Программное обеспечение информационной системы контроля гололедообразования

В настоящее время в МЭС Юга, а также в ряде энергосистем юга России: Ростовэнерго, Ставропольэнерго и Кубаньэнерго – находятся в опытнопромышленной эксплуатации информационные системы контроля гололедообразования на ВЛ, включающие:

датчики гололедной нагрузки; автоматические метеопосты; устройства передачи и приема данных;

программное обеспечение для централизованного сбора, обработки данных о гололедно-ветро- вой ситуации и формирования оптимальной стратегии борьбы с гололедом в регионе.

Разработаны принципы построения и унифицированные программно-аппаратные средства региональных информационных систем с произвольным числом пунктов контроля на ВЛ различных классов напряжения. Для передачи данных приняты следующие принципы:

âсетях с изолированной нейтралью – передача низкочастотного кодированного сигнала по фазному проводу;

âсетях с глухозаземленной нейтралью – передача низкочастотного кодированного сигнала по изолированному грозозащитному тросу или по УКВ радиоканалу с использованием радиотелемеханических систем.

Наиболее перспективными являются радиотелемеханические системы, использующие УКВ и транкинговые каналы радиосвязи, что обеспечивает их интеграцию в общее телекоммуникационное пространство ОЭС, высокую надежность и скорость передачи телемеханического сигнала. Создается региональная система с передачей информации не только о гололедной нагрузке, но и о других метеорологических параметрах для прогноза и раннего предупреждения гололедоопасной ситуации. Архитектура и принципы построения системы не накладывают ограничений на число пунктов контроля на ВЛ.

К настоящему времени выполнены работы по освоению мелкосерийного производства бесконтактных магнитоупругих датчиков гололедной нагрузки (ДГН) типа ДМС, которые устанавливаются на ВЛ 10 – 500 кВ. Датчики изготавливаются по специальной технологии, обеспечивающей стабильность индивидуальной характеристики, позволяют непрерывно измерять нагрузку на провод с

достаточной точностью (погрешность не более 5%) и чувствительностью и отличаются высокой надежностью.

В целом информационная система позволяет: осуществлять краткосрочный прогноз начала

гололедообразования; обеспечивать диспетчерские службы информа-

цией о развитии гололедно-ветровой ситуации; сокращать время на принятие решения о про-

ведении организационно-технических мероприятий по предотвращению гололедной аварии, в том числе: по своевременной организации наблюдения выездными бригадами при отсутствии датчиков гололедной нагрузки на ВЛ; по определению оче- редности плавок и их проведению; обеспечению контроля окончания плавки.

Необходимость решения этих задач в регионах с повышенной опасностью гололедообразования, к которым относится Северный Кавказ, отмечена в [1].

Важной составляющей информационной системы является прикладное программное обеспече- ние. Данные о нагрузках на провода ВЛ и температуре воздуха поступают диспетчеру, автоматиче- ски записываются в базу данных и обрабатываются с помощью программы “Гололед-СТГН”. При возникновении опасного гололедообразования в темпе процесса производятся расчеты приведенной стенки гололеда, механического напряжения в проводе, стрелы провеса и возможного нарушения допустимых габаритов, времени плавки гололеда, выполняется прогноз развития гололедной ситуации в энергорайоне. Программное обеспечение работает в режиме советчика диспетчеру и позволяет ему оперативно принимать решение о необходимости и очередности плавки гололеда на ВЛ.

Информация о гололедообразовании передается с пунктов контроля с периодичностью, которая может меняться диспетчером в зависимости от гололедной ситуации. Эти данные отображаются у диспетчера на карте местности с нанесенными на нее подстанциями, линиями и пунктами контроля. При поступлении данных производится прогноз гололедной нагрузки в каждой фазе на 3 ч вперед и рассчитываются режимы плавки гололеда на ВЛ как постоянным, так и переменным током. Определяется расчетное время плавки при условии ее начала немедленно и через 3 ч. По этим значениям диспетчер может оценить насколько опасно про-

медление в проведении плавки гололеда. Вычисляется температура провода, не покрытого гололедом, при текущих климатических условиях, что позволяет не допустить перегрева провода. Для расчета режимов плавки гололеда в базе данных хранится информация о схемах плавки на всех ВЛ энергорайона.

