Электротермический способ удаления льда с проводов

Научный руководитель – д. т.н., профессор

Несмотря на многолетние усилия энергетиков и ученых, гололедные аварии в электрических сетях многих энергосистем по-прежнему вызывают наиболее тяжелые последствия и периодически дезорганизуют электроснабжение регионов страны.

Борьба с обледенением проводов ЛЭП осуществляется 3 методами:

1 –механический; 2 – физико-химический; 3 – электромеханический.

1) Механический способ

Механический способ заключается в применении специальных приспособлений, которыми производится сбивание льда с проводов. Самый простой способ механического удаления гололеда – сбивание при помощи длинных шестов. Обивка осуществляется боковыми ударами, вызывающие волнообразное колебание провода. Но этот способ требует доступа к ЛЭП, что нарушает нормальную работу участка. К тому же механическое воздействие не препятствует обледенению, а устраняет его.

Удаление гололеда с проводов шестами практически неосуществимо без большого количества рабочих. Этот метод требует много времени и применяется только на коротких участках линий, из-за чего в большинстве случаев признается нецелесообразным. Поэтому в настоящее время наиболее распространенным способом борьбы с гололедом на проводах ЛЭП является плавка гололеда переменным или постоянным током большой величины в течение продолжительного периода времени (около100 минут и более). При этом расходуется значительное количество энергии и требуется отключение линии от потребителей на длительный срок.

2) Электротермический способ

Электротермический способы удаления льда заключаются в нагреве проводов электрическим током, обеспечивающим предотвращение образования льда – профилактический подогрев или его плавку.

Профилактический подогрев проводов заключается в искусственном повышении тока в сети ЛЭП до такой величины, при которой провода нагреваются до температуры выше 0°С. При такой температуре гололед на проводах не откладывается. Профилактический подогрев необходимо начинать до образования гололеда. При профилактическом подогреве следует применять такие схемы питания, которые не требуют отключения потребителей.

Плавка гололеда на проводах осуществляется при уже образовавшемся гололеде путем искусственного повышения тока сети ЛЭП. Провода нагревают постоянным или переменным током частотой 50 Гц до температуры 100-130°С. Сделать это проще, замкнув накоротко два провода, при этом от сети приходится отключать всех потребителей.

Плавка гололеда переменным током применяется только на линиях с напряжением ниже 220 кВ с проводами сечением меньше, чем 240 мм2. Для ВЛ напряжением 220 кВ и выше с проводами сечений 240 мм2 и более плавка гололеда переменным током требует значительно больших мощностей источника питания.

Преимущество этого метода, это то что он снижает энергозатраты. Однако к недостаткам такого метода можно отнести следующее: необходимость постоянного подогрева проводов для предотвращения гололедообразования, высокая стоимость источников высокочастотного тока необходимой мощности.

3) Физико-химический метод

Этот метод заключается в нанесении на провода растворов специальных веществ, которые замерзают при температурах значительно более низких, чем вода. Метод предполагает получение покрытий с низкой адгезией к водным средам, снегу и льду. Одним из наиболее перспективных методов снижения адгезии является создание супергидрофобных покрытий.

Рисунок 4. Испытание супергидрофобного покрытия

Физико-химический способ в отличие от других предотвращает появления обледенения проводов. Полученные результаты позволяют говорить о новом физико-химическом методе в борьбе с обледенением проводов ЛЭП, эффективность которого существенно превышает возможности традиционных методов. Также этот метод не требует каких либо больших экономических затрат. Поэтому он является более перспективным. Единственным недостатком физико-химического метода является то, что срок действия таких жидкостей недолог, а регулярно наносить их на сотни и тысячи километров проводов нереально.

4) Замена проводов.

Метод заключается в том, чтобы не изобретать никаких второстепенных приборов для очистки проводов ото льда, а создать новые высокотехнологичные провода. Эти провода должны выполнять следующие требования:

— увеличить пропускную способность существующих линии;

— снизить механические нагрузки, прикладываемые к опорам ЛЭП, из-за пляски проводов;

— повышение коррозионной стойкости проводов и тросов;

— снижение риска обрыва провода при частичном повреждении нескольких внешних проволок из-за внешних воздействий, в том числе в результате удара молнии;

— улучшение механических свойств проводов при налипании снега или образовании льда

Для этого, внешние слои провода нужно выполнять из таких проводников которые будут плотно прилегать друг к другу.

