автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Мониторинг интенсивности гололедообразования на воздушных линиях электропередачи и в контактных сетях

На правах рукописи

Титов Дмитрий Евгеньевич

МОНИТОРИНГ ИНТЕНСИВНОСТИ ГОЛОЛЕДООБРАЗОВАНИЯ НА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ И В КОНТАКТНЫХ СЕТЯХ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2014

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.»

Научный руководитель: угаров Геннадий Григорьевич

доктор технических наук, профессор

Гольдштейн Валерий Геннадьевич Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

член-корреспондент АЭН РФ, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» профессор кафедры «Автоматизированные электроэнергетические системы»

Рыхлов Сергей Юрьевич кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова», доцент кафедры «Энергообеспечение предприятий АПК»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ведущая организация: «Южно-Российский политехнический уни-

верситет (НПИ) имени М.И. Платова», г. Новочеркасск.

Защита состоится 25 декабря 2014 г. в 1400 на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корп. 1, ауд. 414.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю. А.» и на сайте www.sstu.ru. Автореферат разослан <¿3» октября 2014 г.

Учёный секретарь у* / Е.Е. Миргородская

к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объект исследования: эксплуатация воздушных линий электропередачи и электротяговых сетей в условиях экстремальных метеорологических воздействий на их элементы.

Предмет исследования: мониторинг гололедообразования на проводах воздушных линий электропередачи и электротяговых сетей.

Актуальность темы исследования: аварии ВЛ в более чем 40 энергосистемах за последние 30 лет нанесли большой экономический ущерб. Гололед с ветром стал причиной до 37 % от общего числа падений железобетонных опор 35-110 кВ, а в линиях 330-750 кВ гололед в сочетании с ветром стал причиной до 12 % от общего числа обрывов проводов, до 42 % обрывов грозозащитных тросов и до 8 % обрывов гирлянд и разрушения изоляторов.

Несмотря на относительно небольшой процент отказов BJI при гололеде (от 8,1 % до 2,9 % в зависимости от напряжения BJ1), эти отказы наносят наибольший ущерб народному хозяйству. Недоотпуск электроэнергии при таких авариях в отдельных регионах достигает 70-80 % общего годового аварийного недоотпуска, а среднее время восстановления 5-10 суток. Например, в Сочинских электрических сетях ОАО «Кубаньэнерго» в декабре 2001 г. общая протяженность поврежденных BJI напряжением 0,38-220 кВ составила 2,5 тыс. км., была полностью прекращена на длительное время подача электроэнергии в коммунально-бытовой сектор с населением 320 тыс. человек. Экономический ущерб от гололедных явлений 1993 г. в Камышинских электрических сетях ОАО «Волгоградэнерго» составил более одного млрд. рублей, в ОАО «Саратовэнерго» более 10 млрд. рублей в ценах 1994 г., в 2010-2011 гг." в Поволжье и центральных регионах России составил более одного млрд. рублей.

Для минимизации риска возникновения гололедных аварий сетевые службы организуют как можно более частый визуальный осмотр наиболее подверженных гололеду линий или используют информационно-измерительные системы мониторинга гололедообразования.

В настоящее время существуют способы обнаружения отложений, основанные на измерении плотности (проводимости) отложений на специальных поверхностях, напряженностей электрического поля в точке гололедной муфты и за ее пределами, отраженного от поверхности провода светового сигнала, а также степени поглощения радиоактивного излучения, на наведении от фазного провода электрического потенциала в приемной антенне. Практическое применение получили системы, основанные на измерении тя-жения провода с гололедом, а также на явлениях затухания сквозного зондирующего ВЧ сигнала, импульсного ВЧ зондирования проводов BJI. Недостатками известных способов и устройств является позднее обнаружение отложений, сложность определения интенсивности и прогнозирования процесса гололедообразования.

Цель работы: разработка новой концепции мониторинга воздушных линий электропередачи и электротяговых сетей в условиях экстремальных

метеорологических воздействий на их элементы, обеспечивающей повышенную чувствительность к интенсивности гололедообразования.

Задачи исследования:

1. Систематизировать известные способы и устройства мониторинга гололедообразования на проводах, выявить достоинства и недостатки их использования. Определить лимитирующие факторы для надежности линии при продвижении обширного гололедного фронта и в соответствии с ними установить требования к системе мониторинга гололедных отложений.

2. Выявить необходимые и достаточные условия для начала образования отложений, вид зависимости между метеорологическими параметрами и интенсивностью образования отложений, определить степень влияния направления и скорости ветра, напряженности электрического поля на интенсивность образования отложений. Разработать математические модели для расчета максимально возможной массы отложений и интенсивности ее нарастания на проводе под напряжением на ветру.