Программа в автоматическом режиме рассчи- тывает также значения максимально допустимого тока и тока профилактического обогрева при текущих климатических условиях. Профилактический обогрев провода применяется для того, чтобы не допустить налипания гололеда на провод. Обычно перераспределением нагрузок создается режим, когда по линии течет ток, нагревающий провод до положительной температуры. Если ток будет недостаточным, то это может усугубить ситуацию и увеличить плотность и массу прилипающего гололеда. Если ток будет слишком большим, возрастут потери электроэнергии. Программа позволяет более эффективно использовать режим профилакти- ческого обогрева проводов ВЛ.

Постановка задачи расчета приведенной толщины стенки гололеда, механического напряжения в проводе и стрелы провеса по показаниям ДГН отличается от классической [2], так как заранее неизвестно значение нагрузки на 1 м провода ВЛ, но известна нагрузка на гирлянду изоляторов при гололеде и ветре. Расчеты осложняются тем, что ДГН часто устанавливаются в труднодоступных горных условиях, а, следовательно, может быть значительная разность в высотах подвеса провода (ðèñ. 1).

Исходя из этого расчет толщины стенки гололеда, приведенной к заданной плотности, можно производить только численными методами. В данном случае можно воспользоваться методом спуска с фиксированным шагом. При этом толщина стенки гололеда подбирается таким образом, чтобы реальная нагрузка на ДГН PÄÃÍ совпадала с расчетной PÄÃÍ ð. Начальное значение толщины стенки гололеда bã задается равным нулю и затем увеличивается на каждом шаге, пока не будет выполняться условие

|PÄÃÍ – PÄÃÍð(bã)| < ,

где – заданная точность расчета.

Вначале рассчитываются нагрузки на 1 м провода. Нагрузка от собственной массы провода P1 определяется по каталогу. Нагрузка от гололеда P2

где – плотность гололеда; dïð – диаметр провода. Суммарная нагрузка от собственной массы и

массы гололеда P3

P3 = P1 + P2.

Нагрузка от ветра на провода, свободные от гололеда, P4

2

P4 C x d ïð 16 ,

где – скорость ветра; – коэффициент неравномерности скоростного напора (зависит от длины пролета); Cx – коэффициент лобового сопротивления.

Нагрузка от ветра на провода с гололедом P5

2

P5 0,25 C õ (d ïð 2bã ) 16 .

Результирующие нагрузки на провод: нагрузка от массы провода, свободного от гололеда и давления ветра

P6 P12 P42 ;

нагрузка от массы провода, гололеда и ветра

P7 P32 P52 .

Далее определяется длина весового пролета

ãäå Sïð – сечение провода; – механическое напряжение в проводе.

Механическое напряжение в проводе при заданных условиях определяется для анкерного пролета с разными длинами пролетов в пересеченной местности исходя из уравнения состояния провода [3]

ãäå ð, Pð, ð – расчетные параметры, определяемые при отсутствии гололеда; – коэффициент температурного расширения; lïð.ïð – приведенная длина анкерного пролета; ïð – приведенный коэффициент упругого удлинения провода.

Приведенная длина анкерного пролета определяется по выражению

ãäå li – длина i-го промежуточного пролета в анкерном пролете; N – число промежуточных пролетов в анкерном пролете.

Приведенный коэффициент упругого удлинения провода рассчитывается по [3]

ãäå Å – модуль упругости; hi – разность высот подвеса в i-м пролете.

Для комбинированного сталеалюминевого провода модуль упругости и коэффициент температурного расширения определяются исходя из этих параметров для алюминия и стали

ãäå ñò, Al – коэффициенты температурного расширения стали и алюминия соответственно; Åñò, EAl – модуль упругости стали и алюминия соответственно; a = SAl/Sñò – отношение сечения алюминия к сечению стали.

Максимально допустимое напряжение ìä для сталеалюминевого провода определяется по формуле

E

ìä ìä Al EAl ,

ãäå ìäAl – максимально допустимое напряжение в алюминиевой части провода.

Уравнение состояния провода (2) относительно– кубическое. Решить его можно численными методами, например методом половинного деления.

Расчетная нагрузка на датчик гололедной нагрузки PÄÃÍ ð определяется по следующей формуле:

ãäå Pãð – масса гирлянды изоляторов; mïð – число проводов в фазе.

В результате получены значения толщины стенки гололеда, приведенной к круглому сечению определенной плотности, механическое напряжение в проводе, позволяющее определить реальную

опасность гололедного отложения, и максимальная стрела провеса, позволяющая контролировать нарушение допустимых габаритов. Если считать условия гололедообразования примерно равными на разных участках линии, то, зная толщину стенки гололеда, можно произвести расчет напряжения в проводе и стрел провеса в других пролетах ВЛ.

При расчете механического напряжения в проводе по уравнению (2) большое влияние на точ- ность расчета оказывает ð, т.е. расчетное значе- ние напряжения при известных условиях Pð è ð. Определить его можно следующими способами. Во-первых, в качестве расчетного можно принять проектное значение ð, однако реальное значение напряжения может значительно отличаться от проектного, тем более для линий, эксплуатировавшихся много лет. Во-вторых, можно измерить реальное тяжение провода в анкерном пролете, например путем установки датчика гололедной нагрузки в натяжную гирлянду изоляторов. Это наиболее точный способ, однако сопряженный с определенными трудностями практического характера. В-третьих, значение механического напряжения можно получить расчетным путем по показаниям ДГН в подвесной гирлянде изоляторов в пролетах, где разность высот подвеса провода превышает 15% длины пролета.

Расчетное значение механического напряженияð в последнем случае определяется при отсутствии гололеда и известных климатических условиях по формуле, полученной из формул (1) и (3)

Приведенные алгоритмы реализованы в программе “Гололед-СТГН”. Исходя из опыта эксплуатации информационных систем можно сказать, что расчетные данные хорошо согласуются с данными наблюдений. Например, в МЭС Юга установлена система контроля гололедообразования на ВЛ 330 кВ Черкесск – Баксан. Эта линия проходит по территории VII района по толщине стенки гололеда. Только в сезоне 2003 04 г. на ней регулярно отмечались опасные гололедные нагрузки. На ðèñ. 2 показана одна из таких ситуаций, произошедшая 21 февраля 2004 г. На ðèñ. 2, à показаны нагрузки на ДГН, а на ðèñ. 2, á – соответствующая им приведенная к плотности 0,9 г см3 толщина стенки гололеда. Датчики на опоре установлены

во всех трех фазах ВЛ, что повышает надежность измерения, а также позволяет контролировать окончание плавки гололеда.

В ноябре 2003 г. нагрузки на ДГН достигали 700, 734, 945 кг соответственно для фаз À, Â, Ñ при значениях нагрузок без гололеда 370, 380, 420 кг. В это время в месте установки датчиков наблюдалась круглая плотная изморозь диаметром 5 – 7 см при скорости ветра 10 – 12 м с и температуре воздуха минус 5°С. Расчетные значения толщины стенки гололеда, приведенной к гололеду круглого сечения плотностью 0,5 г см3, составили 1,7; 1,8; 2,3 см, что соответствует среднему диаметру гололедной муфты 5,8; 6; 7 см.

Выводы

1.Применение информационных систем контроля гололедообразования помогает диспетчеру своевременно принимать решения по борьбе с гололедом в регионе.

2.Наиболее перспективно применение радиотелемеханических систем контроля гололедообра-

зования, передающих данные о гололедных нагрузках и метеообстановке в пункте контроля на разные уровни диспетчерского управления.

3.Для более достоверной оценки гололедной ситуации необходимы расчеты механических параметров режима работы ВЛ: приведенной толщины стенки гололеда, механического напряжения в проводе, стрел провеса.

4.Опытная эксплуатация систем контроля гололедообразования и проведение наблюдений за гололедом показали достоверность расчетов, проводимых с использованием программы “ГололедСТГН”.

Список литературы

1.Правила устройства электроустановок. 7-е изд. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2003.

2.Электротехнический справочник: Производство, передача и распределение электрической энергии Под ред. Герасимова В. Г. и др. М.: Изд-во МЭИ, 2002, т. 3.

3.Глазунов А. А. Основы механической части воздушных линий электропередачи. М. – Л.: Госэнергоиздат, 1956.