Способ контроля температуры провода воздушной линии электропередачи и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для краткосрочного прогнозирования гололедообразования и управления установкой плавки гололеда на воздушной линии электропередачи. Техническим результатом является устранение влияния на результаты контроля температуры изменения гололедной и ветровой нагрузок на провод. Способ основан на косвенном измерении температурного линейного расширения провода в пролете между натяжной и поддерживающей гирляндами изоляторов. Датчиками силы, подвешенными между траверсой опоры и гирляндой изоляторов, измеряют силы тяжести, соответственно натяжной и поддерживающей гирлянд изоляторов. По ним с помощью двухвходового нелинейного преобразователя формируют сигнал, пропорциональный температурному линейному расширению провода, который компенсируют на нулевое значение путем суммирования с сигналом от независимого источника при первой известной температуре провода. При второй известной температуре провода регулируют коэффициент усиления выходного усилителя, подключенного к вторичному измерительному прибору, так чтобы его показание соответствовало отклонению второй известной температуры от первой. После этого используют показания вторичного измерительного прибора в качестве значения температуры провода. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для краткосрочного прогнозирования гололедообразования и убавления установкой плавки гололеда на проводах воздушной линии электропередачи.

Известен контактный способ контроля температуры провода, использующий зависимость от температуры электрического сопротивления металлов, сплавов, полупроводников или электродвижущей силы термоэлектрических пар [1, 2]. Недостатком контактного способа является то, что он требует непосредственного контакта первичного термопреобразователя с объектом контроля, находящимся под высоким напряжением, а это затрудняет передачу информации к вторичному измерительному прибору, находящемуся на потенциале земли.

Известен бесконтактный способ контроля температуры провода, использующий зависимость от температуры интенсивности теплового излучения [1, 3]. Он не требует специального канала передачи информации с высокого напряжения на потенциал земли, так как сигнал передается через промежуточную среду, но его недостатком является практическая непригодность для контроля температуры провода воздушной линии электропередачи, особенно в зимних условиях из-за влияния природных факторов (снег, туман, дождь) на поглощение теплового излучения провода промежуточной средой.

Известен косвенный способ контроля температуры провода путем ее вычисления с помощью математической модели процесса нагрева провода по факторам, влияющим на тепловой баланс провода: тока провода, температуры окружающей среды, скорости ветра [4]. Недостатком этого способа является сомнительная точность из-за влияния на температуру провода неконтролируемых факторов: направления ветра, влажности воздуха, степени турбулизации воздушного потока, прозрачности атмосферы, мощности солнечного излучения и т.п.

Известен способ контроля температуры провода, закрепленного с двух сторон, который использовался ранее в приборах тепловой системы [5], являющийся наиболее близким аналогом. Способ основан на измерении температурного линейного расширения нагреваемого электрическим током провода, которое пропорционально приращению температуры: Δl = l-l₀ = αl₀(ψ-ψ₀) = αl₀Δψ, где α - температурный коэффициент линейного расширения нити, l₀ - длина провода при начальной температуре ψ₀ Недостатком указанного способа, препятствующего его прямому использованию для контроля температуры провода воздушной линии электропередачи, является существенная зависимость удлинения провода не только от изменения температуры, но и от изменения механических нагрузок на провод - гололедной и ветровой.

Известно устройство, реализующее косвенный способ контроля температуры провода путем ее вычисления, содержащее первичные измерительные преобразователи факторов, влияющих на температуру провода (тока провода, температуры окружающей среды, скорости ветра), подключенные к вычислительному комплексу [4] . Недостатком устройства является существенное влияние на вычисляемую температуру провода многих неконтролируемых факторов.

Известно устройство контроля температуры провода, реализующее способ, основанный на измерении температурного линейного расширения провода [5], являющееся наиболее близким аналогом. Устройство содержит механический функциональный преобразователь, присоединенный с одной стороны к точке вблизи середины провода, закрепленного с двух сторон неподвижно, а с другой стороны к ролику с укрепленной на нем стрелкой, являющемуся вторичным измерительным прибором. Механический функциональный преобразователь состоит из металлической нити, называемой мостиком, присоединенной одним концом к проводу, а другим концом к неподвижной точке, и шелковой нити, присоединенной одним концом к середине мостика, а другим, перекинутым через ролик с укрепленной на нем стрелкой, к плоской стальной пружине. При нагревании провод удлиняется, и механический функциональный преобразователь поворачивает ролик со стрелкой на некоторый угол, служащий мерой температуры провода. Соответствующим подбором параметров механического функционального преобразователя (длины мостика, точки его присоединения к проводу, длины шелковой нити и диаметра ролика) можно обеспечить заданный коэффициент пропорциональности между отклонением температуры провода и углом поворота стрелки вторичного измерительного прибора.

