автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Методы и программно-аппаратные средства дистанционного контроля гололёдных отложений на проводах воздушных линий электропередачи

На правах рукописи

ПИСКОВАЦКИЙ ЮРИЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

МЕТОДЫ И ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ГОЛОЛЁДНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ НА ПРОВОДАХ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 ОКТ 2015

005563639

Казань -2015

005563639

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», на кафедре «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Губаев Дамир Фатыхович кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», проректор по интеграции с производством, и.о. зав. кафедрой «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем»

Сацук Евгений Иванович,

доктор технических наук, доцент,

ОАО «Системный оператор

Единой энергетической системы» (г. Москва),

начальник Службы внедрения

противоаварийной и режимной автоматики,

Карпов Аркадий Васильевич, доктор физико-математических наук, профессор, ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский) федеральный университет», профессор кафедры «Радиофизика»

ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева», г. Нижний Новгород

Защита состоится 11 декабря в 16 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.082.01, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» (420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51, ауд. Д-255, тел./факс (843) 562-43-30).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51, КГЭУ, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.082.01.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Казанского государст венного энергетического университете и на официальном сайте КГЭУ http://www.kgeu.I-u/Diss/Dissertallt/198?idDiss=34

Автореферат разослан « 06» октября 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.ф.-м.н.

Калимуллин Рустем Ирекович

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена разработке методов и автоматического программно-аппаратного комплекса (ПАК) для сигнализации о начале процесса гололёдообразования и о наличии аварийно-опасных гололёдно-изморозевых отложений (ГИО) на проводах воздушных линий электропередачи (ЛЭП) с целью повышения надёжности электрической сети путём своевременной плавки гололёдных отложений или профилактического нагрева проводов воздушных линий (ВЛ).

Актуальность темы. Воздушные ЛЭП являются ответственным и в то же время одним из самых уязвимых элементов электроэнергетической системы, повреждение и аварийное отключение ВЛ приводит к значительному ущербу для сетевых организаций и потребителей.

Наиболее тяжелыми и трудноустранимыми авариями на ВЛ являются гололёдные аварии, которые вызываются образованием ГИО на проводах ВЛ, что в сочетании с ветровыми нагрузками может явиться причиной обрыва проводов, поломки траверс и опор. Гололёдные аварии часто носят массовый характер и приводят к большому экономическому ущербу.

Проблемам обнаружения ГИО на ВЛ и их влияния на высокочастотную (ВЧ) связь, организованную по проводам ВЛ, посвящены работы Дьякова А.Ф., Брауде Л.И., Засыпкина A.C., Куликова А.Л., Левченко И.В., Яковлева Л.В., Шкарина Ю.П., Коваленко В.И., Цитвера И.И., Шалыта Г.М., Микуцкого Г.В., Бургсдорфа В.В., Скитальцева B.C., Штейнбока Л.С., Книжника Р.Г., Сацука Е.И., Минуллина Р.Г., Губаева Д.Ф. и др.

Для обнаружения ГИО на проводах ВЛ в контролируемых пунктах преимущественно используют сигнализаторы ГИО, принцип действия которых основан на взвешивании проводов ВЛ. Основным источником информации о возможном образовании ГИО на В Л по-прежнему являются прогнозы погоды (температура окружающего воздуха, осадки, влажность воздуха, скорость и направление ветра), данные о текущем состоянии погоды, штормовые предупреждения об опасных метеорологических явлениях.

В связи с этим актуальна разработка новых дистанционных методов, технологий и средств сигнализации о начале процесса гололёдообразования и о наличии аварийно-опасных ГИО на проводах ВЛ.

В работе на основе факта изменения условий распространения ВЧ сигнала по проводам ВЛ при образовании ГИО предлагается обеспечить реализацию дистанционного принципа для сигнализации о начале процесса гололёдообразования и о наличии аварийно-опасных ГИО на проводах воздушных линий электропередачи, что позволит в режиме реального времени прогнозировать образование и получать информацию о наличии ГИО на ВЛ с автоматизированных рабочих мест (АРМ) диспетчерского персонала энергосистем.

Объект исследования - гололёдно-изморозевые отложения на проводах воздушных линий электропередачи.

Предмет исследования - метод и средства обнаружения гололёдно-изморозевых отложений на проводах воздушных линий электропередачи.

Целью работы является разработка методов и автоматического ПАК для сигнализации о начале процесса гололёдообразования и о наличии аварийно-опасных ГИО на проводах воздушных линий электропередачи.

Основные задачи диссертационной работы.

1. Выполнить критический анализ методов и средств обнаружен™ ГИО на проводах воздушных линий электропередачи, рассмотреть методы борьбы с ГИО.

2. Исследовать физические и технические возможности способов обнаружения ГИО, основанных на изменении условий распространения ВЧ сигналов по проводам ВЛ.

3. Провести математическое и компьютерное моделирование распространения волн в многопроводных линиях вблизи поверхности земли.