Таким образом, за счет более плотной скрутки проводников и более гладкой внешней поверхности возможно использование более тонких и более легких проводов. Это, в свою очередь приводит к снижению электрических потерь в проводах на 10 – 15 %, в том числе потери на корону, и повышению механической прочности конструкции. Также, благодаря плотной скрутке практически исключается проникновение во внутренние слои воды и загрязнений, следовательно снижается коррозия внутренних слоев провода.

Из-за неэффективности механического и физико-химического метода на больших расстояниях, то об экономической стороне, говорить не будем.

В данный момент, образовавшийся гололёд на проводах очищают подогревом. Это не является самым дешевым способом, так как этот способ требует мощных и дорогих источников питания. Таким образом, плавка гололёда током — довольно неудобное, сложное, опасное и дорогостоящее мероприятие. Кроме того, очищенные провода при сохранившихся климатических условиях вновь обрастают льдом, который требуется плавить снова и снова.

Следует отметить, что плавка гололеда должна проводиться в районах интенсивного гололедообразования с частой пляской проводов. В других случаях применение плавки гололеда должно обосновываться технико-экономическими расчетами.

Срок эксплуатации проводов составляет 45 лет. Нужно переходить на новые высокотехнологичные провода. Зарубежные провода стоят очень дорого, стоимость в 10 раз превышает стоимость проводов АС. Предлагается разработать отечественные высокотехнологичные провода и начать заменять старые на новые.

Список используемой литературы

1. Способ удаления обледенения с проводов линий электропередач / , , : пат. 2442256 C1 Росс. Федерация, МПК H 02 G 7/16.; № 000/07 ; заявл. 29.10.2010 ; опубл. 10.02.2012, Бюл. № 4. 4с.: ил.

2. , Емельянов борьбы с обледенением ЛЭП: перспективы и преимущества новых супергидрофобных покрытий. //Журнал ЭЛЕКТРО № 6/2011. http://www. ess. ru/.

3. Дьяков и ликвидация гололедных аварий в электрических сетях. Пятигорск: Изд-во РП «Южэнерготехнадзор», 2000. 284 с.

4. Абжанов P. C. Исследование осаждения аэрозолей применительно к процессу гололедообразования на проводам ЛЭП / Дис. канд. техн. наук Алма — Ата,1973.

5. , К вопросу о борьбе с гололедным образованием на проводах линий электропередач // Научн. Тр. ЧИМЗСХ – Челябинск, 1973, вып.83, с.34-36.

6. , , АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА УДАЛЕНИЯ ЛЬДА С ПРОВОДОВ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ

Источник

Способ удаления снега и/или льда с проводов линий электропередач и устройство для его осуществления

Владельцы патента RU 2460188:

Использование: для удаления намерзшего льда с электрических проводов. Технический результат заключается в повышении эффективности и упрощении технических средств. Способ удаления снега и/или льда с проводов линий электропередач включает разделение провода на отдельные отрезки, соединенные между собой электрически и механически, жесткое закрепление одного из концов отрезка провода, закрепление второго конца отрезка провода с возможностью вращения и приложение к отрезкам проводов усилия, обеспечивающего их проворачивание относительно продольной оси. Устройство для реализации способа включает средство механического и электрического соединения отрезков проводов между собой, обеспечивающее жесткое закрепление одного из концов отрезка провода и закрепление второго конца отрезка провода с возможностью вращения, выполненное в виде муфты, и средство для проворачивания проводов относительно их оси, выполненное в виде по крайней мере одной лопасти, жестко соединенной с проводом непосредственно или через втулку. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретения относятся к электроэнергетике и могут быть использованы при эксплуатации линий электропередачи, находящихся под напряжением или в обесточенном состоянии.