Недостатком устройства, кроме его низкой надежности при эксплуатации на открытом воздухе, является существенная зависимость показания вторичного измерительного прибора от изменения механических нагрузок на провод - гололедной и ветровой.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи контроля температуры провода воздушной линии электропередачи. Техническим результатом осуществления изобретения является устранение влияния на результаты контроля температуры изменения гололедной и ветровой нагрузок на провод, что обеспечивает возможность краткосрочного прогнозирования гололедообразования, которое возможно при температуре провода ниже 0^oC, и управления установкой плавки гололеда, в частности, в повторно-кратковременном режиме, когда температура провода не должна превышать 70-100^oC. При этом результаты контроля температуры практически не зависят от изменения гололедной и ветровой нагрузок на провод.

Указанный технический результат обеспечивается заявляемым способом контроля температуры провода воздушной линии электропередачи, основанном на косвенном измерении температурного линейного расширения провода в пролете между натяжной и поддерживающей гирляндами изоляторов. По этому способу измеряют силы тяжения натяжной и поддерживающей гирлянд изоляторов, по ним формируют сигнал, пропорциональный температурному линейному расширению провода, который компенсируют от независимого источника при первой известной температуре провода, а при второй известной температуре провода регулируют коэффициент усиления этого сигнала так, чтобы его значение стало пропорционально с заданным коэффициентом пропорциональности отклонению второй температуры от первой, после чего используют значение выходного сигнала, фиксируемого вторичным измерительным прибором, в качестве значения температуры провода. При этом выбирают первую известную температуру провода около 0^oC, а вторую известную температуру провода - около 70^oC.

Заявляемый способ осуществляется устройством, содержащим функциональный преобразователь, соединенный с проводом, и вторичный измерительный прибор, причем функциональный преобразователь состоит из двух датчиков силы тяжения, установленных соответственно в натяжной и поддерживающей гирляндах изоляторов, выход каждого датчика силы подключен к соответствующему входу двухвходового нелинейного преобразователя, выход которого через суммирующий элемент, к инверсному входу которого подключен регулируемый независимый источник, и через усилитель с регулируемым коэффициентом усиления подключен к вторичному измерительному прибору. При этом в качестве датчика силы тяжения использован магнитоупругий датчик силы [6], подвешенный между траверсой опоры и гирляндой изоляторов, а двухвходовый нелинейный преобразователь содержит подключенный к первому входу первый блок возведения в квадрат, выход которого подключен к прямому входу первого суммирующего элемента, и подключенные ко второму входу нелинейного преобразователя последовательно первый переменный потенциометр и второй блок возведения в квадрат, выход которого подключен к инверсному входу первого суммирующего элемента и подключен также через второй переменный потенциометр к первому входу блока деления, ко второму входу которого подключен выход первого суммирующего элемента, который подключен также через блок извлечения квадратного корня к прямому входу второго суммирующего элемента, к инверсному входу которого подключен выход блока деления, а выход второго суммирующего элемента является выходом двухвходового нелинейного преобразователя.

Сущность заявляемого изобретения поясняется на фиг. 1, 2, 3. Фиг. 1 - функциональная схема устройства, фиг. 2 - схема расположения датчиков силы тяжения, фиг. 3 - диаграммы сил.