4. Разработать способ обнаружения ГИО на проводах ВЛ и сигнализации о начале процесса гололёдообразования.

5. Разработать алгоритмы автоматического обнаружения ГИО на проводах воздушных линий электропередачи.

6. Провести лабораторные и полевые исследования предложенных способов обнаружения ГИО на проводах ВЛ, рассмотреть влияние температуры провода ВЛ на результаты локационного зондирования.

7. Разработать принципы построения, структуру и алгоритмы функционирования ПАК, реализующего предложенные способы обнаружения ГИО на проводах ВЛ.

Методы исследования. При разработке и решении поставленных задач применялись общенаучные методы исследования: системно-структурный, сравнительный анализ, наблюдение, измерение, математическое и компьютерное моделирование, были проведены лабораторные и полевые эксперименты. Решение поставленных задач базируется на достижениях фундаментальных и прикладных наук, таких как математический анализ и математическая статистика, теоретические основы электротехники, радиоэлектроники и радиолокации.

Достоверность результатов работы. Достоверность результатов подтверждается сходимостью экспериментальных данных по определению влияния ГИО на условия распространения ВЧ сигнала, полученных при проведении лабораторно-полевых исследований, с данными компьютерного моделирования. Сформулированные в диссертации выводы и рекомендации обоснованы теоретическими решениями и экспериментальными данными, которые не противоречат известным положениям расчета распространения ВЧ сигналов по многопроводным линиям, а также сопоставимостью результатов с данными, полученными другими исследователями.

Научная новизна работы:

1. Разработан метод выявления участка воздушной линии электропередачи, на котором произошло образование ГИО, с помощью датчиков, фиксирующих изменение амплитуды высокочастотного сигнала вдоль трассы ВЛ.

2. Разработан метод обнаружения ГИО на проводах воздушных линий с применением активного зондирования, где в качестве зондирующего сигнала

используется радиоимпульс с колокольной формой огибающей и различными частотами заполнения.

3. Разработаны принципы построения, структура и алгоритмы функционирования ПАК, реализующего предложенные методы обнаружения гололёдных отложений на проводах BJI.

4. Получены результаты полевых и лабораторных исследований по обнаружению ГИО на проводах BJI по анализу затухания и увеличению времени распространения зондирующих сигналов, подтверждающие возможность применения предложенных методов обнаружения ГИО на проводах BJL

Практическая значимость полученных результатов. Разработанный автоматический ПАК, состоящий из устройства локационного зондирования и датчиков уровня ВЧ сигнала, позволит:

1) определять местоположение гололёдных отложений вдоль трассы BJ1;

2) быстро, надежно, с высокой чувствительностью автоматически обнаруживать раннее образование ГИО на BJ1;

3) сигнализировать о необходимости плавки гололёдных отложений;

4) контролировать процесс плавки гололёдных отложений.

Это позволит сократить недоотпуск электроэнергии потребителям электрической энергии из-за обрыва проводов BJI и падения опор, повысить надежность функционирования воздушных ЛЭП.

Теоретическая значимость исследования. Данная работа будет способствовать развитию методов обнаружения ГИО на проводах ВЛ, основанных на изменении условий распространения ВЧ сигналов по линейному тракту ВЛ.

На защиту выносятся:

1. Метод выявления участка воздушной линии электропередачи, на котором произошло образование ГИО, с помощью датчиков, фиксирующих изменение амплитуды высокочастотного сигнала вдоль трассы ВЛ.

2. Метод обнаружения ГИО на проводах воздушных линий электропередачи с применением активного зондирования, где в качестве зондирующего сигнала используется радиоимпульс с колокольной формой огибающей и различными частотами заполнения.

3. Принципы построения, структура и алгоритмы функционирования ПАК, реализующего предложенные методы обнаружения ГИО на проводах ВЛ.

4. Результаты исследований обнаружения ГИО на проводах воздушных ЛЭП по анализу затухания и увеличения времени распространения зондирующих сигналов, подтверждающие возможность применения предложенных методов обнаружения ГИО на проводах ВЛ.

Апробация работы. Теоретические положения, результаты и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI, VII и VIII открытых молодежных научно-практических конференциях «Диспетчеризация в электроэнергетике: проблемы и перспективы» (Казань, 2011, 2012 и 2013 гг.) и IV международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (Новочеркасск, 2013 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 20 печатных работах, в том числе в 5 статьях в рецензируемых научных изданиях,

входящих в перечень ВАК, 3 патентах на изобретение, 2 патентах на полезную модель, 2 свидетельствах о регистрации программы для ЭВМ, 8 в материалах докладов всероссийских и международных научных конференций. Перечень авторских публикаций приведён в конце автореферата и диссертации.

Реализации результатов работы. Результаты исследований внедрены в учебный процесс кафедры «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем» Казанского государственного энергетического университета по направлению подготовки 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника», профиль «Автоматика энергосистем».

