Емкостной датчик в качестве элемента определения образования гололёдно-изморозевых отложений на высоковольтных линиях электропередач

КФ Уфимского государственного технического университет Кафедра ПА Емкостной датчик в качестве элемента определения образование гололёдно-изморозевых отложений на высоковольтных линиях электропередач А. П. Баранов г. Кумертау В данной статье рассмотрены вопросы борьбы с гололёдными отложениями на ВЛЭП и один из вариантов реализации датчика раннего обнаружения гололеда. Применяемые в энергетике датчики построены на принципе срабатывания от веса льда на проводах ЛЭП. Если учесть ветровые нагрузки на провода, то погрешность таких датчиков очень большая и до принятия решения о плавке вес льда на проводах может составить сотни килограммов на один пролет между опорами, что делает процесс плавки технически затруднительным и экономически затратным. Предлагается применение других более качественных методов обнаружения гололеда.

В предыдущих публикациях [2] были рассмотрены методы борьбы с таким природным явлением как образование гололёдно-изморозевых отложений на ВЛЭП. Аварии по причине гололеда можно классифицировать как стихийное бедствие. Поэтому борьба с гололедом в России, в частности, в Башкирии является актуальной. Основным средством борьбы с гололедом в России и Башкирии является плавка гололёда, и проведя анализ последствий образования гололеда, можно выделить основные причины повреждений линий электропередач:

— отсутствие современных систем оповещения о наличии гололеда

— несвоевременная плавка гололеда (требуются длительные организационные и технические мероприятия)

— отсутствие систем плавки гололеда Практикой эксплуатации ВЛЭП доказано [4], что своевременно проведенной плавкой гололеда (в течение 1 часа с момента образования) можно предотвратить гололедные аварии. Для этого необходимо иметь оперативную информацию об образовании гололёдно-изморозевых отложений в каждой критической точке ВЛЭП.

Проведя анализ существующих систем плавки гололеда эффективной может быть только полностью автоматизированная система, которая автоматически определяет момент образования гололедных отложений (регистрируется датчиком момент кристаллизации воды) и, не тратя времени на принятие решения и на сборку схемы плавки гололеда автоматически подключает высокочастотную установку, которая устраняет образование льда на проводах ВЛЭП. В этом случае нагрев идет не по всей толщине провода, а только поверхностного слоя — (скин-эффект), что не нарушает структуру материала токоведущего провода (кабеля). Важно, чтобы система срабатывала в самом начале образования гололеда, только в этом случае экономические и энергетические затраты на удаление льда будут минимальны. датчик гололедный высоковольтный электропередача Одним из самых важных узлов системы является датчик обнаружения начала образования гололеда. Рассмотрим применение емкостного датчика.

Емкостные датчики обладают рядом преимуществ по сравнению с датчиками других типов. Достоинства датчиков данного типа:

— простота изготовления;

— высокая чувствительность;

— малые габариты и вес;

— низкое потребление энергии;

— отсутствие внешних контактов;

— долгий срок эксплуатации;

— простота приспособления формы датчика к конструкции ЛЭП Принцип действия основан на зависимости электрической емкости конденсатора от площади и расстояния его обкладок, а так же от диэлектрической проницаемости среды между ними.

С = e₀eS/h

где e₀ — диэлектрическая постоянная; e — относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; S — активная площадь обкладок; h — расстояние между обкладками конденсатора.

Так как датчик должен отслеживать кристаллизацию воды т. е. переход из жидкого состояние в твердое. Работа нашего датчика будет базироваться на отслеживание такого параметра как диэлектрическая проницаемость среды.

Рис. 1 Устройство датчика Одна из основных электрических характеристик любой среды — диэлектрическая проницаемость.

Таблица 1

Измерение именно этого параметра вызвано тем что вода показывает большой диапазон изменений диэлектрической проницаемости при изменении своего состояния. Как видно из таблицы 1 для статических электрических полей она равна 80, в то время как для большинства других веществ она менее 10 (для льда — 3,3).

Так как емкость датчика работает в составе высокочастотного генератора, то на воду (лед) воздействует переменное электрическое поле, а диэлектрическая проницаемость зависит от частоты приложенного поля, сильно уменьшаясь для высокочастотных полей.

Высокое значение е =80 диэлектрической проницаемости объясняется особенностями химического строения молекулы H₂O. Это значение связано с тем, что вода — сильно полярная жидкость. Каждая молекула воды обладает значительным дипольным моментом. В отсутствие электрического поля диполи ориентированы случайным образом, и суммарное электрическое поле, создаваемое ими, равно нулю. Если воду поместить в электрическое поле, то диполи начнут переориентироваться так, чтобы ослабить приложенное поле. Такая картина наблюдается и в любой другой полярной жидкости, но вода благодаря большому значению дипольного момента молекул H₂O способна очень сильно (в 80 раз) ослабить внешнее поле. