Устройство для контроля массы гололедных отложений на высоковольтных проводах воздушных линий электропередач

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для контроля гололедной нагрузки на высоковольтных проводах линий электропередач. Масса гололедных отложений определяется по степени поглощения радиоактивного излучения. Сущность изобретения: устройство состоит из источника радиоактивного излучения, закрепляемого на высоковольтном проводе, находящегося в поле этого излучения, сцинтиллятора, соединенного с фотоприемным блоком, расположенным автономно от высоковольтного провода, оптоволоконным световодом. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано на высоковольтных линиях электропередач для контроля гололедной нагрузки.

Передача электроэнергии осуществляется, главным образом, по воздушным линиям (ВЛ), находящимся в процессе эксплуатации под постоянным воздействием внешних факторов, из которых наиболее опасны гололедные воздействия, которые приводят к дополнительной механической нагрузке на провода и опоры, что создает риск разрушения линии, опасность для жизни людей. Гололедные аварии на ВЛ, как правило, имеют массовый характер и приносят большой ущерб. Эти аварии составляют для территории бывшего СССР около 30% от общего количества повреждений на ВЛ, а их продолжительность около 40% от общей продолжительности всех аварийных отключений. Гололедные аварии являются одними из самых тяжелых и трудноустранимых аварий на ВЛ, где их ликвидация затруднена из-за зимнего бездорожья, мерзлого грунта и разбросанности в ряде случаев одновременно пораженных участков.

В практике борьбы с гололедом определились два направления, одно из которых связано с увеличением механической прочности ВЛ. Однако, учитывая кратковременность существования больших гололедных нагрузок (0,03-0,5% от полного срока эксплуатации ВЛ), более экономически оправданным следует считать второе направление, предусматривающее активное воздействие на процесс гололедообразования и гололедные отложения. В рамках этого направления наиболее эффективны и освоены способы плавки гололеда электрическим током повышенных значений.

Эффективность в большей степени определяется своевременностью ее проведения. Запоздалая плавка гололеда может не дать должных результатов и способствовать развитию аварий.

Проблема защиты ВЛ от гололедно-ветровых воздействий заключается в отсутствии эффективной системы информационного обеспечения плавки гололеда, включающей в себя оповещение о гололедной опасности: сообщения метеостанций, обходчиков, соседних энергосистем, специальных постов наблюдения. Но наиболее полную, достоверную и, главное, своевременную информацию такого рода, независимо от времени суток и погоды, могут дать сигнализаторы гололеда, работа которых основана на контроле изменения характеристик ВЛ при гололедообразовании. Такой сигнализатор гололеда должен осуществлять автоматический непрерывный контроль массы гололедных отложений на единицу длины провода. В этом случае использование сигнализатора позволит получить своевременную информацию о гололедной ситуации, позволяющую выработать стратегию, очередность плавки гололеда на различных участках линий электропередач, вовремя собрать необходимые для плавки схемы, рассчитать оптимальные режимы плавки с точки зрения минимума затрат электоэнергии. Масса гололедных отложений на единицу длины провода входит в формулу для расчета необходимого тока и времени плавки и непосредственно определяет количество энергии, которое тратится в течение процесса плавки. Использование этого устройства позволит также наблюдать за эффективностью процесса плавки и вовремя прекратить его по окончании сбрасывания льда, что также способствует уменьшению бесполезных потерь электроэнергии.

Таким образом, использование сигнализатора позволяет предотвратить аварии, происходящие за счет несвоевременного или не успешного проведения плавки гололеда, а также уменьшить расход энергии за счет выбора оптимальных режимов плавки.

В процессе эксплуатации сигнализатора возможно получить банк данных о сочетаниях метеорологических параметров, благоприятствующих гололедообразованию, необходимый для проектирования линий электропередач, получения достоверных прогнозов гололедной ситуации.

Основные сложности создания устройства для контроля массы гололедных отложений связаны с выбором физического параметра гололедного отложения, однозначно связанного с его массой, независимо от плотности и типа кристаллической структуры льда, а также изоляция датчика, имеющего непосредственный контакт с высоковольтным проводом. Оптимальным является отсутствие проводящих электрический ток элементов в конструкции датчика.

Кратковременность и сезонность работы аппаратуры плавки гололеда, трудность организации достаточно эффективной эксплуатации предъявляет к устройству жесткие требования в части надежности и простоты его аппаратурной реализации.

Необходимым условием является также работоспособность устройства в широком диапазоне температур, от -30^oC до +100^oC (максимальная температура возможна в процессе плавки гололеда).