Личный вклад автора работы. Автором проведены лабораторные и полевые эксперименты на учебном полигоне ФГБОУ ВПО КГЭУ «Распределительные сети 10/0,4 кВ» и подстанции 1 Юкв «Арск» филиала ОАО «Сетевая компания» Республики Татарстан Приволжские электрические сети, выполнен анализ экспериментальных данных и их интерпретация. Разработан метод выявления участка ВЛ, на котором произошло образование ГИО, с помощью датчиков, контролирующих изменение амплитуды ВЧ сигнала вдоль трассы ВЛ. Участвовал в разработке алгоритмов и компьютерных программ по обработке результатов измерений, участвовал в разработке и апробации методик обнаружения гололёдных образований на проводах воздушных линий электропередачи.

Автор принимал непосредственное участие в написании публикаций по результатам исследования и их подготовке к печати, а также в представлении результатов на научных конференциях.

Соответствие диссертации научной специальности.

Диссертация соответствует специальности 05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» и относится к следующим областям исследования:

1) разработанный метод обнаружения ГИО на проводах воздушных ЛЭП с применением активного зондирования, где в качестве зондирующего сигнала используется радиоимпульс с колокольной формой огибающей и различными частотами заполнения, соответствует п. 1 «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»;

2) разработанный автоматический ПАК для обнаружения ГИО на проводах ВЛ соответствует п. 3 «Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами»;

3) разработанные программы сбора и обработки сигналов локационного зондирования соответствуют п.6. «Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля».

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем диссертации

составляет 125 страниц, в том числе 40 рисунков, 10 таблиц, библиографический список включает 84 наименования.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность проблем обнаружения ГИО на проводах воздушных линий электропередачи, формулируются цель и решаемые задачи, отмечается научная новизна и практическая значимость работы, формируются положения, выносимые на защту.

В первой главе выполнен литературный обзор и оценено состояние проблемы обнаружения ГИО на проводах BJ1 на данный момент.

Рассмотрены особенности ВЛ 110-220 кВ для решения задачи обнаружения ГИО, приведены общие сведения о ГИО на ВЛ. Проведён анализ современных методов и технических средств обнаружения и прогнозирования образование ГИО.

Установлено, что для решения задачи обнаружения гололеда на проводах ВЛ получили широкое распространение технические средства на основе метода взвешивания проводов.

Проанализированы недостатки методов дистанционного определения веса гололёдных отложений, основанных на взвешивании проводов, наиболее существенными из которых являются:

контроль за гололёдными отложениями на ВЛ осуществляется только на локальных участках;

необходимость внесения изменений в конструкцию ВЛ. Проанализирован метод активной импульсной локации с использованием прямоугольных видеоимпульсов, выявлены недостатки данного метода, основной из них: при зондировании ВЛ создаются помехи для передачи технологических сигналов, принадлежащих системам релейной защиты, телемеханики и связи. Показано, что перспективными являются разработки методов обнаружения ГИО на проводах ВЛ, основанные на изменении условий распространения ВЧ сигналов по линейному тракту ВЛ.

Вторая глава содержит результаты математического и компьютерного моделирования распространения волн в многопроводных линиях вблизи поверхности земли. Рассмотрены аспекты распространения электрических сигналов по трёхпроводным линиям с горизонтальным и треугольным расположением проводов, а также двухцепным шестипроводным воздушным линиям электропередачи при образовании ГИО.

Показано, что при образовании ГИО на ВЛ наблюдается увеличение затухания линейных трактов каналов связи и снижение скорости распространения электромагнитной волны. Увеличение затухания линейного тракта обусловлено диэлектрическими потерями в слое покрытия. Электромагнитная волна распространяется в пространстве между проводами. Наибольшая концентрация энергии имеет место вблизи поверхности проводов. Если поверхность провода покрыта ГИО, то электромагнитная волна распространяется в несовершенном диэлектрике и часть энергии этой волны идет на нагрев гололедного покрытия. Наибольшие потери вносит чистый

гололед, т.к. он образует наиболее плотное покрытие [2]. Прирост затухания, вызванный гололедным покрытием, зависит от толщины стенки покрытия и от длины участка обледенения. Основываясь на выражениях, представленных в [2, 3].. была написана программа для ЭВМ «Расчет влияния элементов ВЧ тракта линий электропередачи 110-220 кВ на распространение импульсных зондирующих сигналов» [Al 1]. В этой программе были выполнены оценочные расчеты влияния ГПО на затухание и скорость распространения ВЧ сигнала в междуфазных и «земляном» волновых каналах.

На рис. 1 представлены расчётные частотные зависимости скорости распространения ВЧ сигнала при образовании ГИО на проводах ВЛ напряжением 110 к В при различной толщине стенки гололёдной муфты (марка провода АС-120).