Энергетики рассматривают обледенение ЛЭП в качестве одного из наиболее серьезных бедствий. Это явление характеризуется образованием плотного ледяного осадка при намерзании переохлажденных капель дождя, мороси или тумана преимущественно при температуре от 0 до -5°С на проводах ЛЭП. Толщина гололеда на воздушных высоковольтных ЛЭП может достигать 60-70 мм, существенно утяжеляя провода. Простые расчеты показывают, что, например, масса провода марки АС-185/43 диаметром 19,6 мм длиной 1 км массой 846 кг увеличивается при толщине гололеда в 20 мм в 3,7 раза, при толщине в 40 мм — в 9 раз, при толщине 60 мм — в 17 раз. При этом общая масса линии электропередачи из 8 проводов длиной в 1 км возрастает соответственно до 25, 60 и 115 тонн, что приводит к обрыву проводов и поломке несущих опор.

Подобные аварии приносят значительный экономический ущерб, приостанавливая электроснабжение предприятий и жилых домов. На устранение последствий таких аварий уходит порой значительное время и затрачиваются огромные средства. Такие аварии случаются ежегодно во многих странах северной и средней полосы.

Известны многочисленные способы борьбы с этим явлением, основанные на механическом или тепловом воздействии на ледяную корку. При этом предпочтение отдается различным способам плавки льда, поскольку средства механического воздействия зачастую не могут быть применены в труднодоступных горных и лесистых районах. Плавка током — наиболее распространенный способ борьбы с гололедом на проводах воздушных высоковольтных ЛЭП. Лед плавят за счет нагрева несущих или вспомогательных проводов постоянным или переменным током частотой 50 Гц до температуры в 100-130°С.

Иногда нагрев проводов совмещают с механическим воздействием. Так, например, известен способ удаления гололеда с проводов контактной сети и линий электропередач (RU 2166826 [1]), заключающийся в том, что пропускают переменный ток или импульсы тока с частотой, близкой к механическому резонансу, и амплитудой, достаточной для преодоления внешних и внутренних сил трения, причем изменение пропускаемого переменного тока может быть периодическим, иметь качающуюся частоту, изменяться по гармоническому закону, иметь форму пачек импульсов с заданными законами изменения частоты, амплитуды и скважности. Параметры пропускаемого по двойным (или кратным двум) проводам контактной сети и линий электропередачи электрического тока выбираются так, чтобы привести провода в колебательное движение. Как известно, проводники с однонаправленным протеканием тока притягиваются. Вместе с тем при ударе проводов друг о друга накапливается потенциальная энергия в виде упругой деформации. Следовательно, получается колебательная система, которая при соответствующем подборе частоты, амплитуды и скважности импульсов тока может начать колебаться и войти в резонанс. Ускорение удаления гололеда достигается за счет того, что нагрев проводов будет сопровождаться механическими ударами проводов друг об друга. Уменьшение расходов электроэнергии достигается за счет значительного сокращения времени удаления гололеда с проводов и уменьшения величины пропускаемых токов. Повышение безопасности достигается за счет исключения режимов короткого замыкания. Уменьшение влияния на линии связи, предотвращение отказов радиоэлектронной аппаратуры происходит также за счет отказа от режимов короткого замыкания. Данный способ является весьма сложным в реализации, а кроме того, необходимо отключать потребителей на период проведения процедуры размораживания.

Известен способ удаления снежно-ледового покрова с проводов при минимальных затратах электроэнергии (RU 2404497 [2]), при этом подача электроэнергии потребителям не прерывается. Сущность изобретения заключается в том, что с помощью гальванически развязанного источника тока, подключенного в контур проводов расщепленной фазы, пропускают один или несколько коротких импульсов тока с амплитудой, достаточной для нагревания проводов без их разрушения, при этом повторные импульсы, в зависимости от температуры окружающей среды, подают с периодом их следования, не превышающим времени остывания проводов до их предыдущего температурного состояния, в результате получается быстрый разогрев проводов и одновременно один или несколько термодинамических ударов в них соответственно. Недостатком известного способа является недостаточно высокая эффективность, сложность осуществления и необходимость энергозатрат для его осуществления.

