Воздействие гололёдно-изморозевых отложений на работу высокочастотных защит ЛЭП



Исследованы особенности влияния гололёда на проводах ЛЭП на работу высокочастотных защит. Рассмотрен принцип работы ВЧ-защит, типы гололёдных образований и особенности их появления, методы мониторинга гололёда на проводах и основные способы борьбы с ним. Выделены недостатки ВЧ-защит ЛЭП в части влияния гололеда. Даны предложения по устранению отрицательного влияния климатических проявлений на работу ВЧ-защит воздушных ЛЭП.

Ключевые слова: высокочастотная защита, воздушная линия электропередачи, гололёд, несущий провод, релейная защита, ВЧ связь, затухание сигнала, удаление гололёда.

The features of the influence of ice on power transmission lines on the operation of high-frequency protections are considered. The principle of operation of HF protection, types of ice formations and features of their appearance, methods of monitoring ice on wires, and the main ways to combat it are considered also. The disadvantages of RF protection of power transmission lines in terms of the influence of ice are highlighted. Proposals are given to eliminate the negative impact of climatic manifestations on the operation of HF protection of overhead power lines

Keywords : high-frequency protection, overhead power line, ice, carrier wire, relay protection, HF communication, signal attenuation, ice removal.

Введение

Центральная часть России с умеренно-континентальным климатом подвержена значительным перепадам годовых температур, что в осенне-весенний период может приводить к образованию ледяного покрытия разной структуры на проводах воздушных ЛЭП, что создаёт проблемы как в отношении прочности конструкций ЛЭП, так и для качества передаваемых по проводам ЛЭП служебных ВЧ сигналов. В настоящей работе методами аналитического обзора и анализа доступной информации исследован вопрос, данный в заглавии, для выработки решения проблемы влияния гололёда на работу ВЧ-связи по проводам ЛЭП и синтеза начального предложения.

ВЧ-защиты воздушных ЛЭП — Основным видом релейной защиты ЛЭП с напряжением выше 110 кВ является проведение необходимых отключений по ВЧ-сигналам, передаваемым по проводам ЛЭП [1] между концевыми подстанциями контролируемого участка. Информация между границами защищаемого участка передаётся как по фазным проводам, так и по тросам грозозащиты. Типовая структура ВЧ системы связи в энергетике показана на рисунке 1, и включает в себя источник — приёмник информации ИП, аппаратуру уплотнения АУ — модулятор-демодулятор; аппаратуру обработки АО — заградительный режекторный фильтр, отделяющий участок связи от остальной ЛЭП; аппаратура присоединения АП — чаще всего конденсатор на тысячи пФ, который обеспечивает развязку системы от рабочего напряжения ЛЭП.

Рис. 1. Общая структура ВЧ канала связи на воздушных ЛЭП

Не касаясь устройства перечисленных аппаратов, рассмотрим особенности распространения ВЧ сигнала на участке линейного тракта ЛЭП, с учетом образования гололедно-изморозевых отложений (ГИО) на проводах [1–3]. Суть ВЧ релейной защиты состоит в отключении ЛЭП при возникновении повреждений (КЗ, обрыв) — по управляющим сигналам, передаваемым по проводам между концевыми подстанциями защищаемого участка. В этом смысле условия распространения и передачи сигналов по проводу имеют первостепенное значение для надежности ВЧ-защит ЛЭП. Для повышения надёжности ВЧ связи в энергетике применяется частотное разделение каналов. Помехи связи, создаваемые коронным разрядом на элементах ЛЭП, подавляются узкополосной полосовой фильтрацией в каналах связи. Подключение ВЧ-аппаратуры к ЛЭП производится по схеме «фаза — земля», когда рабочие сигналы прокладываются к проводу фазы или тросу — по отношению к земле. Для организации дуплексной связи между концевыми подстанциями применяется временное уплотнение с чередованием импульсов и пауз ВЧ сигнала от каждого передатчика. Амплитуды действующих сигналов — на уровне десятков вольт, чувствительность приёмников — доли вольта. Диапазон частоты ВЧ-каналов связи — от десятков до сотен кГц. Автоматический контроль исправности канала ВЧ связи проводится с периодичностью (0.5  5.5) часа [1–3] путём посылки запроса по линии связи и ожидания соответствующего ответа от другой стороны связи. Высокочастотные защиты состоят из двух комплектов, расположенных по концам защищаемой линии. Для их действия необходима связь между полукомплектами защиты, осуществляемая с помощью токов высокой частоты, передаваемых по проводам защищаемой линии. Таким образом, по каналу высокочастотной связи осуществляется контроль за работой оборудования подстанций, а также передаются команды управления концевыми выключателями. Одним из факторов, влияющих на качество ВЧ-связи по проводам ЛЭП, является образование льда на проводах [4].