Устройство на фиг.1 содержит датчики силы тяжения 1 и 2. Датчик 1 подключен к входу (1), а датчик 2 к входу (2) двухвходового нелинейного преобразователя 3, который содержит по входу (1) первый блок возведения в квадрат 4, выход которого подключен к прямому входу первого суммирующего элемента 5, по входу (2) - первый переменный потенциометр 6 с коэффициентом передачи C₁ и второй блок возведения в квадрат 7, выход которого подключен к инверсному входу первого суммирующего элемента 5 и подключен также через второй переменный потенциометр 8 с коэффициентом передачи C₂ к первому входу блока деления 9, ко второму входу которого подключен выход первого суммирующего элемента 5, который подключен также через блок извлечения квадратного корня 10 к прямому входу второго суммирующего элемента 11, к инверсному входу которого подключен выход блока деления 9, а выход второго суммирующего элемента 11 является выходом двухвходового нелинейного преобразователя 3. К выходу 3 через третий суммирующий элемент 12, к инверсному входу которого подключен регулируемый независимый источник 13 сигнала U₀, и через усилитель 14 с регулируемым коэффициентом усиления C₃ подключен вторичный измерительный прибор 15.

На фиг. 2 показано расположение датчиков силы тяжения 1 и 2. Датчик силы тяжения 1 подвешен между траверсой опоры и натяжной гирляндой изоляторов 16, а датчик силы тяжения 2 подвешен между траверсой опоры и поддерживающей гирляндой изоляторов 17. На фиг. 2 обозначены также геометрические размеры провода 18, где A, В - точки подвеса провода 18 к натяжной и поддерживающей гирляндам изоляторов; O₁, O₂ - нижние точки провода в соответствующем пролете; а, в, с- расстояния по горизонтали между точками A и O₁; O₁ и B; B и O₂; a + в = l - длина пролета между натяжной и поддерживающей гирляндами изоляторов; в + с = l_вес - длина весового пролета.

На фиг. 3 показаны диаграммы сил, приложенных к датчику силы тяжения 1 (в точке А') и к датчику силы тяжения 2 (в точке В'). Здесь: V_A, P_A, H_A - составляющие силы тяжения N_A датчика 1 в натяжной гирлянде изоляторов 16: вертикальная, поперечная, горизонтальная продольная; V_B, P_B - то же датчика 2 в поддерживающей гирлянде изоляторов 17; . Дугами со стрелками обозначен угол 90^o.

В соответствии с фиг. 2: где скорректированные размеры равны: a' = a+G₁₆/g₁₈; (b+c)' = (b+c)+G₁₇/g₁₈; a''= a+Q₁₆/q₁₈; (b+c)''= (b+c)+Q₁₇/q₁₈; G₁₆, G₁₇, g₁₈ - вес гирлянды 16, гирлянды изоляторов 17 и 1 м провода 18;
Q₁₆, Q₁₇, q₁₈ - давление ветра на гирлянду изоляторов 16, гирлянду изоляторов 17 и 1 м провода 18.

Поскольку то H_A² = N_A²-(C₁'· N_B)²
Сигналы датчиков силы тяжения 1 и 2: U₁ = k₁N_A, U₂ = k₂N_B, где k₁, k₂ - коэффициенты пропорциональности, следовательно,
(k₁H_A)² = U₁² - (C₁U₂)²,
где
Отсюда горизонтальная продольная составляющая силы тяжения натяжной гирлянды пропорциональна

На фиг. 1 сигнал на выходе суммирующего элемента 5: U₅ = U₁² - (C₁U₂)² = (k₁H_A)², сигнал на выходе блока 7: U₇ = (C₁U₂)², сигнал на выходе блока 10: где C₁, C₂ - коэффициенты пропорциональности, равные коэффициентам передачи потенциометров 6 и 8 соответственно.

В соответствии с известным уравнением состояния провода в пролете (см., например [7] ), выразив напряжение провода в низшей точке σ и удельную нагрузку на провод γ соответственно через H_A и N_B, получим:

где E - модуль упругости провода; F - расчетное сечение провода; α - температурный коэффициент линейного расширения провода; индекс "0" соответствует условиям, при которых ψ = ψ₀ .

Подставим в это уравнение вместо сил их выражения через сигналы в схеме фиг. 1, получим:

где ; U₀ - сигнал от независимого регулируемого источника 13.

В соответствии с полученным уравнением схема фиг. 1 формирует сигнал, пропорциональный температурному линейному расширению провода при отклонении его температуры ψ от ψ₀ , который практически не зависит от изменения гололедной и ветровой нагрузок на провод.