3. Разработать алгоритмы работы системы мониторинга гололедообразования для воздушных линий электропередачи и контактной подвески электротяговых сетей в соответствии с их специфическими особенностями.

4. Предложить варианты технической реализации системы мониторинга и провести их лабораторные и натурные испытания.

5. Разработать методику технико-экономического обоснования эффективности внедрения систем обнаружения отложений.

Методы и средства исследований: в работе использованы теоретические и экспериментальные общенаучные методы. При разработке теоретической части исследований применены методы электродинамики, механики, расчета термодинамических параметров идеальных газов и смесей, теория физики атмосферы, элементы теории дифференцирования и интегрирования функций, методы оценки эффективности инвестиционных проектов. В экспериментах использованы методы теории планирования эксперимента, математической статистики и теории вероятности.

На защиту выносятся следующие результаты и положения:

1. Предложена новая концепция мониторинга воздушных линий в условиях экстремальных метеорологических воздействий на их элементы, при которой контролируются не гололедная муфта на проводе и ее размеры, а условия, приводящие к ее возникновению.

2. Установлено, что для однозначного ответа на вопрос о наличии или отсутствии процессов гололедообразования достаточно знать температуру провода, а также относительную влажность и температуру воздуха.

3. Установлен вид зависимости между интенсивностью нарастания массы отложений, точкой росы, точкой десублимации и температурой провода.

4. Выявлена степень влияния ветра, а также напряженности электрического поля провода на интенсивность нарастания отложений.

5. Разработана математическая модель гололедообразования, позволяющая определить плотность, максимально возможную массу отложений и

интенсивность ее нарастания по метеорологическим параметрам воздуха и температуре провода.

6. Выявлена необходимость многократного замера температуры провода и расчета среднего арифметического ее значения в интервале времени между отправлением информации с поста диспетчеру.

7. Установлено, что для расчета системного эффекта необходимо учитывать снижение затрат на восстановление поврежденных BJI, затрат на организацию выездов бригад, затрат на возмещение потерь электроэнергии при плавках и упущенной прибыли от реализации электроэнергии.

Научная новизна работы:

1. Выявлены условия для начала образования отложений на проводе, заключающиеся в снижении температуры провода ниже точки росы и точки десублимации, определяемых по влажности и температуре воздуха.

2. Выдвинута и доказана гипотеза о существовании функциональной зависимости между интенсивностью нарастания массы отложений на обесточенном проводе, точками росы и десублимации, температурой поверхности провода при отсутствии ветра.

3. Предложены уравнения для определения плотности, максимально возможной массы отложений и интенсивности их образования, учитывающие температуру провода, температуру и влажность воздуха, направление и скорость ветра, напряженность электрического поля провода. Уравнения легли в основу работы предложенного термодинамического способа мониторинга интенсивности гололедообразования (МИГ).

4. Предложены варианты технической реализации и алгоритмы функционирования системы МИГ.

Практическая ценность работы. Разработан принципиально новый термодинамический способ мониторинга интенсивности гололедообразования, позволяющий определять момент начала образования отложений гололеда, вид отложений, максимально возможную массу отложений и интенсивность се нарастания в реальном времени. Система МИГ универсальна, может быть применена на любом проводе, находящемся в воздухе. Она состоит из диспетчерского пункта и постов измерения и передачи. На посту должны быть установлены датчики направления и скорости ветра, температуры и влажности воздуха, температуры провода. Предложена новая конструкция датчика температуры провода открытого типа для снижения инерционности в измерении температуры датчиком, что может быть полезным при контроле плавки гололеда. Предложена методика технико-экономического обоснования эффективности внедрения систем обнаружения отложений.

Внедрение результатов исследований. Результаты диссертации использованы в проекте внедрения на BJI-10 кВ № 13 ПС «ГНС-2» ПО КЭС филиала ОАО «МРСК Юга» «Волгоградэнерго» модуля измерения температуры провода в 2014 году.