Известные в настоящее время устройства сигнализаторов гололеда обладают серьезными недостатками, препятствующими их массовому использованию. Они не позволяют осуществлять непрерывный контроль массы гололедных отложений на локальных участках высоковольтных проводов, а реагируют на наличие льда, превышение определенного уровня нагрузки в пролете ВЛ, или на превышение определенной толщины гололедной муфты (независимо от плотности гололедных отложений). Кроме того, известные устройства содержат системы питания, регистрации сигналов, каналов связи "подвешенные" к потенциалу высоковольтного провода, что приводит к необходимости использования громоздких, сложных элементов, не дает возможности осуществить эффективную защиту от электромагнитных помех и колебаний температуры окружающей среды.

Одно устройство [1] сигнализирующее о наличии обледенения высоковольтного провода, без определения параметров гололедного отложения, содержит элементы, присущие предлагаемому техническому решению - оптоволоконные светопроводы. Оно содержит источник оптического излучения, чувствительный элемент в виде оптического датчика, расположенного на высоковольтном проводе, фотоприемник. Источник оптического излучения и фотоприемник связаны с оптическим датчиком с помощью оптоволоконных светопроводов. Недостатком устройства является ограниченный характер выдаваемой информации есть или нет на проводе пленка льда. Причиной этого является принцип действия оптического датчика, включающего в себя набор отполированных торцов оптоволоконных светопроводов, часть которых ведет к источнику оптического излучения, а другая часть к фотоприемнику. Торцы располагаются в одной плоскости. В результате оптическая связь между источником оптического излучения и фотоприемником на воздухе практически отсутствует. Если торцы оптоволоконных светопроводов покрывается пленкой льда (или воды), за счет отражений света на границе лед (вода) воздух, свет распространяется по ледовой пленке, как по светопроводу, за счет чего возникает оптическая связь между источником оптического излучения и фотоприемником, вырабатывающим сигнал о ледовой опасности. Недостатком данного устройства является также существенное влияние на работу оптического датчика влаги и пыли при отсутствии к нему свободного доступа в процессе эксплуатации.

Близким аналогом по технической сущности заявляемому решению является устройство для измерения толщины проката, основанное на принципе определения массы вещества по степени поглощения в нем радиоактивного излучения. Оно включает сцинтиллятор, расположенный между контролируемой полосой проката и эталонным образцом, рабочий и компенсирующий источник радиоактивного излучения, установленные симметрично относительно сцинтиллятора, фотоэлектронный умножитель, имеющий непосредственный оптический контакт со сцинтиллятором, блок обработки и формирования управляющего сигнала, регистрирующее и показывающее устройство [2] Сцинтиллятор, фотоэлектронный умножитель, блок обработки сигнала составляют вместе сцинтилляционный детектор радиоактивного излучения.

Устройство предназначено для контроля толщины проката металлоизделий и обеспечивает достоверность контроля и надежность в работе. Однако, это устройство не может быть использовано для контроля массы гололедных образований на высоковольтных проводах линий электропередач в условиях высокого электрического потенциала, наличия мощных электромагнитных помех и значительных колебаний температуры окружающей среды. Уязвимой к указанным условиям частью данного устройства является фотоприемное устройство, регистрирующее световые вспышки сцинтиллятора, содержащее фотоэлектронный умножитель, блок обработки и формирования управляющего сигнала и т.д. "Подвешенность" фотоприемного устройства к потенциалу высоковольтного провода приведет к значительному усложнению его конструкции, невозможности эффективной защиты от электромагнитных помех и колебаний температуры окружающей среды.

Наиболее близким аналогом по технической сущности заявляемому техническому решению является устройство для контроля массы гололедных отложений на высоковольтных проводах ВЛ [3] Оно включает источник радиоактивного излучения (10), закрепляемый на высоковольтном проводе ВЛ, детектор радиоактивного излучения (11), также закрепляемый на проводе ВЛ на пути распространения излучения и взаимодействующий с приемником преобразованного сигнала.

Недостатки данного устройства вызваны расположением детектора радиоактивного излучения в непосредственной близости от высоковольтного провода, в условиях высокого электрического потенциала, мощных электромагнитных помех, значительных колебаний температуры и влажности внешней среды. В таких условиях невозможно рассчитывать на надежную и стабильную работу детектора радиоактивного излучения, содержащего во всех случаях чувствительную электронную схему, работающую со слабыми электрическими сигналами. Кроме того, "подвешенность" детектора к потенциалу высоковольтного провода вызывает необходимость использования громоздких, сложных устройств для его связи с приемником преобразованного сигнала, сложность и низкую надежность системы питания детектора, ограниченную возможность доступа к устройству. Проявление указанных недостатков должно возрастать с повышением рабочего напряжения ВЛ, а именно для высоковольтных ВЛ особенно важно обеспечить надежную защиту от гололедной опасности.

