результатов объясняется в первую очередь допущениями, принятыми в математической модели ВЛ.
Зависимость амплитуды отраженного сигнала от длины гололдной муфты (измеренное значение – сплошная линия, расчетное значение – штриховая) [А16]
Расчеты первичных и вторичных параметров трхпроводной ВЛ, времени распространения ВЧ сигнала по ВЧ тракту ВЛ при отражении от е конца, а также амплитуды отраженного сигнала проводились с помощью программы «Голд 0.9» по методике представленной в [15, 16, 36]. При выполнении расчтов были приняты следующие допущения: 1. Полагаем, что линия состоит из параллельных однородных проводов круглого сечения с гладкой поверхностью, параллельных поверхности земли; 2. Пренебрегаем эффектом близости в проводах; 3. Пренебрегаем активной проводимостью изоляции; 4. Не учитываем влияние концевого эффекта и излучения в начале и конце линии; 5. Не учитываем многократные переотражения ВЧ сигнала; 6. Не учитываем поперечные токи в земле.
Для контроля уровня ВЧ сигнала датчики устанавливаются вдоль трассы ВЛ, при этом, в зависимости от принятого способа питания датчика, их можно закрепить на фазном проводе ВЛ или на опоре. Так как по проводам ВЛ протекает значительный ток промышленной частоты, создающий сильное магнитное поле, а сердечником антенны является ферритовый стержень марки 400НН с индукцией насыщения B = 0,25 Тл, быыли проведены эксперименты по оценке влияния электромагнитного поля промышленной частоты на показания датчиков уровня ВЧ сигнала.
Для проведения эксперимента была собрана опытная установка, включающая в себя: генератор ГЗ-109; регулируемый источник тока промышленной частоты, токопровод (рис. 4.8).
Схема опытной установки для оценки влияния электромагнитного поля промышленной частоты на показания датчиков уровня ВЧ сигнала
С помощью генератора ГЗ-109 по токопроводу передавали ВЧ сигнал частотой 30,5 кГц, по тому же токопроводу с помощью источника тока создам ток промышленной частоты. Датчик уровня ВЧ сигнала расположили непосредственно возле токопровода, при этом примная антенна расположена перпендикулярно токопроводу. На рис. 4.10 представлена зависимость показаний датчика от значения тока промышленной частоты для трх случаев: а – расстояние от шины до примной антенны датчика 0,05 м, б – 0,1 м, в – 0,5 м.
Зависимость показаний датчика уровня ВЧ сигнала от значения тока промышленной частоты при расстоянии от шины до примной антенны: а –
Рассмотрим влияние температурных изменений длины провода ВЛ на результаты измерений времени распространения ВЧ сигнала [40]. В качестве примера рассчитаем для условий Бугульминского района Республики Татарстан (РТ) удлинения проводов линий электропередачи под действием температуры окружающего воздуха при равной высоте точек подвеса провода по методике, представленной в [2].
Расчетные климатические условия согласно карте районирования РТ соответствуют IV району по гололеду (b=25 мм) и III району по ветровой нагрузке (W0=650 Па), температура воздуха: высшая 40С, низшая – минус 40С, среднегодовая 3,5С, при гололеде и ветре – минус 5С. В табл. 4.2 приведены параметры проводов марок АСО-330/30, АС-150/24, АС-120/27. Таблица 4.2 Расчетные параметры сталеалюминевых проводов воздушных линий электропередачи Марка провода АСО-330/30 АС-120/27 АС-150/24 Отношение площадей поперечных сечений А/С 11,51 4,36 6,16 Модуль упругости Е, 104Н/мм2 7,45 8,9 8,25 Температурный коэффициент линейного удлинения , 10-6 град -1 21 18,3 19,2 Предел прочности при растяжении провода и троса в целом р, Н/мм2 240 340 290 104 На провода воздушных электрических линий действуют вертикальные нагрузки (собственный вес провода, вес образовавшегося на проводе гололеда) и горизонтальные нагрузки (давление ветра). При учете этих нагрузок делают некоторые допущения: предполагают равномерное распределение нагрузок по длине провода, нагрузки принимают статическими, то есть неизменными по значению со временем.
Под действием механических нагрузок в материале провода появляются механические напряжения на растяжение. На их значение влияют также напряжения, которые возникают в проводе при уменьшении его длины, под влиянием понижения температуры окружающего воздуха. Наибольшие напряжения могут возникать при наибольшей механической нагрузке в сочетании с наименьшей температурой воздуха. Эти условия берм в качестве исходных условий.