Устройство определения наличия и толщины ледяных отложений на проводах воздушной линии электропередачи
Владельцы патента RU 2754773:
Общество с ограниченной ответственностью Малое научно-производственное предприятие «АНТРАКС» (ООО МНПП «АНТРАКС») (RU)
Использование: в области электроэнергетики. Технический результат – повышение точности определения наличия и толщины ледяных отложений на проводах воздушной линии электропередачи. Устройство содержит источник электрического питания, накопительный конденсатор, коммутатор, управляемый перестраиваемым генератором, и по меньшей мере один датчик. Измерительный элемент датчика представляет собой конденсатор. Обкладки конденсатора выполнены в виде двух проводников, расположенных параллельно в одной плоскости вдоль контролируемого провода линии электропередач. Расстояние от проводников до контролируемого провода составляет 4-10 мм. Проводники закреплены на проводе посредством диэлектрических крепежных элементов. Измерительный элемент датчика попеременно соединяется с источником электрического питания и накопительным конденсатором. Когда время заряда накопительного конденсатора по причине наличия ледяных отложений становится больше уставки, формируется аварийный сигнал. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Предлагаемое изобретение относится к электроэнергетике, а именно к устройствам, предназначенным для обеспечения эксплуатации электрических сетей.
Предлагаемое устройство определения наличия и толщины ледяных отложений на проводах воздушной линии электропередачи предназначено для определения наличия и толщины ледяных отложений на воздушных линиях распределительных электросетей напряжением 6-35 кВ.
При эксплуатации воздушных электрических сетей в холодное время года чрезвычайно важным является своевременное получение информации о наличии и толщине ледяных отложения на проводах линии. Ситуация, когда толщина ледяных отложений превысила допустимые значения, ведёт к обрыву проводов линии с последующим длительным поиском места аварии и устранением её последствий. При этом точная информация о наличии и толщине ледяных отложений позволяет выполнить необходимые противоаварийные мероприятия, и значительно снизить трудовые и временные затраты, необходимые для устранения аварий. В настоящее время известен ряд электронных устройств, которые позволяют определять наличие и толщину ледяных отложений на проводах воздушных линий электропередачи.
Из уровня техники известен способ обнаружения гололеда на проводах воздушных линий электропередачи (патент РФ № 2537380, приоритет 03.07.2013, МПК H02G 7/16), включающий передачу от начала линии до конца линии электропередачи высокочастотного сигнала и контроль параметров, связанных с изменением условий распространения этого сигнала при появлении гололеда, в качестве контрольных параметров принимают затухание высокочастотного сигнала при распространении по проводам воздушной линии, а о появлении гололеда судят по увеличению затухания высокочастотного сигнала, вызванного появлением гололеда, отличающийся тем, что контроль затухания высокочастотного сигнала производят с помощью специальных датчиков, расположенных на опорах воздушной линии, с определенными длинами проводов линии между датчиками, и для каждого участка линии между двумя датчиками, ограничивающими этот участок, определяют увеличение затухания высокочастотного сигнала, вызванного появлением гололеда, и с учетом длины проводов линии между двумя датчиками определяют толщину гололедной муфты на данном участке.
Недостатком предложенного способа является низкая защищенность от паразитных электромагнитных полей по причине того, что линия электропередачи сама является источником электромагнитного излучения, и функционирование датчика, основанного на анализе электромагнитного поля приводит к понижению точности определения наличия ледяных отложений на проводах линии.
Известно выбранное в качестве прототипа предлагаемого изобретения устройство определения толщины ледяных отложений на проводе (патент РФ № 2614988, приоритет 17.12.2015, МПК H02G 7/16), содержащее датчик, источник электрического питания, накопительный конденсатор и коммутатор, причем датчик представляет собой конденсатор, выполненный с возможностью размещения на проводе таким образом, что провод и/или отложения на проводе располагались между обкладками, причем коммутатор соединен с источником электрического питания, датчиком и накопительным конденсатором и выполнен с возможностью попеременного соединения датчика с источником электрического питания и накопительным конденсатором.
Недостатком предложенного устройства является конструкция датчика, в котором контролируемый провод проходит непосредственно сквозь обкладки конденсатора, выполненные в виде пластин, что неизбежно приведет к локальному образованию ледяных отложений в районе обкладок и таким образом датчик не сможет функционировать корректно, снизится точность определения наличия ледяных отложений. Кроме того, для разного сечения проводов требуется изготовление индивидуальных обкладок-пластин, что усложняет и удорожает эксплуатацию прототипа.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является разработка устройства определения наличия и толщины ледяных отложений на проводах воздушной линии электропередачи, обеспечивающего повышенную точность определения наличия и толщины ледяных отложений на проводах воздушной линии электропередачи, а также возможность установки и работы на проводах любого сечения.