Известен способ борьбы с гололедом на линиях электропередачи, заключающийся в том, что без отключения потребителей на токонесущие провода подают от внешнего источника ток, разогревающий провод, отличающийся тем, что подают между двумя проводами линии электропередачи напряжение высокой частоты в диапазоне 50-500 МГц с мощностью R_Г=q·A·ΔТ, где q — коэффициент теплоотдачи верхнего горячего слоя провода воздуху, А — площадь поверхности проводов, ΔТ — температура нагрева провода относительно температуры окружающей среды (RU 2356148 [3]). Недостатком известного способа является недостаточно высокая эффективность, сложность осуществления и необходимость энергозатрат для его осуществления.

Наиболее близким к заявляемому способу по своей технической сущности является способ удаления снежно-ледового покрова с проводов, который реализуется с помощью устройства, известного из (RU 2092952 [4]). Способ представляет собой механическую ломку и удаление с провода льда и снега за счет придания проводам колебательного движения при взаимодействии двух переменных сил.

Недостатком известного способа является недостаточно высокая эффективность.

Известно устройство для удаления гололеда с проводов, которое состоит из двух изолированных между собой групп проволок, которые с одного конца соединены между собой и с проводом последующего участка воздушной линии, а с другого конца первая группа проволок соединена с проводом предыдущего участка воздушной линии, а между первой и второй группами проволок включен независимый источник напряжения (RU 2316866 [5]).

Основной ток линии проходит с провода предыдущего участка ЛЭП на первую группу проволок и затем на провод следующего участка ЛЭП. От независимого источника прикладывается напряжение между первой группой проволок и второй группой проволок. Независимым источником напряжения может быть трансформатор напряжения, питающийся от сети 0,38 кВ с изоляцией 63 кВ относительно земли для подстанции 110 кВ, либо трансформатор вдали от подстанции, питаемый непосредственно от воздушных линий 110 кВ. Устройство обеспечивает его применение его без отключения потребителей. Однако недостатком данного способа является усложнение конструкции всей ЛЭП за счет создания «обходных» групп проволок, принимающих на себя нагрузку в период проведения размораживания основного провода.

Известно устройство для перемещения по проводу линии электропередачи средства для удаления льда с провода которое содержит корпус, выполненный с возможностью установки на проводе, снабженный средством передвижения и источником питания. Средство передвижения содержит подвижный модуль, выполненный с возможностью перемещения относительно корпуса, и взаимодействующую с ним левистическую катушку, неподвижно закрепленную на корпусе и взаимосвязанную с источником питания, при этом подвижный модуль включает как минимум один постоянный магнит и средство фиксации подвижного модуля, выполненное с возможностью взаимодействия с проводом линии электропередач (RU 91230 U1 [6]). Недостатком устройства является сложность конструкции и необходимость наличия источника питания.

Известно устройство для удаления льда с провода, которое содержит контейнер со средствами гидрофобизации. Этот контейнер имеет постановочную прорезь, осевое отверстие для установки на провод линии электропередачи, а также лопасти воздушной турбины, благодаря которой он вращается на проводе под действием силы ветра. Благодаря такому движению происходит механическое воздействие на осадок атмосферного льда на проводе и удаление его с провода. Механизм возвратно-поступательного перемещения контейнера по проводу состоит по крайней мере из одного круглого катка, прижатого к проводу и вращающегося вместе со своей осью при вращении воздушной турбины. Ось катка закреплена в контейнере таким образом, что она может благодаря кулачковому переключателю изменять свое положение относительно провода. Для более полного использования энергии ветра путем преобразования в электрическую энергию с последующим использованием для практических нужд, например для тепловой защиты контейнера от обледенения или для передачи потребителю, в катках, изготовленных из диэлектрического материала, вмонтированы проводниковые электрические рамки, превращающие все устройство в ветроэлектрогенератор, работа которого при ветре и наличии электрического тока в фазном проводе является обязательным условием. На обесточенной, разомкнутой цепи линии электропередачи ветроэлектрогенератор вырабатывать энергию не будет (RU 2073291 [6]). Недостатком известного устройства является относительно сложная конструкция и невысокая эффективность.

Наиболее близким к заявляемому устройству по своей технической сущности является устройство, известное из описания к RU 2092952 [4].