Гололёдно-изморозевые отложения (ГИО) на проводах ЛЭП — Принято классифицировать на следующие основные группы [3]:

— иней и кристаллическая изморозь в результате сублимации водяного пара;

— зернистая изморозь в результате осаждения переохлажденной воды;

— матовый или стекловидный гололед плотностью 0.6–0.9 г/см ³ ;

— замерзший мокрый снег плотностью 0.2–0.6 г/см ³ ;

— сложные отложения из нескольких слоёв изморози и гололеда.

На плотность отложений оказывает влияние температура воздуха, определяющая продолжительность образования ГИО. Имеет значение ветер, который ведёт к слипанию капель, растеканию и дроблению их по поверхности. Влияет геометрия ЛЭП — высота подвеса, диаметр проводов, их закручивание. Оказывают влияние также рельеф местности и потоки в атмосфере. Установлены допустимые — нормативные толщины льда на проводе для разных высот подвеса, измеряемые в десятках миллиметров [3]. Неконтролируемые ГИО вызывают критические нагрузки на провода и опоры воздушных ЛЭП, что приводит к их повреждениям: обрыву проводов и поломке опор ЛЭП. Прогнозирование ГИО на основе метеорологических данных воздушной среды применяется, но надежного результата на данный момент не даёт. Данные прогноза могут быть предупреждением о возможной угрозе ГИО, но не являются указанием о необходимости плавки гололеда на проводах в данный момент.

Гололед увеличивает затухание ВЧ сигналов, которые передаются по воздушным ЛЭП, в связи с диэлектрическими потерями в слое гололедного покрытия провода [5]. Кроме того, наличие ГИО уменьшает скорость распространения ВЧ сигналов из-за изменения диэлектрических свойств среды, окружающей провода. Наличие электрического поля вокруг ЛЭП ведёт к притягиванию дождевых капель к проводам. Силовой ток нагревает провод и снижает вероятность ГИО. Процесс гололедообразования может длиться от нескольких часов или суток до 2–3 месяцев с колебаниями интенсивности. Таким образом, защита ЛЭП от появления ГИО является актуальным вопросом энергетики, определяющим надёжность снабжения электроэнергией потребителей.

Технологии мониторинга ГИО — Для исследования ГИО на проводах воздушных ЛЭП [6] наибольшее распространение получили методы — тензометрический, локационный и инструментально — параметрический. При взвешивании провода с ГИО необходима компенсация ветровой нагрузки на провод, для выполнения которой в состав измерительной системы добавляют измерение скорости и направления ветра, по которым и рассчитывают ветровую нагрузку для её учёта. Локационный импульсный метод диагностики ГИО основан на измерении времени прихода отраженного сигнала и его амплитуды, которые меняются в зависимости от толщины ГИО. Инструментально-параметрический метод построен на применении инклинометров и термометров с автономным питанием, а также соответствующей автономной аппаратуры сбора и обработки информации. Измеряя дополнительный наклон провода вблизи опоры, и его температуру — результаты вводят в математическую модель, дающую удлинение провода, и удельную нагрузку, вызванную наличием ГИО. В итоге существует множество различных приборов, построенных на разных принципах — со своими преимуществами и недостатками. Данный перечень можно дополнять. У данного направления достаточно велики систематические погрешности, так как влияет много параметров, как — солнце, лед, дождь, влажность, ветер и другое.

На сегодняшний день контроль гололёдообразования на ВЛЭП практически не автоматизирован и осуществляется посредством исключительно визуальных осмотров линий и редких измерительных средств. Перспективно компьютерное зрение — наблюдение провиса провода интеллектуальной видеокамерой. Широко обсуждается идея автономных сигнализаторов гололёда на опорах ЛЭП, включающих в себя все описанные выше датчики, вместе с процессорами и средствами связи с базой [7]. Таким образом, исследование показало — мониторинг появления ГИО является прецизионным наукоёмким процессом, требующим индивидуального подхода и высокой компетенции исполнителей.

