На главную страницу Rambler's Top100

О журнале

Архив

Разделы

Полезные ссылки

Rambler's Top100

Yandex.CN Сделано для России , тематический каталог отборных русских сайтов.

 

В. И. Каганов


Московский институт радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА), кафедра радиопередающих устройств, доктор технических наук, профессор
  • Энергобезопасность и энергосбережение №6, 2012

    Предупреждение образования гололёда на проводах ЛЭП с помощью дискретного метода преобразования электромагнитной энергии в тепловую

    Рассматривается способ предотвращения образования наледи на проводах ЛЭП нагревом проводов путём преобразования высокочастотной электромагнитной энергии в тепловую с помощью графито- керамических резисторов. Приводятся результаты эксперимента и структурная схема промышленной установки.

    Ключевые слова: линия электропередачи, гололёд, электромагнитные волны, промышленная установка

    Отложение гололёда представляет большую опасность для стабильного энергоснабжения и нормальной эксплуатации воздушных линий электропередачи. За последние двадцать лет произошли значительные изменения в динамике и географии образования гололёда на высоковольтных линиях передачи электроэнергии. В условиях относительно мягкой зимы при резком перепаде значений температуры окружающего воздуха от положительной к отрицательной на проводах оседают капли воды и начинается лавинообразный процесс образования толстой ледяной корки, достигающей толщины в несколько десятков миллиметров и многократно утяжеляющей провода. При этом толщина плотного гололёда на проводах может достигать 40–50 мм, а рыхлого – 90–100 мм. Расчёты показывают, что при толщине наледи в 50 мм масса провода марки АС-500 сечением в 500 мм2 длиной в 1 км возрастает с 1,85 т до 12,5 т, то есть увеличивается почти в 7 раз, а при толщине наледи в 70 мм – до 20,7 т, то есть в 11 раз.

    В результате значительного увеличения массы проводов и воздействующих на них динамических и статических нагрузок происходят опасные и нежелательные явления, особенно при сильном ветре. К их числу относятся обрыв токопроводящих проводов и грозозащитных тросов под тяжестью снега и льда, недопустимо близкое сближение проводов и их сильное раскачивание (так называемая «пляска»), ухудшение защитных свойств изоляторов, разрушение опор. Например, подобная серьёзная авария по причине гололёда, приведшая к разрушению опоры ЛЭП напряжением в 220 кВ, произошла в Москве в декабре 2010 г.

    Опишем один из возможных физических механизмов образования гололёда, зарождающегося по причине соприкосновения двух масс воздуха – холодного и теплого повышенной влажности. В такой системе тёплая воздушная масса вытесняет тонкий слой холодного воздуха к поверхности земли. В результате на верхнем уровне образуется снег, который в тёплом слое превращается в дождь при превышении температуры кристаллизации. Капли дождя, попадая в слой более холодного воздуха у поверхности земли, замерзают при соприкосновении с переохлажденной поверхностью различных предметов, в том числе проводов и опор ЛЭП, и начинается процесс лавинообразного роста наледи.

    Описанный механизм образования гололёда свойственен, например, некоторым областям Канады. Здесь дождь с образованием гололёда выпадает до 15 раз в году и длится несколько часов, оставляя слой льда на поверхности земли и наледь толщиной до 30–60 мм на проводах ЛЭП. Экономический ущерб от данного атмосферного давления достигал 5 млрд долларов [1].

    Таким образом, борьба с обледенением проводов линий электропередачи является серьёзной проблемой, актуальной для многих стран, имеющих регионы с высокой влажностью и низкими температурами. Несколько подобных регионов есть и в России (Северный Кавказ, Башкирия, Камчатка и некоторые другие).

    Традиционный способ борьбы с гололёдом, осуществляемый посредством так называемой плавки при коротком замыкании линий электропередачи и отключением от неё всех потребителей, бывает малоэффективным, неудобным, дорогим и опасным. Имеется настоятельная необходимость в разработке новой, современной технологии не плавки гололёда после его появления на проводах, а предотвращения его образования при приближении гололёдной обстановки. Решить эту проблему можно, например, путём нагрева проводов до температуры 10–20 °С до наступления гололёда. Такой нагрев, как показано в [2, 3], можно осуществлять с помощью высокочастотной электромагнитной волны, распространяющейся по линии электропередачи одновременно с основным напряжением промышленной частоты. Короткого замыкания в сети, как при плавке, производить не нужно, и не требуется отключения потребителей от сети. При данном методе борьбы с гололёдом потребитель изменения в работе сети почувствовать не должен, так как обе волны – промышленной частоты 50 Гц и электромагнитной частотой около 100 МГц – могут одновременно распространяться по ЛЭП, образно говоря, не мешая друг другу (рис. 1).