Технический результат достигается тем, что предлагается устройство определения наличия и толщины ледяных отложений на проводах воздушной линии электропередачи, содержащее по меньшей мере один датчик с измерительным элементом, представляющим собой конденсатор, выполненный с возможностью размещения на проводе, а также содержащий источник электрического питания, накопительный конденсатор и коммутатор, управляемый перестраиваемым генератором, при этом коммутатор электрически соединен с источником питания, накопительным конденсатором и измерительным элементом таким образом, чтобы обеспечить возможность попеременного соединения измерительного элемента датчика с источником электрического питания и накопительным конденсатором, при этом измерительный элемент датчика представляет собой конденсатор, обкладки которого выполнены в виде двух проводников, расположенных параллельно в одной плоскости вдоль контролируемого провода линии электропередач таким образом, что расстояние от проводников до контролируемого провода составляет 4-10 мм, и закрепленные на нем посредством диэлектрических крепежных элементов, а датчик соединен посредством ближней радиосвязи с блоком связи и передачи информации, содержащим микропроцессорный управляющий модуль, модуль ближней радиосвязи и модуль связи стандарта GSM.
В предлагаемом устройстве определения наличия и толщины ледяных отложений на проводах воздушной линии электропередачи диэлектрические крепежные элементы измерительного элемента датчика могут быть выполнены в виде пластин из диэлектрического материала, которые содержат дугообразный вырез для фиксации измерительного элемента датчика на контролируемом проводе, и два сквозных отверстия, в которые пропускаются проводники измерительного элемента датчика.
В предлагаемом устройстве определения наличия и толщины ледяных отложений на проводах воздушной линии электропередачи в качестве стандарта ближней радиосвязи может использоваться стандарт Bluetooth Low Energy.
В предлагаемом изобретении измерительным элементом датчика являются 2 проводника, расположенные вдоль контролируемого провода линии электропередачи.
Предлагаемое изобретение позволяет создать устройство пригодное для емкостного обнаружения льда на линиях электропередач.
Наличие ледяных отложений изменяет емкость емкостного датчика, который является воспринимающим конденсатором, по сравнению с ситуацией, когда такие отложения отсутствуют.
С помощью измерительной схемы устройства определяется неизвестная емкость воспринимающего конденсатора. Накопительный конденсатор с известной емкостью заряжается посредством передачи заряда несколько раз от источника напряжения к накопительному конденсатору посредством заряда воспринимающего конденсатора. Данный алгоритм передачи заряда реализуется с помощью коммутатора, при этом частота коммутаций определяется перестраиваемым генератором. Процесс зарядки повышает напряжение накопительного конденсатора со скоростью, пропорциональной емкости воспринимающего конденсатора. Наличие осадков и их количество определяется отношением изменения емкости. При этом для надежного детектирования различных типов отложений (лед, вода) необходимо производить измерения емкости на двух различных частотах, т.к. диэлектрическая проницаемость воды и льда примерно одинакова на частотах до 1 кГц, и далее она отличается почти в 100 раз от 100 кГц до ~5 МГц. Соответственно если проводить измерения на частотах ниже 1 кГц и в диапазоне частот от 100 кГц до 5 МГц можно с высокой достоверностью определять наличие воды или льда, а по общему изменению ёмкости и толщину слоя.
Напряжение воспринимающего конденсатора является низкоэнергетическим сигналом, а напряжение накопительного конденсатора является высокоэнергетическим сигналом. Передача заряда большему известному конденсатору меньшим воспринимающим конденсатором позволяет интегрировать низкоэнергетический сигнал в высокоэнергетический сигнал, например, перед аналого-цифровым преобразованием. Следовательно, существенно снижается чувствительность измерительного устройства к электромагнитным помехам.
Когда время заряда накопительного конденсатора по причине наличия ледяных отложений на проводах становится больше уставки, формируется аварийный сигнал, который посредством блока связи и передачи информации передается на диспетчерский пункт энергорайона.
Выбранное в предлагаемом изобретении расположение проводников относительно контролируемого провода позволяет решить сразу несколько задач. Во-первых, повышается точность определения наличия и толщины ледяных отложений за счет того, что проводники располагаются по длине, достаточной для безошибочного определения наличия ледяных отложений и исключения ложных срабатываний из-за незначительных точечных образований льда. Во-вторых, упрощается монтаж самого датчика на провод, так как диэлектрический материал крепежных элементов обладает большей пластичностью по сравнению с металлическими пластинами, используемыми в прототипе.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображён устанавливаемый на контролируемый провод линии электропередачи датчик.
На фиг. 2 показана структурная схема предлагаемого устройства определения наличия и толщины ледяных отложений на проводах воздушной линии электропередачи.
На фиг. 1 показаны следующие позиции:
1 – контролируемый провод;
2 – проводники, составляющие обкладки датчика;
3 – диэлектрический крепежный элемент;
4 – корпус, содержащий измерительную схему датчика.