Борьба с ГИО — Основной способ своевременного устранения наледи с воздушных ЛЭП — плавка гололеда путём протекания по проводам повышенного тока [8, 9], как переменного, так и постоянного. Высокая эффективность плавки достигается при наличии достоверных данных о характере и количестве гололедообразования, а также точных данных о метеоусловиях на трассе линии. Известен способ удаления гололеда за счет нагрева проводов токами высокой частоты (ВЧ), когда за счет скин-эффекта повышается плотность тока в проводе и его температура при меньших затратах энергии. Плавка гололеда предусматривается при толщине стенки гололёда на проводе в среднем более 25 мм. Малые слои ГИО удаляют путём скалывания перемещающимися по проводу устройствами — управляемыми роботами. Кроме плавки током, сброс отложения с проводов производят за счет встряхивания провода шестами, взведенными пружинами [10], искусственной вибрацией, токами искусственных КЗ. Например, устройство УВК-110 — Устройство Возбуждения Колебаний для ЛЭП напряжением 110 кВ — успешно производится серийно, и построено на пороговом ударном возбуждении провода при достижении заданной величины веса провода в пределах (290  380) кг [10]. При срабатывании — ускорение достигает до 5g, усилие воздействия — до 5 тонн. Однократное воздействие — взведенная пружина. Плавка гололёда переменным током промышленной частоты требует значительных мощностей источника питания (десятки MB.А), поскольку активное сопротивление проводов воздушной линии значительно меньше индуктивного сопротивления. Используют импульсные токи, под действием которых провода ЛЭП притягиваются или отталкиваются, сбрасывая гололёдные образования. Таким образом, плавка ГИО отработана не хуже, чем его обнаружение, и вопрос состоит только в комплексировании общей системы ВЧ-защиты ЛЭП от обледенения.

ВЧ-связь по проводам ЛЭП, заданная по условиям задачи — не имеет прямого отношения к проблемам обнаружения ГИО и его устранения. К тому же показано, что мониторинг ГИО — задача непростая, наукоёмкая, и до повсеместного внедрения здесь еще далеко. Задача состоит лишь в обеспечении работоспособности ВЧ-защит ЛЭП при наличии обледенения. Прогнозирование данных — недостоверно, а мониторинг — сложная технология. Поэтому желательно предложить способ получения информации о состоянии ГИО на ЛЭП — средствами самой ВЧ-связи. Важно понимать, что мониторингом ГИО оборудованы единичные ЛЭП, а ВЧ-связью — большинство. Основной недостаток существующей ВЧ-связи на ЛЭП состоит в нарушении связи при появлении гололёда, в результате чего персонал вынужден отключать ВЧ защиты.

Рассмотрим видимые недостатков систем ВЧ-связи в связи с влиянием феномена ГИО, основные аспекты которого рассмотрены выше. Авторы работы [11] обнаружили особенность эксплуатации системы ВЧ-связи ПВЗУ, выражающуюся в существенном влиянии ГИО на приемную часть данной системы. Утверждается, что ВЧ защита, использующая ВЧ-связь по проводам защищаемой ЛЭП, изменяет свои свойства при появлении гололёда на проводах защищаемой ЛЭП. Образование ГИО ослабляет ВЧ сигнал, нарушает связь по ВЧ-каналу. В результате срабатывает защита, как бы от исчезновения сигнала по причине неисправности ЛЭП (КЗ, обрыв). В ведомстве авторов работы 36 из 43 ЛЭП оснащены такими ВЧ защитами, что повышает достоверность сделанного наблюдения. Установлено, что зимой неоднократно ВЧ сигнал пропадал не из-за аварии, а из-за гололёда. При наличии ГИО полукомплекты ВЧ защит не могут обмениваться ВЧ-сигналами, срабатывает защита и отключает ЛЭП. При большом наблюдаемом ослаблении сигнала персонал вынужден выключать ВЧ-связь, в результате чего ЛЭП работают без защиты от КЗ и обрывов. Персонал пытался подстраивать чувствительность приёмника периодически вручную — что оказалось неоперативно в условиях эксплуатации ЛЭП. При исчезновении ГИО — сигнал становится очень большой; автоматическая подстройка не предусмотрена.

В результате авторы сами предложили переключать чувствительность ступенчато — для чего ввели в систему дополнительный тумблер. При появлении сигнализации о низком сигнале тумблер включают и повышают усиление приёмника, затем выключают. Предложенный метод не позволяет плавно регулировать усиление, сразу на 30–35 дБ. Схема модернизации приведена на рисунке 3. Описанная ситуация требует поиска решения проблемы влияния ГИО на ВЧ-связь в рамках данной системы связи с учётом особенностей, выявленных авторами работы [11].