Рис. 1. Расчётная частотная зависимость скорости распространения ВЧ сигнала по междуфазному волновому каналу на проводах ВЛ 110 кВ при различной толщине стенки гололёдной муфты, соотнесённая со скоростью света (1-10 мм, II -20 мм, III -30 мм, IV - 40 мм, V - 50 мм)

Как видно из рис. I, наибольшее снижение скорости распространения ВЧ сигнала происходит на частотах ниже 600 кГц.

На рис. 2 представлены расчётные частотные зависимости прироста затухания линейного тракта на километр ГПО на проводах ВЛ напряжением 110 кВ при различной толщине стенки гололёдной муфты (марка провода АС-120).

Как видно из рис. 2, затухание ВЧ сигнала под действием ГИО наиболее интенсивно увеличивается с ростом частоты до 300 кГц, дальнейшее увеличение затухания с ростом частоты замедляется. На частотах выше 400 кГц вносимое затухание почти не зависит от частоты.

Рис.2. Расчётная частотная зависимость прироста километрического затухания линейного тракта от гололёда на проводах ВЛ 110 кВ при различной толщине стенки

гололёдной муфты (I - 10 мм, II - 20 мм, III - 30 мм, IV- 40 мм, V - 50 мм)

Также был произведён выбор зондирующего сигнала с учётом наличия в ВЧ тракте технологических сигналов [Al8, А20], предложены новый способ обнаружения ГИО с применением радиосигналов с колокольной огибающей и метод обнаружения ГИО с применением датчиков, контролирующих изменение ВЧ сигнала вдоль трассы ВЛ.

Применение радиосигнала в качестве зондирующего позволяет:

1) снизить влияние устройства локационного зондирования на приемопередатчики технологической информации (ВЧ связь, телемеханика, релейная защита и противоаварийная автоматика);

2) применить помехоподавляющие фильтры на входе приемника, настроенные на рабочие частоты ВЧ канала, что позволяет исключить влияние технологической информации на результат зондирования.

В I реч ьеи главе описан ПАК обнаружения ГИО на проводах ВЛ напряжением 1 10-220 кВ. в который входит устройство локационного зондирования и датчики, контролирующие изменение затухания ВЧ сигнала вдоль трассы ВЛ.

Приведены технические требования к устройству локационного обнаружения ГИО и датчикам. На рис. 3 представлена функциональная схема устройства локационного зондирования, которая поясняет взаимодействие его узлов друг с другом.

10

11 11

ВЧ тракт

Локатор

- 3 -1- 2

1 - генератор импульсов;

2 - приемник импульсов;

3 - компьютер;

4 - система связи;

5 - разделительный фильтр;

6 - конденсатор связи;

7 - фильтр присоединения;

8 - высокочастотный заградитель;

9 - провода ВЛ;

10 - компьютер-сервер,

11 - датчики уровня ВЧ сигнала.

Рис. 3. Функциональная схема устройства

В качестве генератора импульсов ] используется генератор сигналов произвольной формы В-332, приемника импульсов 2 цифровой осциллограф В-423. Устройство подключается к ВЧ тракту через разделительный фильтр 5, который снижает влияние устройства на аппаратуру ВЧ связи. ВЧ тракт включает в себя: конденсатор связи 6, фильтр присоединения 7, ВЧ заградитель 8, проводи ВЛ 9. С генератора импульсов 1 зондирующие импульсы попадают в линию. Отраженные импульсы поступают с линии в приемник, который обрабатывает и передает данные в компьютер 3. При помощи специально разработанной программы производится управление генератором импульсов и цифровым осциллографом, выделение отраженного сигнала на фоне помех, обнаружение образования гололедных отложений, а также осуществляется передача данных на компьютер сервера 10 через систему связи 4. Пуск локатора осуществляется при обнаружении ПЮ на участке ВЛ с помощью датчиков уровня ВЧ сигнала 11, для уточнения параметров ГИО измеряется дополнительная задержка и амплитуда отраженного импульса.

Предложен новый способ вычисления запаздывания отраженного от конца ВЛ импульса, представлены алгоритмы вычисления амплитуды отраженного сигнала. Упрощенная блок-схема алгоритма вычисления запаздывания отраженного импульса представлена на рис. 4.

Начало

Считывание текущей рефлектрограммы RFGtok

Загрузка чондир. импульса IMP и его координата i

Вычисление уровня шума

Вычисление R(/)

J

Перемножение R(0

Нет

Rmax-K>Ri+/

Да

При определении координаты отраженного импульса используются две и более рефлектограммы с разными частотами заполнения. При этом все корреляторы имеют совпадающий (по параметру т) центральный пик, а боковые пики не совпадают за счет разных частот заполнения радиоимпульсов. После перемножения двух и более корреляторов пики произведения корреляторов уменьшатся, кроме центрального пика. Это позволяет однозначно определить максимум коррелятора и повысить точность определения времени

распространения радиоимпульса по ВЧ тракту.