    О преобразовании электромагнитной энергии в тепловую

    Мощность волны, подводимой к линии передачи любого типа, в том числе двух- и трёхпроводной, распадается на мощность потерь электромагнитной энергии, переходящей в тепло (Рп), мощность излучения (Ризл) и мощность, передаваемую в нагрузку, т. е. потребителю электрической энергии(Рн):


    Падающая волна, распространяющаяся по двухпроводной линии бесконечной длины при подключении к ней генератора, имеет вид


    где U0 – амплитуда напряжения на входе линии, к которой подключён генератор с частотой f;
    x – координата, отсчитываемая от места подключения генератора к линии;
    α=Rf/ρ(1/м) – постоянная затухания;
    Rf – погонное сопротивление одного из одинаковых проводов (рис. 1);
    β=2π/λ – фазовая постоянная;
    ρ – волновое сопротивление линии.

    Мощность прямых потерь в линии определяется активным сопротивлением потерь:


    Активное сопротивление линии в ВЧ и СВЧ диапазонах по причине скин-эффекта, то есть вытеснения тока во внешней оболочке, определяется тонким поверхностным слоем (рис. 2) и возрастает в 100 и более раз. Этот вопрос исследован в [2].

    Обратившись ко второй причине потерь электромагнитной энергии, связанной с излучением, определим, как энергию излучения преобразовать в тепло.


    Присоединим к основной линии передачи, по которой распространяется высокочастотная электромагнитная волна, короткий отрезок провода – вибратор (рис. 3 а), излучательные свойства которого определяются сопротивлением излучения [4]:

    где λ – длина волны;
    l – длина вибратора.

    Мощность электромагнитной волны, излучаемая таким вибратором:


    где I – амплитуда тока высокой частоты в месте подключения вибратора.

    Заменим отрезок провода керамическим резистором R>>Rизл (рис. 3 б). Тогда большая часть мощности сигнала будет не излучаться в окружающее пространство, а рассеиваться в виде тепла в данном резисторе, температура которого установится равной t0. Далее переведём этот резистор в горизонтальное положение непосредственно у основной линии передачи (рис. 3 в). Изменение температуры вдоль линии определяется при этом уравнением теплопроводности [5]:


    где Т – температура;
    x – координата, отсчитываемая от начала сопротивления;
    t – время;
    γ – коэффициент температуропроводности.

    Решение уравнения (6) с помощью программы, приведенной в [5], позволяет найти зависимость температуры T(x, t), устанавливаемой вдоль основной линии. Зависимость носит экспоненциальный характер.

    Установив вдоль линии через определённые интервалы нагревательные графито-керамические элементы, получим волнообразное изменение температуры вдоль линии. Пример такой зависимости температуры в градусах T(x), где x – расстояние (м), приведен на рис. 4.


    Экспериментальная проверка дискретного метода нагрева проводов

    Дальнейшая работа по данной проблеме велась в направлении экспериментальной проверки описанного дискретного метода нагрева проводов путём преобразования излучаемой энергии высокочастотной электромагнитной волны в тепло. Общая схема эксперимента соответствовала рис. 4. В качестве источника энергии использовался изготовленный высокочастотный генератор мощностью 500 Вт, частотой 81,36 МГц, разрешённой к применению для промышленных и научных целей согласно «Регламенту радиосвязи». В процессе эксперимента осуществлялся нагрев двухпроводной линии с многожильными проводами типа АС-16 радиусом r1=2,5 мм, длиной 200 м. Испытания проводились на территории Подольского химико-металлургического завода (ПХМЗ) при активном участии фирмы «Инновация» (г. Подольск). Измерение температуры проводилось с помощью группы спиртовых термометров, прикрепленных к проводам, и инфракрасного пирометра .

    При включенном ВЧ-генераторе температура нагрева керамических преобразователей, в качестве которых использовались сопротивления МЛТ, составляла от 50 °С÷100 °С при окружающей температуре 20 °С, а поверхность проводов нагревалась в среднем на ΔT1=15 °С÷20 °С относительно температуры окружающего воздуха при удельной мощности затрат ВЧ-электроэнергии около 2 Вт/м.