Апробация работы: результаты исследований докладывались на следующих конференциях: VIII Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» (КТИ (фили-

ал) ВолгГТУ, г. Камышин, 23-25 ноября 2011 г.); Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» - ММТТ-25 «У.М.Н.И.К.» (СГТУ им. Гагарина Ю. А., г. Саратов, апрель 2012 г.); очной научно-технической экспертизе Всероссийского молодежного образовательного форума «Селигер-2013» (Тверская область, 14—21 июля) - призер, получены экспертные заключения; очной научно-технической экспертизе IV Всероссийского молодежного инновационного форума «МИЦ-2013» (Нижний Новгород, август 2013 г.) - призер, получены экспертные заключения; Международном бизнес-саммите «IBS 2013» в Нижнем Новгороде, в конкурсе инновационных проектов «Investor Demo Day» (Нижний Новгород, сентябрь 2013 г.); IV Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодёжи», проводимой ОАО «Системный оператор Единой энергетической системы» («СО ЕЭС») (НПИ РГТУ, г. Новочеркасск, 14-18 октября 2013 г.) - получены диплом победителя II степени, диплом участника за актуальный доклад; IX Международной молодежной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия-2014» (ИГЭУ им. В. И. Ленина, г. Иваново, 15-17 апреля 2014 г.) -получен диплом победителя I степени; IX Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (КГЭУ, г. Казань, 23-25 апреля 2014 г.) - получен диплом победителя III степени; Всероссийском конкурсе в области наукоемких инновационных проектов и разработок «Энергопрорыв-2014» (ОАО «Россети», г. Москва, 16 октября 2014 г.) - получен диплом победителя.

Структура и объём диссертации: диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения, 4 приложений и списка литературы, включающего 112 наименований. Работа изложена на 151 странице. Основная часть содержит 110 страниц машинописного текста, 38 рисунков и 16 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, определены научная новизна и практическая ценность исследований, сформулированы основные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе обобщены и систематизированы теоретические сведения об известных способах и устройствах мониторинга гололедообразования на проводах. Выделены достоинства и недостатки их использования на воздушных линиях электропередачи и оценены возможности их применения для мониторинга электротяговых сетей. Установлено, что дефицит времени и неспособность прогнозирования развития ситуации являются лимитирующими факторами для надежности линии в условиях экстремальных метеовоздействий. Поэтому для снижения числа отказов ВЛ необходимо определять момент начала образования и интенсивность нарастания отложений в реальном времени, а также прогнозировать процесс гололедообразования.

Это возможно при условии, если отслеживаются не гололедная муфта на проводе и ее вес, а условия, приводящие к ее возникновению.

Во второй главе разработана математическая модель, позволяющая определить плотность, максимально возможную массу отложений и интенсивность ее нарастания по направлению и скорости ветра, напряженности электрического поля провода, температуре провода, влажности и температуре воздуха. Установлено, что гололед, кристаллическая и зернистая изморозь образуются при десублимации водяного пара, осаждении и замерзании переохлажденной воды из влажного воздуха.

Давление пара над жидкой средой (влажный провод) зависит от температуры воздуха 9,. Когда температура воздуха равна точке росы в„, воздух насыщается. Давление пара над проводом становится равным давлению насыщенного пара. Отсюда находится выражение для 9„, действительное для большого диапазона температур (1). Точка десублимации в, определяется аналогично ва из условия нахождения пара надо льдом при отрицательной

243.12-

в,=-

17.62-

ln( RH)+

17.62 ,9

243.12 и-,9

In (RH) +

17.62 -9.

> в' = -

272.62- 1п(ЛЯ) + 22.46-9,

272.62 + 9Ш

22.46- In (RH) + 22.46 -9.

212.62 + 9.

(1)

(2)

243.12 + 9. 'Если в' ä 0, то в, = О Если в; < 0, то в, =ву

где ЛЯ - относительная влажность воздуха, [o.e.J;

ff, - расчетная точка десублимации, [°С];

•Я - температура воздуха, [°С].

Условие (2) необходимо учитывать, так как в, > О°С не имеет физического смысла.

Для ответа на вопрос о наличии или отсутствии гололедообразования производится сравнение температуры поверхности провода с и 0,. Если < Эп„ < ва <0°С), то на проводе происходит конденсация с образованием плотных отложений Го= 800 кг/м3. Если в„<Э1Ю,<в1 <0°С), то на проводе происходит десублимация пара с образованием кристаллической изморози и инея у0 = 50 кг/м3. При ва,в1 <, 9„„ {&„„ ¿0°С)на проводе образуются сложные отложения Го = 500 кг/м3. Сравнение 9т, и öf в реальном времени позволяет определить факт наличия или отсутствия отложений и их вид (плотность).

Выдвинута гипотеза, что интенсивность нарастания массы отложений Vp на обесточенном проводе при отсутствии ветра имеет функциональную связь с 0„и 0,:

НР

о)

где УР - мгновенная интенсивность нарастания массы отложений [кг/м2-с].

Опытным путем выявлено, что интенсивность нарастания массы сложных отложений прямо пропорциональна сумме ва и <?, за вычетом двух £>,т в "С (6). Сделано предположение, что подобная зависимость наблюдается при отдельном протекании конденсации и десублимации (4)-(5).