В результате моделирования распространения радиоимпульса с колокольной огибающей по ВЧ тракту ВЛ была получена форма сигнала, отраженного от конца линии с учетом двойного пробега по ВЧ тракту. При этом форма отраженного сигнала не претерпевает изменений при наличии ГИО на проводах ВЛ. Данный признак использован при математической обработке отраженного сигнала с помощью корреляционного метода.

Приведены результаты полевых измерений Рис. 4. Упрощенная блок-схема времени распространения радиоимпульса алгоритма вычисления колокольной формы по ВЧ тракту

дополнительной задержки действующей ВЛ напряжением 110 кВ

«Арск - Куркачи». Учитывая параметры ВЛ. для зондирования были выбраны радиоимпульсы с колокольной формой огибающей амплитудой 8 В, длительностью 100 мке и частотами заполнения 800 и 1000 кГц. На рис. 5 представлена рефлектограмма ВЛ 110 кВ «Арск Куркачи».

Взаимная корреляционная функция (ВКФ) от времени между рефлектограммой и зондирующим сигналом представлена на рис. б.Так как фронт радиоимпульса сглаженный, значения взаимной корреляционной функции имеют несколько пиков, отстоящих друг от друга на значение 1//, поэтому проблематично определить однозначно максимум данной функции, что необходимо для нахождения времени распространения импульсного сигнала по ВЧ тракту.

Ичменение частоты ¡аполнення

Вычисление времени распространения сигнала: ¿1 ;=(»-_ /inax)/Sample rale____

I

Конец

IUI) 200 300 400 /, мк

100 200 300

Рис. 5. Рефлектограмма ВЛ 110 кВ «Арск - Курками» при зондировании радиоимпульсом с параметрами: амплитуда 8 В, длительность 100 мкс, частота заполнения 800 кГц

Рис. 6. Значения взаимной корреляционной функции от времени между рефлектограммой ВЛ 110 кВ «Арск - Куркачи» и зондирующим сигналом

На рис. 7 представлено перемножение двух ВКФ, полученных при ■зондировании ВЛ ¡10 кВ «Арск - Куркачи» колокольными радиоимпульсами длительностью 100 мкс и частотами заполнения 800 и 1000 кГц. Отличие центральных пиков от боковых несущественно, что не позволяет однозначно определить время распространения импульсного сигнала по ВЧ тракту.

Поэтому дополнительно произведено зондирование ВЛ радиоимпульсами с частотой заполнения 850 кГц. На рис. 8 представлен результат перемножения трёх ВКФ, полученных при зондировании ВЛ радиоимпульсами с частотами заполнения 800, 850 и 1000 кГц. Уменьшение боковых пиков обусловлено их смещением друг относительно друга. Это позволяет однозначно выделить максимум коррелятора, и точно определить время распространения узкополосного радиоимпульса по ВЧ тракту.

и 100 200 300 400 I, мкс

Рис. 7. Произведение ВКФ, полученных при зондировании ВЛ 110 кВ «Арск - Куркачи» радиоимпульсами с частотами заполнения 800 и 1000 кГц

0 100 200 300 400 /,»

Рис. 8. Произведение ВКФ, полученных при зондировании ВЛ 110 кВ «Арск - Куркачи» радиоимпульсами с частотами заполнения 800, 850 и 1000 кГц

Рассмотрены основные особенности метода и условий эксплуатации датчиков уровня ВЧ сигнала, которые определяют состав и конструкцию разработанного датчика. На рис. 9 представлена функциональная схема датчика, которая поясняет принцип работы и показывает взаимодействие между его основными узлами, на рис. 10 показан общий вид датчика.

Рис. 9. Функциональная схема датчика, Рис. 10. Общий вид датчика уровня контролирующего уровень ВЧ сигнала ВЧ сигнала

Измерение уровня ВЧ сигнала производится с помощью ферритовой антенны 1, расположенной перпендикулярно проводу BJ1 и настроенной на частоту передатчика. Для подстройки частоты применяется группа конденсаторов с переменной емкостью, для уменьшения влияния токов промышленной частоты установлен НЧ фильтр 2. Полученное напряжение выпрямляется с помощью диодного моста 3. Выпрямленное напряжение поступает на усилитель 4, далее на АЦП микроконтроллера 5. Оцифрованное значение передаётся посредством GSM модема 6 на сервер, где полученные от каждого датчика данные обрабатываются и хранятся. Питание датчиков 7 можно осуществить двумя способами: с использованием аккумуляторных батарей, которые подзаряжаются солнечными панелями, или от фазного тока, посредством монтажа на фазный провод трансформаторов тока.

Чет вёрт ая глава посвящена экспериментальным исследованиям.