    Таким образом, проведенные экспериментальные исследования подтвердили принцип дискретного нагрева многожильного провода с помощью высокочастотной электромагнитной волны.

    О создании промышленной установки по борьбе с гололёдом

    Для практического внедрения нового метода борьбы с гололёдом на воздушных ЛЭП необходимо изготовить промышленную установку – генератор частотой 81,36 МГц, мощностью 8 кВт – и провести натурные испытания. Прототипом подобного ВЧ-генератора может явиться выпускаемый фирмой «Полигон» (г. Воронеж) генератор накачки для лазера. Проведенные испытания позволят:

    – подтвердить идею метода о том, что на проводах, предварительно нагретых до температуры 10–15 °С, наледь не образуется;

    – уточнить требуемую удельную мощность на один метр трёхфазной линии передачи электроэнергии по проводам различного сечения;

    – в полном объёме составить план мероприятий по серийному изготовлению разработанного устройства и промышленному внедрению нового метода борьбы с гололёдом, а точнее, по предупреждению его образования на проводах ЛЭП.

    Общая структурная схема промышленной установки включает три основные части: два генератора мощностью по 4 кВт; автоматически управляемые согласующие устройства, служащие для подключения генераторов к ЛЭП и передачи в линию максимальной мощности, и графито-керамические преобразователи, располагаемые с определённым шагом на проводах. Схема приведена на рис. 5, где ВВК – высоковольтный вакуумный конденсатор; СУ – согласующее устройство; МПБ – микропроцессорный блок; Др – высокочастотный дроссель. В изготовлении такой промышленной установки готовы принять участие:

    1) МИРЭА (Москва) – головной исполнитель и разработчик системы автоматического управления установкой;

    2) НПО «Полигон» (г. Воронеж) – разработчик и изготовитель транзисторного высокочастотного генератора мощностью 8 кВт;

    3) фирма «Инновация» (г. Подольск Московской обл.) – разработчик и изготовитель согласующего устройства генератора с ЛЭП;

    4) НПО «Бакор» (г. Щербинка Московской обл.) – разработчик и изготовитель графито-керамических преобразователей.


    Выводы

    1. Экспериментально подтверждён способ нагрева проводов с помощью распространяющейся по ним ВЧ электромагнитной волны на основании двух физических явлений: скин-эффекта и дискретного преобразования излучаемой электромагнитной энергии в тепло.

    2. Предлагаемый новый способ предотвращает образование наледи на проводах за счёт их нагрева при приближении гололёдного образования, а не плавит лёд после его образования на проводах. Способ позволяет не отключать потребителей от сети во время нагрева и экономит количество расходуемой энергии, поскольку нагревать провода достаточно на 20–30 °С по сравнению со 100–130 °С при плавке.

    3. Следующий этап во внедрении предлагаемого способа борьбы с гололёдом на ЛЭП состоит в необходимости создания промышленной установки.

    Литература

    1. Гололёд 1998 года в Северной Америке [Электронный ресурс]. Код доступа: ru.wikipedia.org/wiki/Гололёд_1998_года_в_Северной Америке.

    2. Каганов В. И. Борьба с гололёдом в линиях электропередачи с помощью высокочастотной электромагнитной волны // Электро. – 2010. – No 5. – С. 41–45.

    3. Каганов В. И. Нагрев проводов электрических сетей с и помощью высокочастотной электромагнитной волны для борьбы с гололёдом // Электро. – 2012. – No 3. – С. 21–25.

    4. Тамм И. Е. Основы теории электричества. – М.: ГИТТЛ, 1956.

    5. Айзенберг Г. З. Коротковолновые антенны. – М.: Радио и связь, 1962.

    6. Каганов В. И. Колебания и волны в природе и технике. – М.: Горячая линия-Телеком, 2008. Автор благодарит за помощь в изготовлении изделия и проведении испытаний инженеров фирмы «Инновация» (г. Подольск) Шматова В. С., Печенкина А. В., Моисеева А. В.

  • © «Московский институт энергобезопасности и энергосбережения»
    Полное или частичное использование материалов возможно только с разрешения редакции.
    Политика в отношении персональных данных
    Зарегистрирован в Федеральной службе по надзору в сфере массовых коммуникаций, связи и охраны культурного наследия. Свидетельство ПИ № ФС77-28742

    webmaster: webmaster@endf.ru