Кт9) =К,нам •(£>„ (4) ^е Кп - рассчитанный эксперимен-

V -К (в -3 1 (5) тальн0 коэффициент подобия (для со-

/>(0.05) /7(0 05) VI «»»Л четания конденсации и десублимации

= #/7со.5) ■\в,+0а-2• Э„„), (6) = (10б ±0>18).10*[ ]).

Следовательно, максимально возможная масса отложений на единице площади поверхности обесточенного провода при отсутствии ветра имеет ту же линейную зависимость от разниц линейных интегралов функций изменения ва, в„ &пов по времени (7)—(9).

= АГ„

/г- Я(0,9)

ОБ /.(0.9, ^

„

ЛС /7(0,05)

до />(0.05)

1(0.--я«)*

/

1

<ИР. -Р )

,с - л/7(0.3)

«и />(0,5)

(7)

(8) (9)

\(ва+6-2-9^ V»

От максимально возможной массы отложений на единице площади поверхности провода нетрудно перейти к массе отложений в пролете.

Ветер играет немаловажную роль в формировании структуры отложений. Предлагается учитывать влияние скорости ветра введением коэффициента кратности увеличения веса отложений на проводе от скорости ветра:

(10)

' о

где рсв - вес отложений на единице длины провода на ветру (вектор скорости ветра перпендикулярен оси провода), [кг];

р0 - вес отложений на единице длины провода при отсутствии ветра в тех же условиях [кг].

Исходя из опытных данных, полученных Бургсдорфом В. В., при изменении угла напора ветра по отношению к оси провода <р„ от 90° до 0° масса отложений уменьшается для гололеда на 80 %, для смесей и зернистой изморози на 65-70 %, для кристаллической изморози на 60-65 %. Указанные закономерности предлагается учесть введением следующих коэффициентов:

*Я.8.П(0.9) =0,6-0,4 сов 2рв, (П)

кн.в.щ ол5)=0,7-0,3с(к2?1в, (12)

кн.в.„ю.» = °-65 - 0,35 соб 2<р0, (13)

где Кнм.П(0.9). кн в жо.ад. ^»И,0.5, - коэффициенты кратности увеличения веса отложений, учитывающие направление ветра при конденсации, десуб-лимации и сочетании этих процессов соответственно.

В электрическом поле провода капли тумана и мороси поляризуются, что создает условия для притягивания капли к проводу. В то же время установлено, что электрическое поле провода практически не оказывает влияния на конденсацию пара в объеме воздуха.

Предложены выражения для кратности увеличения веса отложений на проводе под напряжением при конденсации (14), десублимации (15) и сочетании этих процессов (16):

где г — приведенный радиус про-

(14) вода, [м]; А - высота подвеса провода, [м]; 4 - диэлектрическая проницае-

(15) мость воздуха, [о. е.]; и— напряжение провода, [В].

К„

г • 1п

2-й

КВ(втш 0,067 +

г ■ 1п

2-й

кЖ0.3) = од 8 • +

г • 1п

(16)

Уравнения для интенсивности (17Н19) и максимально возможной массы (20)-(22) гололеда, кристаллической изморози и сложных отложений на проводе под напряжением на ветру:

»V,, = *„<о,, -^40,6-0,40052^)-

■»о

^«0.05, = ^,0.05, (0.7-0,3 С05 2^)

-■"■Ж"

0,67

0)"

1л

-+1

&-0.

Г/7(о.„ - ■ ^ (0,65 - 0,35СО52%)

'(У,.)

/7С0.9)

= *я<о.„ ^ (0,6-0,.4соз2%)

'о

- ^Я(0,03) р А> /7(0,05) -гI

^•(0,7-0,3 сое 2(3„)-

Г"#")

<о

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

аВ

= А"„

•(0,б5-0,35соя2 <рв)

0,18-

£{/ ■ 10н Ч?>

■+1

■[}((?. + 0,-2-0<*1 (22)

Уравнения (17М22) являются основой предлагаемого автором термодинамического способа мониторинга интенсивности гололедообразования (МИГ).

В третьей главе производится проверка гипотезы о наличии функциональной связи между интенсивностью нарастания массы отложений Ур на обесточенном проводе при отсутствии ветра с ва и в,, а также определение зависимости между этими величинами.

Моделирование процессов гололедообразования производилось в климатической камере (рис. 1).