Работы проводились на физической модели BJ1, расположенной на полигоне «Распределительные сети 10/0,4 кВ» ФГБОУ ВПО КГЭУ. Для моделирования образования ГИО на проводах ВЛ были закреплены заранее приготовленные цилиндрические бруски льда с плотностью порядка 0,9 г/см и толщиной стенки гололёдной муфты 50 мм на двух участках А и В (рис. 11,12). Гололёдом были покрыты три фазных провода ВЛ, длина ГИО на участке А составила 5 метров, на участке В - 9 метров.

Рис. 11. Закрепление брусков льда Рис. 12. Закрепление брусков льда

на участке А на участке В

К вводному концу модели ВЛ по схеме «провод-земля» был подключен компьютерный осциллограф/генератор Signal 6501-USB. Ввиду малой длины провода модели ВЛ (40,6 м) в качестве зондирующего сигнала выбран видеоимпульс длительностью 50 не и амплитудой 4 В. Условия проведения эксперимента были следующие: температура окружающего воздуха -6°С, относительная влажность воздуха 83%, отсутствие атмосферных осадков.

Затем были выполнены многократные измерения времени распространения ВЧ сигнала при отражении от конца ВЛ, а также амплитуды отраженного импульса при различной длине гололёдной муфты. Результаты измерений представлены в виде графиков

Оценка погрешности результатов измерений проводилась согласно ГОСТ Р 8.736 - 2011.

На графике (рис. 13) представлена зависимость дополнительной задержки от длины гололёдной муфты (измеренное значение сплошная линия, расчетное значение штриховая). Как видно из графика, измеренное значение дополнительной задержки имеет линейную зависимость от длины гололёдной муфты.

4 6 8 Id 1

- 14 Lrtio, м

0 2 4 6 8 10 12

14 |_гио, м

Рис. 13. Зависимость дополнительного запаздывания от длины гололёдной муфты (сплошная линия - измеренное значение, штриховая - расчетное)

Рис. 14. Зависимость амплитуды отраженного сигнала от длины гололёдной муфты (сплошная линия -измеренное значение, штриховая -расчетное)

На графике (рис. 14) представлена зависимость амплитуды отраженного сигнала от длины гололёдной муфты (измеренное значение - сплошная линия, расчетное значение - штриховая). Из графиков видно, что при увеличении длины гололёдных отложений амплитуда отраженного импульса уменьшается, при этом расчётное значение снижения амплитуды отраженного импульса оказалось больше измеренного. Расхождение графиков объясняется в первую очередь нестабильностью амплитуды зондирующего сигнала, а также допущениями, принятыми в математической модели ВЛ.

Для выявления влияния гололёдных отложений на уровень ВЧ сигнала вдоль трассы ВЛ были использованы датчики уровня ВЧ сигнала, которые

располагались в контрольных точках вдоль линии, а именно в начале линии и в конце линии. С помощью генератора по лини передавался непрерывный синусоидальный ВЧ сигнал. Замер уровня ВЧ сигнала в контрольных точках при отсутствии и при наличии гололёдных отложений показал, что наличие гололёдных отложений оказывает существенное влияние на уровень ВЧ сигнала и, исходя из соотношения уровней ВЧ сигнала в контрольных точках, можно судить, что данный способ позволяет определить участок воздушной линии на котором произошло образование ГИО.

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполнен критический анализ существующих методов и средств обнаружения ГИО на проводах воздушных ЛЭП, рассмотрены методы борьбы с ГИО.

2. Проанализированы физические и технические возможности способов обнаружения ГИО, основанных на изменении условий распространения ВЧ сигналов по проводам ВЛ. Отмечено, что известный метод активной импульсной локации с использованием прямоугольных видеоимпульсов имеет в настоящее время несколько ограниченную область применения, так как при зондировании ВЛ создаются помехи для передачи технологических сигналов, принадлежащих системам релейной защиты, телемеханики и связи; средства дистанционного определения веса гололёдных отложений, основанные на взвешивании проводов, осуществляют контроль за ГИО только на локальных участках.

3. Проведено математическое и компьютерное моделирование распространения волн в многопроводных линиях вблизи поверхности земли. Получены расчётные частотные зависимости прироста затухания линейного тракта и изменения скорости распространения ВЧ сигнала при различной толщине стенки гололёдной муфты (от 10 до 50 мм) в диапазоне частот 161000 кГц. Показано, что затухание ВЧ сигнала под действием ГИО наиболее интенсивно увеличивается с ростом частоты до 300 кГц, дальнейшее увеличение затухания с ростом частоты замедляется. На частотах выше 400 кГц вносимое затухание почти не зависит от частоты. Скорость распространения ВЧ сигнала по междуфазному волновому каналу под действием ГИО наиболее интенсивно снижается при частотах ниже 600 кГц.

4. Разработано программное обеспечение для ЭВМ в среде программирования Delphi «Расчет влияния элементов ВЧ тракта линий электропередачи 110-220 кВ на распространение импульсных зондирующих сигналов», позволяющее моделировать распространение импульсных сигналов по ВЧ тракту ВЛ. Показано, что форма радиоимпульса длительностью свыше 100 мке не претерпевает изменений при образовании ГИО на ВЛ.