Способ осуществляется устройством следующим образом. Датчиками силы тяжения 1 и 2, подвешенными между траверсой опоры и гирляндой изоляторов, измеряют силы тяжения соответственно натяжной 16 и поддерживающей 17 (фиг. 2) гирлянд изоляторов. По ним с помощью двухвходового нелинейного преобразователя 3 (фиг. 1) формируют сигнал, пропорциональный температурному линейному расширению провода, который компенсируют на нулевое значение с помощью суммирования в элементе 12 с сигналом U₀ от независимого источника 13 при первой известной температуре провода ψ₀ , т.е. при первой известной температуре провода ψ = ψ₀ изменением напряжения U₀ независимого источника 13 обеспечивают равенство нулю напряжения на выходе суммирующего элемента 12. При второй известной температуре провода регулируют коэффициент усиления С₃ выходного усилителя 14, подключенного к вторичному измерительному прибору 15, так чтобы значение выходного сигнала усилителя 14, которое определяет показания вторичного измерительного прибора 15, соответствовало отклонению второй известной температуры от первой. Таким образом вторичный измерительный прибор 15 оказывается отградуированным в единицах температуры провода (^oC). После этого используют показания вторичного измерительного прибора 15 в качестве значения температуры провода. С целью уменьшения погрешности измерения температуры провода в диапазонах ее использования для управления устройством плавки гололеда выбирают первую известную температуру провода около 0^oC, а вторую известную температуру провода около 70^oC.

Источники информации
1. Туричин А. М. Электрические измерения неэлектрических величин. 5-е изд. - Л.: Энергия, 1975.

2. Специальные термометры с термопреобразователями сопротивления /Е.И. Фандеев, Г.А.Лущаев, В.А.Карчков. - М.: Энергоатомиздат, 1987.

3. Низкотемпературные пирометры с тепловыми приемниками излучения /Е.И. Фандеев, Б. В.Васильев, А.П.Бараненко, В.М.Горбачев. - М.: Энергоатомиздат, 1993.

4. Петрова Т.Е, Фигурнов Е.П. Защита от перегрузки по току проводов воздушных линий электропередачи. -Электричество, 1991, N 8, с. 29-34.

5. Электрические и магнитные измерения. Под ред. Е.Г.Шрамкова. - Л.-М., 1937, с. 134-135.

6. Гуманюк М.Н. Магнитоупругие силоизмерители. - Киев: Техника, 1981.

7. Идельчик В. И. Электрические системы и сети. - М.: Энергоатомиздат, 1989.

Формула изобретения

1. Способ контроля температуры провода воздушной линии электропередачи, основанный на косвенном измерении температурного линейного расширения провода, закрепленного с двух сторон, отличающийся тем, что измеряют силы с помощью датчиков силы, установленных в натяжной и поддерживающей гирляндах изоляторов, между которыми закреплен провод, по ним формируют сигнал, пропорциональный температурному линейному расширению провода, который компенсируют от независимого источника при первой известной температуре провода, затем при второй известной температуре провода регулируют коэффициент усиления этого сигнала так, чтобы его значение стало пропорционально с заданным коэффициентом пропорциональности отклонению второй температуры от первой, после чего используют значение выходного сигнала в качестве значения температуры провода.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что выбирают первую известную температуру провода около 0^oС, а вторую известную температуру провода - около 70^oС.

3. Устройство контроля температуры провода воздушной линии электропередачи, содержащее функциональный преобразователь, соединенный с приводом, закрепленным с двух сторон, и вторичный измерительный прибор, отличающееся тем, что в состав функционального преобразователя входят два датчика силы, установленные соответственно в натяжной и поддерживающей гирляндах изоляторов контролируемого пролета провода, причем выход первого датчика силы подключен к первому блоку возведения в квадрат, выход которого подключен к прямому входу первого суммирующего элемента, выход второго датчика силы подключен через первый переменный потенциометр к второму блоку возведения в квадрат, выход которого подключен к инверсному входу первого суммирующего элемента и подключен также через второй переменный потенциометр к первому входу блока деления, к второму входу которого подключен выход первого суммирующего элемента, который подключен также через блок извлечения квадратного корня к прямому входу второго суммирующего элемента, к инверсному входу которого подключен выход блока деления, а выход второго суммирующего элемента через третий суммирующий элемент, к инверсному входу которого подключен регулируемый независимый источник сигнала, и через усилитель с регулируемым коэффициентом усиления подключен к вторичному измерительному прибору.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3