Задачей предлагаемого технического решения является создание простого по конструкции устройства, обеспечивающего надежную работу при определении массы гололедных отложений на высоковольтных проводах ВЛ.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в заявляемом устройстве для определения массы гололедных отложений на высоковольтных проводах ВЛ, содержащем источник радиоактивного излучения, закрепляемый на высоковольтном проводе линии электропередач; детектор радиоактивного излучения, включающий установленный в зоне этого излучения сцинтиллятор, взаимодействующий с фотоприемным блоком, фотоприемный блок расположен автономно от высоковольтного провода и соединен со сцинтиллятором оптоволоконным светопроводом.

В предлагаемом техническом решении детектор радиоактивного излучения, включающий сцинтиллятор и фотоприемный блок, разделен на две части: оптическую, расположенную в непосредственной близости от высоковольтного провода в зоне радиоактивного излучения, включающую сцинтиллятор, и фотоэлектрическую, расположенную автономно от высоковольтного провода, включающую фотоприемный блок, содержащий фотоприемник, электронное устройство обработки сигнала. Оптическая связь между двумя частями детектора радиоактивного излучения выполнена оптоволоконным светопроводом.

Оптическая часть практически неуязвима к условиям высоковольтного провода и не требует эксплуатации. На ее работу не влияют электромагнитные поля, пыль, влага, перепады температуры. Она состоит из диэлектрических элементов. Оптоволоконный светопровод не передает на фотоприемный блок потенциал высоковольтного провода.

Расположение фотоприемного блока автономно от высоковольтного провода, позволяет значительно упростить конструкцию устройства, осуществить его эффективную защиту от электромагнитных помех, колебаний температуры окружающей среды, дает простую возможность его эксплуатации.

Таким образом, отличием предлагаемого технического решения от наиболее близкого аналога, вызывающем полезный эффект, является разделение детектора радиоактивного излучения на две части, одна из которых располагается автономно от высоковольтного провода. Между двумя частями осуществляется оптическая связь оптоволоконным светопроводом.

На чертеже изображен общий вид устройства. Устройство состоит из источника 1 радиоактивного ионизирующего излучения, закрепляемого на высоковольтном проводе 2 линии электропередачи и сцинтиллятора 3, устанавливаемого автономно на диэлектрических элементах. Сцинтиллятор 3 оптоволоконным светопроводом 4 соединен с фотоприемным блоком 5, который в свою очередь связан с приемником преобразованного сигнала известной конструкции. Позицией 6 обозначен слой гололедных образований. Позициями 7 и 8 обозначены, соответственно, зеркальное и матовое покрытия, отражающие оптическое излучение внутрь материала сцинтиллятора.

В предлагаемом примере выполнения устройства сцинтиллятор выполнен в форме усеченного конуса, на большее основание которого нанесено зеркальное, а на боковую поверхность матовое покрытия, отражающие оптическое излучение внутрь материала сцинтиллятора, что позволяет осуществить, за счет отражений излучения от указанных покрытий, фокусирование оптического излучения и достаточно эффективный его ввод в оптоволоконный светопровод, делает пологим распределение по интенсивностям световых вспышек на выходе оптоволоконного светопровода, возникающих в различных участках материала сцинтиллятора за счет попадания туда квантов радиоактивного излучения. Это позволяет достаточно полно использовать активность источника радиоактивного излучения, осуществить надежную регистрацию световых вспышек.

Устройство работает следующим образом. Источник радиоактивного излучения 1, просвечивает слой гололедных отложений 6. Поток радиоактивного излучения воспринимается сцинтиллятором 3. Световые вспышки, возникающие в материале сцинтиллятора, количество которых пропорционально количеству воздействующих на него радиоактивных частиц, отражаясь от покрытий 7 и 8, фокусируются, поступают в оптоволоконный светопровод 4 и воспринимаются с помощью фотоприемного блока 5 известной конструкции, регистрирующего среднюю частоту следования световых вспышек. Масса гололедных отложений на единицу длины провода (m) определяется по формуле: m k·F_го/F_о (1) где: k градуировочный коэффициент, определяемый экспериментально; F_го частота следования световых вспышек в присутствии гололедных отложений; F_о частота следования световых вспышек в отсутствие гололедных отложений.

Информация о массе гололедных отложений на единицу длины провода, полученная с помощью устройств, установленных на различных участках ВЛ, анализируется и на ее основании принимаются решения о действиях по ликвидации гололедной опасности.

Формула изобретения

Устройство для контроля массы гололедных отложений на высоковольтных проводах воздушных линий электропередач, содержащее источник радиоактивного излучения, закрепляемый на высоковольтном проводе линии электропередачи, детектор радиоактивного излучения, включающий установленный в зоне этого излучения сцинтиллятор, взаимодействующий с фотоприемным блоком, отличающееся тем, что фотоприемный блок расположен автономно от высоковольтного провода и соединен со сцинтиллятором оптоволоконным светопроводом.

РИСУНКИ

Рисунок 1