5. Разработан новый метод выявления участка ЛЭП, на котором произошло образование ГИО, с помощью датчиков, фиксирующих изменение амплитуды ВЧ сигнала вдоль трассы ВЛ. Чувствительность данного метода определяется частотой передаваемого по ВЛ ВЧ сигнала (в диапазоне 161000 кГц максимальна при частоте 1000 кГц) и конструкцией датчика.

6. Предложен метод обнаружения ГИО на проводах воздушных ЛЭП с применением активного зондирования, где в качестве зондирующего сигнала используется радиоимпульс с колокольной формой огибающей и различными частотами заполнения. Показано, что_ повысить точность измерения времени распространения радиоимпульсного сигнала до 10 не можно путем проведения последовательных измерений с различной частотой заполнения, причем частота заполнения подбирается таким образом, чтобы при перемножении корреляторов центральный пик сохранил свою амплитуду, а боковые уменьшились по амплитуде.

7. Представлены алгоритмы автоматического обнаружения ГИО, основанные на изменении условий распространения ВЧ сигналов по проводам ВЛ, которые позволяют обнаруживать раннее образование ГИО на проводах ВЛ. Разработано программное обеспечение в среде программирования Delphi «Гололёд 0.9» для программно-аппаратного комплекса, позволяющее автоматизировать процедуру обнаружения ГИО на ВЛ.

8. Выполнены лабораторные и полевые экспериментальные исследования, представлены результаты обнаружения ГИО на проводах ВЛ. Приведены экспериментальные и расчетные зависимости задержки и затухания отраженного импульса от длины ГИО. Показано, что изменение длины проводов ВЛ под влиянием изменения их температуры приводит к существенному снижению чувствительности локационного метода. Так, максимальная дополнительная задержка для ВЛ длиной 80 км может достигать 0,4 мке, что не позволит на данной линии определять ГИО длиной менее 300 м при толщине стенки муфты 50 мм.

9. Представлены принципы построения, структура и алгоритмы функционирования ПАК, реализующего предложенные методы обнаружения ГИО на проводах ВЛ.

Разработанные методы и реализующий их ПАК позволят выявить начало процесса гололёдообразования на ВЛ, определить наличие ГИО на ВЛ с указанием участка их расположения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мпнуллин Р.Г., Губаев Д.Ф. Обнаружение гололедных образований на линиях электропередачи локационным зондированием. - Казань.: КГЭУ, 2010. - 208 с.

2. Костенко М.В., Перельман Л.С., Шкарин Ю.П. Волновые процессы и ■электрические помехи в многопроводных линиях высокого напряжения. - М.: Энергия, 1973. -272 с.

3.Микуцкий Г.В., Скитальцев B.C. Высокочастотная связь по линиям электропередачи. Учебник для учащихся энергетических и энергостроительных техникумов, ггзд. 2-е перераб. и доп. - М.: Энергия, 1977. - 440 с.

IV. СПИСОК РАБОТ, ОТРАЖАЮЩИХ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в рецензируемых научных изданиях из перечня ВАК РФ:

А1. Хакимзянов Э.Ф., Пнсковацкий Ю.В., Мустафин Р.Г., Губаев Д.Ф. Определение уставок сигнализации системы локационного контроля линий электропередачи / Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. -

2012.-№ 11-12.-С. 81-85.

А2. Пнсковацкий Ю.В., Губаев Д.Ф., Мустафин Р.Г. Способ обнаружения гололедных отложений на проводах воздушных линий электропередачи / Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2013. - № 1-2. - С. 41-44.

A3. Хакимзянов Э.Ф., Пнсковацкий Ю.В., Мустафин Р.Г., Губаев Д.Ф. Определение чувствительности системы локационной диагностики линий электропередачи / Энергетика Татарстана. - 2013. - № 2 (30). - С. 42-45.

А4. Пнсковацкий Ю.В., Мустафин Р.Г., Хакимзянов Э.Ф., Губаев Д.Ф. Влияние гололёдных отложений на проводах воздушных линий электропередачи на скорость распространения импульсного сигнала / Энергетика Татарстана. -

2013.-№3(31).-С. 39-43.

А5. Пнсковацкий Ю.В., Губаев Д.Ф. Способ обнаружения гололёдно-изморозевых отложений на проводах воздушных линий электропередачи // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2015. - № 3-4. - С. 138-142.

Свидетельства и патенты:

А6. Пат. № 2470433 Российская Федерация, МПК H02G 7/00. Способ обнаружения появления гололеда на проводах линии электропередачи / Мустафин Р.Г., Хакимзянов Э.Ф., Ведерников С.Г., Пнсковацкий Ю.В. -Опубл. 20.12.2012, Бюл. №35.