Линия электропередачи снабжается устройством противогололедной защиты в виде облегающего провод контейнера-гидрофобизатора-очистителя с осевым отверстием, постановочной прорезью и отверстиями в боковых стенках для механической ломки и удаления с провода осадка атмосферного льда и две взаимно перпендикулярные относительно друг друга и неподвижные относительно контейнера-гидрофобизатора-очистителя лопасти, одна из которых обеспечивает перемещение контейнера по проводу из одного конца пролета ЛЭП в другой при смене направления ветра, а другая, установленная в плоскости, продольной проводу со смещением центра тяжести, как у маятника, обеспечивает контейнеру колебательное движение при взаимодействии двух переменных сил, одна из которых аэродинамическая, отклоняющая лопасть из положения равновесия при усилении ветра, а другая — сила тяжести лопасти, стремящаяся вернуть лопасть в исходное положение при ослаблении ветра.

Недостатком известного устройства является его относительно сложная конструкция и невысокая эффективность. Действительно, при наличии господствующей розы ветров может возникать ситуация, когда из-за отсутствия смены ветра устройство зависнет у одной из опор.

Заявляемые изобретения направлены на упрощение технических средств, используемых для удаления намерзшего льда с электрических проводов, и повышение эффективности.

Указанный результат достигается тем, что способ удаления снега и/или льда с проводов линий электропередач, включает разделение провода на отдельные отрезки, соединенные между собой электрически и механически, жесткое закрепление одного из концов отрезка провода, закрепление второго конца отрезка провода с возможностью вращения и приложение к отрезкам проводов усилия, обеспечивающего их проворачивание относительно продольной оси.

Указанный результат достигается также тем, что усилие, обеспечивающее проворачивание отрезков проводов относительно их продольной оси, прикладывают в окрестностях конца отрезка провода, закрепленного с возможностью вращения.

Указанный результат достигается тем, что устройство для удаления снега и/или льда с проводов линий электропередач включает средство механического и электрического соединения отрезков проводов между собой, обеспечивающее жесткое закрепление одного из концов отрезка провода и закрепление второго конца отрезка провода с возможностью вращения, и средство для проворачивания проводов относительно их оси.

Указанный результат достигается также тем, что средство неподвижного закрепления одного из концов провода и второго с возможностью его вращения выполнено в виде муфты.

Указанный результат достигается также тем, что средство для проворачивания проводов относительно их оси выполнено в виде, по крайней мере, одной лопасти, жестко соединенной с проводом непосредственно или через втулку.

Разделение провода на отдельные отрезки, соединенные между собой электрически и механически, необходимо для того, чтобы прилагаемого к отрезку провода момента вращения было достаточно для удаления ледяной корки с большей части всего отрезка.

Жесткое закрепление одного из концов отрезка провода и закрепление второго конца отрезка провода с возможностью вращения обеспечивает возможность, при приложении соответствующего усилия, обеспечить возможность проворота отрезка провода относительно его продольной оси.

Приложение к отрезкам проводов усилия, обеспечивающего их проворачивание относительно продольной оси, позволяет обеспечивать эффективное удаление намерзших льда и снега с них. Авторами было экспериментально установлено, что проворот отрезка провода относительно продольной оси, даже при незначительных углах проворота (а следовательно, при незначительных усилиях, прикладываемых для этого), обеспечивает полное удаление намерзших льда и снега. Этот факт можно объяснить тем, что придание проводу вращательного движения уменьшает адгезию ледяной корки к металлу в два раза. Одна из возможных причин эффекта уменьшения адгезионной прочности в том, что затраты энергии на разрушение контакта «лед-подложка» определяются не только формой граничной поверхности, но также соотношением нормальных и сдвиговых напряжений, причем большему значению этого отношения соответствуют большие затраты энергии.

Наиболее целесообразно прикладывать усилие, обеспечивающее проворачивание отрезков проводов относительно их продольной оси, в окрестностях конца отрезка провода, закрепленного с возможностью вращения, поскольку этим обеспечивается наиболее эффективное удаление корки с большей части отрезка провода.