На фиг. 2 показаны следующие позиции:
5 – датчик;
6 – блок связи и передачи информации;
7 – микропроцессорный управляющий модуль;
8 – модуль ближней радиосвязи;
9 – модуль связи стандарта GSM.
Предлагаемое устройство определения наличия и толщины ледяных отложений на проводах воздушной линии электропередачи работает следующим образом. Датчик 5 устройства помещается на контролируемый провод 1 воздушной линии электропередачи и фиксируется посредством диэлектрических крепежных элементов 3. Блок связи и передачи информации 6 закрепляется на опоре линии электропередачи. Между собой датчик 5 и блок связи и передачи информации взаимодействуют посредством канала ближней радиосвязи. Датчик 5 производит измерения наличия и толщины ледяных отложений на контролируемом проводе 1 с определенной периодичностью. При отсутствии ледяных отложений между проводниками 2, составляющими обкладки воспринимающего конденсатора, его емкость не изменяется, и соответственно время заряда накопительного конденсатора находится ниже уставки. При формировании слоя ледяных отложений на контролируемом проводе 1 время заряда накопительного конденсатора датчика 5 по причине наличия льда между проводниками 2, составляющими обкладки воспринимающего конденсатора становится больше уставки, формируется аварийный сигнал, который посредством модуля связи стандарта GSM 9 блока связи и передачи информации 6 передается на диспетчерский пункт энергорайона.
В соответствии с предлагаемым изобретением было изготовлено устройство определения наличия и толщины ледяных отложений на проводах воздушной линии электропередачи. Размеры и взаимное расположение элементов устройства были выбраны из следующих соображений:
- расстояние от проводников 2 датчика 5 до контролируемого провода 1 воздушной линии электропередачи - исходя из допустимой толщины стенки гололеда было выбрано равным 5 мм – при большей толщине льда рекомендуется проводить мероприятия по плавке гололеда;
- диаметр проводников 2 был выбран равным 2,5 мм, а длина проводников – равной 1,1 м таким образом, чтобы обеспечить необходимую величину емкости, согласующуюся со электронной схемой измерения.
После подачи питающего напряжения устройства на проводники 2 датчика 5 подавались прямоугольные импульсы зарядного напряжения – таким образом воспринимающий конденсатор начинает заряжать накопительный конденсатор, а темп заряда определяется емкостью между проводниками 2, которая в свою очередь зависит от наличия льда на контролируемом проводе 1. Время заряда воспринимающего конденсатора до заданного напряжения измерялось сначала на частоте 200 Гц, потом после принудительного разряда, на частоте 200 кГц. По соотношению емкостей на разных частотах определялось наличие между проводниками 2 льда или воды. Измерения проводились с паузой 15 минут, после чего цикл измерения повторялся снова. При толщине льда менее 5 мм емкость воспринимающего конденсатора была минимальна, а при увеличении толщины льда больше 5 мм емкость (и время заряда) будет увеличивались.
Таким образом, в результате реализации предлагаемого изобретения было получено устройство определения наличия и толщины ледяных отложений на проводах воздушной линии электропередачи, обеспечивающее повышенную точность определения наличия и толщины ледяных отложений на проводах воздушной линии электропередачи, а также возможность установки и работы на проводах любого сечения без адаптации.
1. Устройство определения наличия и толщины ледяных отложений на проводах воздушной линии электропередачи, содержащее по меньшей мере один датчик с измерительным элементом, представляющим собой конденсатор, выполненный с возможностью размещения на проводе, а также содержащий источник электрического питания, накопительный конденсатор и коммутатор, управляемый перестраиваемым генератором, при этом коммутатор электрически соединен с источником питания, накопительным конденсатором и измерительным элементом таким образом, чтобы обеспечить возможность попеременного соединения измерительного элемента датчика с источником электрического питания и накопительным конденсатором, отличающееся тем, что измерительный элемент датчика представляет собой конденсатор, обкладки которого выполнены в виде двух проводников, расположенных параллельно в одной плоскости вдоль контролируемого провода линии электропередач таким образом, что расстояние от проводников до контролируемого провода составляет 4-10 мм, и закрепленных на нем посредством диэлектрических крепежных элементов, а датчик соединен посредством ближней радиосвязи с блоком связи и передачи информации, содержащим микропроцессорный управляющий модуль, модуль ближней радиосвязи и модуль связи стандарта GSM.
2. Устройство определения наличия и толщины ледяных отложений на проводах воздушной линии электропередачи по п.1, отличающееся тем, что диэлектрические крепежные элементы измерительного элемента датчика выполнены в виде пластин из диэлектрического материала, которые содержат дугообразный вырез для фиксации измерительного элемента датчика на контролируемом проводе и два сквозных отверстия, в которые пропускаются проводники измерительного элемента датчика.
3. Устройство определения наличия и толщины ледяных отложений на проводах воздушной линии электропередачи по п.1, отличающееся тем, что в качестве стандарта ближней радиосвязи используется Bluetooth Low Energy.