А7. Пат. №2479084 Российская Федерация, МПК H02G 7/16. Способ обнаружения гололедных образований на проводах и грозозащитных тросах линий электропередачи / Мустафин Р.Г., Хакимзянов Э.Ф., Пнсковацкий Ю.В., Ведерников С.Г., Лукин Э.И. - Опубл. 10.04.2013, Бюл. №10.

А8. Пат. №2537380 Российская Федерация, МПК H02G 7/16. Способ обнаружения гололёда на проводах воздушных линии электропередачи / Мустафин Р.Г., Пнсковацкий Ю.В., Хакимзянов Э.Ф. - Опубл. 10.01.2015, Бюл. №1.

А9. Пат. № 111720 Российская Федерация, МПК H02G 7/16. Устройство для обнаружения гололедных образований на проводах линии электропередачи / Пнсковацкий Ю.В., Мустафин Р.Г., Хакимзянов Э.Ф., Лукин Э.И., Якимов О.В. - Опубл. 20.12.2011, Бюл. №35.

А10. Пат. № 133659 Российская Федерация, МПК H02G 7/16. Устройство обнаружения гололедных отложений на проводах линии электропередачи / Мустафин Р.Г., Пнсковацкий Ю.В., Хакимзянов Э.Ф. -Опубл. 20.10.2013, Бюл. №29.

All. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011618251 Расчёт влияния элементов высокочастотного тракта линий электропередачи 110-220 кВ на распространение импульсных зондирующих сигналов / Хакимзянов Э.Ф., Мустафин Р.Г., Ведерников С.Г., Пнсковацкий Ю.В. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 19.10.2011.

Л12. Свидетельство ó государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015612107 Гололёд 0.9 / Писковацкий Ю.В. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 12.02.2015.

Работы, опубликованные в других изданиях:

А13. Хакимзянов Э.Ф., Писковацкий Ю.В., Мустафин Р.Г. Выбор уставок срабатывания локационной системы раннего обнаружения гололёда на проводах воздушных линий электропередачи / Материалы VI открытой молодёжной научно-практической конференции «Диспетчеризация в электроэнергетике: проблемы и перспективы» - Казань: КГЭУ, 2011. С. 81- 86.

А14. Писковацкий Ю.В., Хакимзянов Э.Ф., Мустафин Р.Г. Способ обнаружения гололёдных отложений на проводах воздушных линий электропередачи / Материалы VI открытой молодёжной научно-практической конференции «Диспетчеризация в электроэнергетике: проблемы и перспективы» Казань: КГЭУ, 2011. С. 137-141.

А15. Писковацкий Ю.В., Губаев Д.Ф., Мустафин Р.Г., Хакимзянов Э.Ф. Способ обнаружения гололёдных отложений на проводах воздушных линий электропередачи / Материалы IV Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодёжи» - Новочеркасск: ЮРГПУ. 2013. С. 532-535.

А16. Писковацкий Ю.В., Мустафин Р.Г., Хакимзянов Э.Ф., Губаев Д.Ф. Влияние гололёдных отложений на проводах воздушных линий электропередачи на скорость распространения импульсного сигнала / Материалы IV Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодёжи» Новочеркасск: ЮРГПУ, 2013. С. 535-537.

А17. Хакимзянов Э.Ф., Писковацкий Ю.В., Мустафин Р.Г., Губаев Д.Ф., Ведерников С.Г. Оптимизация локационного метода контроля воздушных линий электропередачи / Материалы IV Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодёжи» - Новочеркасск: ЮРГПУ, 2013. С. 575-579.

А18. Хакимзянов Э.Ф., Писковацкий Ю.В., Мустафин Р.Г., Губаев Д.Ф. Повышение чувствительности системы локационной диагностики линий электропередачи / Материалы IV Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодёжи» - Новочеркасск: ЮРГПУ, 2013. С. 568-572.

А19. Хакимзянов Э.Ф., Писковацкий Ю.В., Мустафин Р.Г., Ведерников С. Г. Оптимизация локационного метода мониторинга гололёда на проводах воздушных линий электропередачи напряжением 110-220 кВ/ Материалы VII открытой молодёжной научно-практической конференции «Диспетчеризация в электроэнергетике: проблемы и перспективы» - Казань: КГЭУ, 2013. С. 42- 46.

А20. Писковацкий Ю.В. Способ обнаружения гололёдных отложений на проводах воздушных линий напряжением 110-220 кВ / Материалы VIII открытой молодёжной научно-практической конференции «Диспетчеризация и управление в электроэнергетике» - Казань: КГЭУ, 2014. С. 46- 50.

Подписано к печати 02.10.2015 г. Формат 60x84/16

Гарнитура «Times» Вид печати РОМ Бумага офсетная

Физ. печ. л. 1,25 Усл. печ. л. 1,16 Уч.-изд. л. 1,2

Типаж 100 экз._Заказ № 4963_

Издательство Казанского государственного энергетического университета 420066, Казань, Красносельская, 51