Для обеспечения реализации предлагаемого способа необходимо, чтобы устройство для удаления снега и/или льда с проводов линий электропередач включало в себя:

— средство механического и электрического соединения отрезков проводов между собой;

— выполнение средства механического и электрического соединения отрезков проводов в виде электропроводных муфт, обеспечивающих жесткое закрепление одного из концов отрезка провода в муфте и закрепление второго конца отрезка провода в ней с возможностью вращения;

— средство для проворачивания проводов относительно их оси.

Механическое и электрическое соединения отрезков проводов между собой необходимо для того, чтобы обеспечить процесс передачи электороэнергии от одного пункта до другого.

Выполнение средства механического и электрического соединения отрезков проводов в виде электропроводных муфт, обеспечивающих жесткое закрепление одного из концов отрезка провода в муфте и закрепление второго конца отрезка провода в ней с возможностью вращения, представляется наиболее простым и экономически оправданным, хотя возможны и другие технические решения.

Наиболее целесообразно (с точки зрения простоты и экономии) средство для проворачивания проводов относительно их оси выполнять в виде, по крайней мере одной лопасти, жестко соединенной с проводом непосредственно или через втулку. Возможно также выполнение этого средства и в виде пропеллера, плоскость лопастей которого может иметь различный угол относительно оси проводов.

В этом случае отпадает необходимость в специальных источниках энергии для обеспечения возникновения усилия проворота, прикладываемого к проводам, поскольку будет использоваться сила ветра.

При этом для того, чтобы обеспечить возникновение усилия проворота, прикладываемого к проводам, необходимо лопасть (или лопасти) жестко соединять с проводом.

Это можно обеспечить закреплением лопастей непосредственно на проводе или через втулку, жестко закрепленную на проводе.

Сущность заявляемых изобретений поясняется примерами их реализации и графическими материалами. На фиг.1 представлена принципиальная схема реализации способа, включающая отдельные отрезки провода. На фиг.2 представлен продольный разрез соединительной муфты.

Пример. Заявляемый способ удаления снега и/или льда с проводов линий электропередач может в одном из вариантов быть реализован с помощью устройства, принципиальная схема которого представлена на фиг.1. Устройство для удаления снега и/или льда с проводов линий электропередач состоит из отрезков проводов 1, которые соединены между собой электрически и механически помощью муфт 2. Устройство снабжено средство для проворачивания проводов относительно их оси, которое может быть выполнено в виде по крайней мере одной лопасти 3, жестко соединенной с проводом непосредственно или через втулку (на чертеже не показана).

Устройство, реализуя способ, функционирует следующим образом. Под воздействием ветровой нагрузки на лопасть 3 в отрезках проводов возникает усилие скручивания вследствие того, что один из концов жестко закреплен во втулке 2, а второй с возможностью вращения. В результате проворота отрезков проводов вдоль продольной оси происходит их деформация, приводящая к удалению налипших на них снега или льда.

1. Способ удаления снега и/или льда с проводов линий электропередач, включающий разделение провода на отдельные отрезки, соединенные между собой электрически и механически, жесткое закрепление одного из концов отрезка провода, закрепление второго конца отрезка провода с возможностью вращения и приложение к отрезкам проводов усилия, обеспечивающего их проворачивание относительно продольной оси.

2. Способ удаления снега и/или льда по п.2, отличающийся тем, что усилие, обеспечивающее проворачивание отрезков проводов относительно их продольной оси, прикладывают в окрестностях конца отрезка провода, закрепленного с возможностью вращения.

3. Устройство для удаления снега и/или льда с проводов линий электропередач для реализации способа по п.1, включающее средство механического и электрического соединения отрезков проводов между собой, обеспечивающее жесткое закрепление одного из концов отрезка провода и закрепление второго конца отрезка провода с возможностью вращения, и средство для проворачивания проводов относительно их оси.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что средство неподвижного закрепления одного из концов провода и второго с возможностью его вращения выполнено в виде муфты.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что средство для проворачивания проводов относительно их оси выполнено в виде по крайней мере одной лопасти, жестко соединенной с проводом непосредственно или через втулку.

Источник