» а

ВэО

1р. I? 5

:Ц ч

Рис. 1 Общий вид климатической камеры: 1 - образец провода; 2 - корпус камеры; 3 -охлаждающий радиатор; 4 - весы; 5 - держатель; 6 - светодиодные светильники; 7 -блок питания; 8 - влагоиспарители ультразвуковые; 9 - гофрированные трубки; 10 -лед; 11 - датчик температуры провода (накладной РЯ25); 12 - микропроцессорный датчик температуры и влажности воздуха ДВТ-02М; 13, 14-дисплеи датчиков

У испытуемого образца провода замерялись размеры и вес, затем происходило охлаждение камеры и подача в нее влаги. Замеры ЛЯ, 9Ш и веса образна провода с отложениями проводились дискретно через равные интервалы времени. После каждого замера по (1)-(2) рассчитывались ва и 0п по замеренному весу провода с отложениями вычислялся вес отложений. Период времени, в течение которого по расчетам ваи в,должны образовываться отложения, совпадает с временем нарастания веса отложений.

Для количественной оценки результатов эксперимента применен регрессионный анализ. Принимается гипотеза, при которой существует линейная связь (простая линейная регрессия):

Г = ¿„+(5, -х + е, (23)

где ¿'0, 3, - параметры регрессии;

У - отклик, соответствующий массе образованных сложных отложений на квадратном метре поверхности провода за интервал времени между замерами, ]; м ■с

х = х, + х2 - независимая переменная, [°С]; где - разница точки росы и температуры поверхности провода при процессе конденсации, [°С], х2-

разница точки десублимации и температуры поверхности провода при процессе десублимации,[°С ]:

Если ва - », Если в -3,

>0, то х,=0- Э

,¿0, то х.= 0

(24)

Если в, - Эт > 0, то хг=в{- &т Если - Эт <,0, то хг = 0 Регрессионная модель оказалась значима и адекватна. Коэффициент

кг

подобия Кпо 5, с учетом погрешности,

К„

С-с

(25)

'Л(о5, =- = (Ю, 6 ±0,18) -10

х

В четвертой главе разработан алгоритм функционирования и предложена архитектура построения системы мониторинга интенсивности гололе-дообразования (МИГ).

Система МИГ состоит из головной и периферийной подсистем (рис. 2). ПИиП для ВЛ имеет два варианта исполнения. В первом варианте ПИиП состоит из двух гальванически не связанных частей: одна из них (модуль измерения температуры провода) крепится к проводу, вторая располагается на теле опоры (рис. 3 а). Второй вариант исполнения для ВЛ предполагает нахождение ПИиП под потенциалом провода (рис. 3 б). ПИиП для контактной сети устанавливается на консоли (рис. 3 в).

го/юбная ^у подсистема

периферийная подсистем

ПИиП| ПШ7| /Ж7|

подвес к изолятору -1

Рис. 2 Блок-схема МИГ ПИиП - пост измерения и передачи; головная подсистема -компьютер с программным обеспечением в диспетчерской

б)

провод

В)

2 несущий трос

Г 1 1

\ ХОТИ

изоляторы 1

-¿у контактный провод /

. 3,4.6,8

Рис. 3 Варианты исполнения ПИиП для ВЛ и КС (контактных сетей): 1 - датчик температуры провода; 2 - солнечная панель; 3 - аккумулятор; 4 - электронный блок с контроллерами и АЦП; 5 - датчик температуры и относительной влажное™ воздуха; 6 - передающий модем; 7 - датчик направления и скорости ветра; 8 - принимающий модем

На рис. 4 изображена функциональная схема устройства обнаружения отложений на проводе ВЛ с возможностью определения вида, интенсивности и массы отложений.

Рис. 4 Функциональная схема работы системы обнаружения отложений для ВЛ

Схема содержит 28 логических элементов (1-3, 5-7, 9-12, 14-18, 20-24, 27, 29-35), 5 формирователей порога (4, 13, 19, 26, 28) и 2 элемента памяти (8, 15). Система МИГ для ВЛ должна определять момент начала образования отложений, оценивать максимальную массу отложений и интенсивность ее оста. Для выполнения этих функций необходимо учитывать ветер, геометрические параметры линии и напряженность электрического поля провода. Последние два фактора принимаются условно постоянными, а ветер необходимо отслеживать. Поэтому система МИГ для ВЛ должна иметь датчики температуры провода, относительной влажности и температуры воздуха, направления и скорости ветра.

Требованием к системе МИГ для КС является определение момента начала образования отложений, так как при наличии незначительных отложений на контактном поводе, способных снизить качество токосъема, необходимо срочно проводить подогрев провода. Поэтому в варианте исполнения МИГ для КС датчиков температуры провода, температуры и влажности воздуха достаточно. Функциональная схема при этом упрощается и включает в себя только первые семь элементов 1-7 (рис. 4).