Новое предложение — Для устранения влияния ГИО на ВЧ-связь по проводам ЛЭП предлагается применить принцип автоматической регулировки усиления (АРУ), который успешно применяется в эфирной радиосвязи с начала прошлого века [12]. Структурная схема устройства, в применении к ВЧ-связи по проводам ЛЭП приведена на рисунке 2 по аналогии с рисунком 1 выше. Линейный тракт воздушной ЛЭП ограничен заградительными режекторными фильтрами АО с обеих сторон. Допустим, правый на схеме полукомплект передаёт, а левый принимает импульсные сигналы, содержащие информацию о состоянии линии на передающем конце. Провод ЛЭП подвергается воздействию ГИО, в результате чего уровень принимаемого сигнала слева непрерывно падает. Измерительное устройство ИУ регистрирует пониженный уровень сигнала, и управляет фазовым манипулятором ФМ так, чтобы правый передатчик давал в линию импульсный сигнал с определенной фазой относительно своего начала, допустим — первый полупериод отрицательный. Правый приемник содержит фазовый детектор ФД, который выделяет условленную фазу приходящего сигнала, и подает сигнал на регулируемый усилитель мощности РУМ о необходимости дальнейшего повышения уровня передаваемого в линию импульсного сигнала.

Рис. 2. Структура АРУ в ВЧ-связи на ЛЭП

Так продолжается до тех пор, пока ИУ не обнаружит нормальный уровень сигнала, переключит фазу сигнала, излучаемого из левого полукомплекта, на обратную, детектор ФД увидит это изменение и прекратит увеличение уровня на РУМ. Система займет устойчивое состояние, соответствующее действующему затуханию сигнала на линии, вызванному наличием ГИО и его ростом. После снятия ГИО с провода тем или иным способом уровень принимаемого сигнала опять возрастет до прежних значений, много превышающих номинальный уровень. Чтобы вернуть сигнал на прежний уровень предлагается организовать постоянное пошаговое снижение усиления РУМ до тех пор, пока ИУ на обнаружит номинальный уровень сигнала, и не инициирует его повышение описанным выше способом. Таким образом, уровень сигнала, принимаемого из ЛЭП, будет автоматически стабилизирован на заданном уровне, у коэффициент усиления РУМ будет пропорционален действующему значению затухания сигнала в линии, вызванного в том числе и наличием ГИО, что позволит осуществлять диагностику текущего уровня ГИО.

Заключение

Врезультате выполненного исследования дано конкретное предложение по доработке действующей системы ВЧ-связи, позволяющее устранить влияния ГИО на систему защиты воздушной ЛЭП. Дополнительно можно предложить такие нововведения, как — переход на частотную модуляцию ВЧ сигналов для повышения помехозащищённости и электромагнитной совместимости; более широкое использование дронов вертолетного типа для локальных наблюдений ГИО и качества проводов с помощью мобильных магнитометра, пирометра, сканирующего лидара, тепловизора — за этим будущее; и наконец — переходить на кабельные ЛЭП, где таких проблем нет.

В заключение следует сказать, что отдельные системы выявления и плавления льда не противоречат ВЧ-защитам. Если эти системы справятся со льдом, то ВЧ-защитам будет проще работать. Но лучше разделить — пусть системы устраняют лед во избежание аварий, но пусть ВЧ-защиты работают со льдом на ЛЭП, что и предлагается в данной работе.

Литература:

1. Скитальцев В. С. Высокочастотные каналы релейной защиты. Учебное пособие. Центр подготовки кадров энергетики. 2005.
2. Высокочастотные защиты ЛЭП — Студопедия (studopedia.ru), Принцип работы и назначение ВЧ-каналов связи высоковольтных линий электропередач» Школа для электрика — электротехнический портал (electricalschool.info),
3. Назначение и виды высокочастотных защит — Студопедия.Нет (studopedia.net);
4. Защита линий электропередач от гололедообразования — Студенческий научный форум (scienceforum.ru);
5. Минуллин Р. Г., Губаев Д. Ф. Обнаружение гололедных образований на линиях электропередачи локационным зондированием. — Казань: Казан. гос. энерr. ун-т, 2010.-208 с.
6. Дементьев С. С. Интеллектуальная система мониторинга гололёдообразования на воздушных ЛЭП. Диссертация. Волгоградский ГТУ. 2019.
7. Датчик гололедной нагрузки | Предотвращение и ликвидация гололедных аварий (leg.co.ua);
8. Современные методы борьбы с гололёдными отложениями на проводах воздушных линий электропередачи средствами силовой электроники | ООО «Энергия-Т» (energy-t.ru),
9. Защита воздушных линий электропередачи от гололёда (elektro-montagnik.ru);
10. Устройство возбуждения колебаний УВК-110. ООО «Композит». Паспорт КЭС.007.00.00.ПС. Новосибирск. 2020.
11. Внедрение и опыт эксплуатации оперативного изменения чувствительности ВЧ-приемников основных защит при появлении гололедно-изморозевых отложений на линиях электропередачи | Статьи журнала «ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» (eepir.ru);
12. Есаков В. Ф., Кудрин И. Г., Шноль М. М. Автоматическая регулировка усиления в усилителях НЧ. Массовая Радиобиблиотека. Вып. 752. Связь. 1970.