На токоведущем проводе линии 10 кВ № 13 ПО КЭС ОАО «Волгоград-энерго» были проведены натурные испытания модуля измерения температуры провода.

Радиопередающий модуль измерения температуры провода состоит из двух основных частей, соединенных гибким экранированным кабелем: цифрового датчика температуры открытого типа и автономного непрерывно работающего модуля обработки и пересылки данных (рис. 5). Электронные компоненты накладного датчика температуры провода помещены в герметичную мембрану с осушенным воздухом (рис. 6 а). Мембрана и два Li-ion аккумулятора помещены в экранированный корпус и залиты компаундом. Термопара датчика температуры провода помещена в алюминиевый гнутый подковой корпус (рис. 6 б слева). Форма корпуса позволяет вложить в него провод, обеспечив хороший контакт датчика с поверхностью провода. Применение такой формы корпуса снижает инерционность в измерении температуры датчика в сравнении с применяемыми сейчас закрытыми корпусами, что может быть полезным при контроле плавки гололеда.

Данные о температуре провода обновлялись каждые 30 секунд. Максимальный разброс значений температуры между двумя замерами доходил до 2.5-3 "С, что указывает на необходимость многократного замера температуры провода и расчета среднего арифметического ее значения в интервале времени между отправкой информации с поста диспетчеру.

Визуально определенный момент начала нарастания отложений (изморозь) совпал с результатами расчетов (снижение $пм ниже 0а и ), что доказывает работоспособность термодинамического способа обнаружения отложений.

В пятой главе разработана методика технико-экономического обоснования эффективности внедрения системы МИГ. Производилось сравнение чистого дисконтированного дохода (ЧДД) от внедрения предлагаемой системы МИГ в двух вариантах исполнения (рис. 3 а и рис. 3 б) и системы СТГН-МКТ. Для учета рисков внедрения новой системы МИГ в расчете ЧДД норма дисконта увеличена на 4 % в сравнении с нормой дисконта СТГН-МКТ.

Системный эффект от внедрения систем обнаружения отложений Э, оценивается снижением ущерба из-за гололедного воздействия. Помимо общепринятого слагаемого ущерба - затрат на восстановление поврежденных ВЛ Усист, предлагается учесть затраты на организацию выездов бригад Уов,

Рис. 6 Модуль измерения температуры провода: а - модуль обработки и пересылки данных; б - внешний вид

затраты на возмещение потерь электроэнергии при плавках и упущенную прибыль от реализации электроэнергии потребителю У^ п .

Э, = АУ„Я + ДУпст + ДУ„ + ДУ„. . (26)

Снижение среднего ущерба от аварийных отключений в год по причине гололеда при полном резервировании на 100 км линии при внедрении систем мониторинга отложений:

Д^, = (К - К*,™.Л У*., (27)

где ууд - удельный ущерб от аварийного недоотпуска электроэнергии [руб/кВт-ч];

, - недоотпуск электроэнергии при аварийных простоях по

причине гололеда в год до и после внедрения систем мониторинга отложений гололеда [кВт-ч].

Снижение системного ущерба от аварий по причине гололеда при установке МИГ и СТГН-МКТ:

ЛУС,™ МИГ = АУа,™ СТГН={р- ®СТГН )'У,6, (28)

где а>стгн ~ параметр потока отказа линии при установке двух постов СТГН на 100 км [отказ/год];

Уед - среднее значение прямых затрат (с учетом индекса цен) на восстановление поврежденного участка, принимается равным затратам на его реконструкцию [тыс. руб].

Снижение затрат на возмещение потерь электроэнергии при плавках в среднем в год после внедрения 2-х постов СТГН и МИГ на 100 км линии:

АУш СТГН = СТГН ■ Ууд.с , АУа, МИГ = МИГ ' У^с . (29)

•где У ¡а.с. - удельные затраты при плавке (принимаются на уровне закупочной цены на электроэнергию для сетевой организации), [руб/кВт-ч];

Дй^и. стгн ~ снижение потерь электроэнергии при плавках за год при внедрении СТГН (принимается по статистическим данным), [кВт-ч];

миг - снижение потерь электроэнергии при плавках за год после

внедрения МИГ [кВт-ч]. Принимается допущение, что количество успешных плавок при применении МИГ и СТГН одинаково, а количество неуспешных плавок с использованием МИГ сокращается до 10 % от количества неуспешных плавок при применении С'ГГН.

В расчете снижения затрат на выезды бригад принимается, что после внедрения МИГ и СТГН количество поездок сократится на 70 %.

ЛУо. шг = ду<,« „-л, = 0,3 ■//,•/■ и ■«/. (30)

где Цб - цена бензина Аи-92, [руб/литр]; / - расход бензина на один выезд, [литр]; т - число выездов в день до установки системы обнаружения отложений; <1 - среднее число дней с гололедом в год.

Анализ статистических данных о результатах работы СТГН в ПО КЭС ОАО «Волгоградэнерго» показал, что установка двух постов СТГН на 100 км

линии позволяет снизить поток отказов в 3,6 раза, в то же время затраты электроэнергии на плавку увеличиваются в 7,4 раза. Далеко не каждая плавка отложений на линии, оборудованной СТГН, является успешной из-за низкой чувствительности СТГН при малом весе отложений. Используя систему раннего обнаружения отложений, потенциально можно было бы сэкономить до 59,2 тыс. кВт-ч за период с 2008 по 2013 гг. на линии длиной в 100 км.

По предложенной методике с использованием статистических данных был произведен расчет ЧДЦ для сравниваемых мероприятий. Результаты расчета представлены в таблице 1.

Таблица 1

Технико-экономические показатели внедрения МИГ и СТГН-МКТ

Технико-экономический показатель Ед. имз. СТГН-МКТ МИГ (рис. 3 а) МИГ (рис. 3 б)

Капиталовложения на 100 км линии тыс. руб 1740 560 500

Издержки при эксплуатации с кал. ремонтом на 100 км за 10 лет тыс. руб 1344 636 600

Норма дисконта огн. ед 0,125 0,165 0,165

Снижение ущерба от аварийных отключений в год (при полном резервировании) тыс. руб -►0 -»0 — 0

Снижение ущерба от аварий в первый год тыс. руб 848,85 848,85 848,85

Увеличение затрат на плавку на 100 км в первый год тыс. руб 19,16 9,84 9,84

Снижение затрат на выезды в первый год тыс. руб 32,26 32,26 32,26

Системный эффект от внедрения в первый год тыс. руб 861,94 871,27 871,27

ЧДЦ нарастающим итогом за 10 лет тыс. руб 4430,21 5234,41 5311,18

Индекс доходное™ руб/руб 2,5 8,87 10,02

Срок окупаемости лег 2 г. 2 мес. 8 мес. 7 мес.

Следовательно, внедрение системы МИГ является экономически обоснованным мероприятием со сроком окупаемости 7-8 месяцев.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Анализ работы существующих систем мониторинга гололедообразо-вания на воздушных линиях и контактных сетях выявил их существенные недостатки в возможности раннего обнаружения и оценки интенсивности их роста, что определило направление исследования.

2. Выявлены условия для начала образования отложений на проводе, заключающиеся в снижении температуры провода ниже точки росы и точки десублимации, определяемых по влажности и температуре воздуха.

3. Выдвинута и доказана гипотеза о существовании функциональной зависимости между интенсивностью нарастания массы отложений, точками росы и десублимации и температурой поверхности провода. Выявлен вид зависимости и определен коэффициент пропорциональности между этими величинами.

4. Разработана математическая модель, позволяющая определить плотность, максимально возможную массу отложений и интенсивность ее нарас-

тания по направлению и скорости ветра, напряженности электрического поля провода, температуре провода, а также температуре и влажности воздуха. Математическая модель легла в основу работы предложенного термодинамического способа мониторинга интенсивности гололедообразования (МИГ).

5. Предложены и испытаны с положительным эффектом варианты технической реализации и алгоритмы функционирования системы МИГ для использования ее на ВЛ и КС.

6. Разработана методика технико-экономического обоснования эффективности внедрения системы МИГ. Установлено, что внедрение системы МИГ является экономически обоснованным мероприятием со сроком окупаемости 7-8 месяцев.

Список опубликованных работ по теме диссертации:

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Титов, Д. Е. Физические процессы образования гололедных отложений на проводах воздушных линий электропередачи [Текст] / Д. Е. Титов // ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2014. -№ 1.-С. 31-35.

2. Титов, Д. Е. Термодинамический способ мониторинга гололедных отложений на проводах [Текст] / Д. Е. Титов, Г. Г. Угаров // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2014. - № 4. - С. 37-44.

3. Титов, Д. Е. Учет температуры провода воздушной линии при определении начала образования гололедных отложений [Текст] / Д. Е. Титов, Г. Г. Угаров // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2014. -№ 5. - С. 4248.

Другие публикации

4. Сошинов, А. Г. Оценка возможности использования систем мониторинга гололедных нагрузок воздушной линии электропередачи в электротяговых сетях [Текст] / А. Г. Сошинов, Д. Е. Титов // Электрика. 2013. - № 7. -С. 30-33.

5. Анализ влияния метеовоздействий на надежность электротяговых сетей [Текст] / Д. Е. Титов [и др.] // Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития 2012: сб. науч. тр. SWorld, Одесса, Украина, 2-12 октября 2012 г.-Т. 11.-С. 102-106.

6. Титов, Д. Е. Влияние электромагнитного поля на скорость десублима-ции и конденсации пара в объеме вблизи провода [Текст] / Д. Е. Титов, Г. Г. Угаров, А. Г. Сошинов // Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития 2013: сб. науч. тр. SWorld, Одесса, Украина, 2-12 октября 2013 г.

7. Сходства и различия в требованиях к системам мониторинга на проводах воздушных линий и электротяговых сетей [Текст] / Д. Е. Титов [и др.] // NAUKA I INOWACJA - 2012: материалы VIII Межд. науч.-практ. конф., Przemysl, Болгария, 7-15 октября 2012 г. - Т 21. - С. 71-74.

8. Система обнаружения и регистрации пляски проводов воздушных линий электропередачи [Текст] / Д. Е. Титов [и др.] // Участники школы моло-

дых ученых и программы У.М.Н.И.К.: сб. докладов XXV Межд. науч. кон-фер., Саратов, СГТУ, 2012. - С. 363-366.

9. Титов, Д. Е. Методика проведения эксперимента по доказательству гипотезы о функциональной связи между интенсивностью образования отложений по нагрузке и термодинамическими параметрами системы провод-воздух [Текст] / Д. Е. Титов, Г. Г. Угаров // Энергосбережение и инновационные технологии в топливно-энергетическом комплексе: материалы Всерос. науч.-практ. конф., Тюмень, ТИИ, декабрь 2013 г. - С. 72-76.

10. Титов, Д. Е. Рассмотрение закономерностей процесса гололедообра-зования в рамках графического представления условий гололедообразования как термодинамического процесса [Текст] / Д. Е. Титов, Г. Г. Угаров, А. Г. Сошинов // Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития 2013: сб. науч. тр. SWorld,Одесса, Украина, 2-12 октября 2013 г.

11. Графическое представление условий гололедообразования как термодинамического процесса [Текст] / Д. Е. Титов, Г. Г. Угаров, А. Г. Сошинов // Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития 2013: сб. науч. тр. SWorld, Одесса, Украина, 2-12 октября 2013 г.

12. Источник отбора мощности от фазного провода воздушных линий электропередачи [Текст] / Д. Е. Титов [и др.] // Участники школы молодых ученых и программы У.М.Н.И.К.: сб. докладов XXV Межд. науч. конф., Саратов, СГТУ, 2012. - С. 36-39.

13. Титов, Д. Е. Анализ существующих способов оценки состояния электротяговых сетей [Текст] / Д. Е. Титов, П. А. Кузнецов, Г. Г. Угаров // Инновационные технологии в обучении и производстве: материалы VIII Всерос. науч.-практ. конф., Камышин, КТИ (филиал) ВолгГТУ, 23-25 ноября 2011 г. -Т1.-С. 163-165.

14. Титов, Д. Е. Влияние метеовоздействий на эксплуатационную надежность электротяговых сетей [Текст] / Д. Е. Титов, П. А. Кузнецов, Г. Г. Угаров // Инновационные технологии в обучении и производстве: материалы VIII Всерос. науч.-практ. конф., Камышин, К'ГИ (филиал) ВолгГТУ, 23-25 ноября 2011 г. - Т 1. - С. 165-168.

15. Титов, Д. Е. Термодинамический способ мониторинга гололеда на проводах воздушных линий [Текст] / Д. Е. Титов // Электроэнергетика глазами молодежи: сб. докладов IV Межд. науч.-техн. конф., Новочеркасск, НПИ ЮРГТУ, 14-18 октября 2013 г. - Том 1. - С. 565-568.

Титов Дмитрий Евгеньевич

МОНИТОРИНГ ИНТЕНСИВНОСТИ ГОЛОЛЁДООБРАЗОВАНИЯ НА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ И В КОНТАКТНЫХ СЕТЯХ

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано в печать 24.10.2014 г. Формат60*84 '/1б. Объвм 1,0 усл. п. л. Тираж 100 экз. Заказ №

Отпечатано в КТИ 403874, г. Камышин, ул. Ленина, 5.

20

4168379

2014158379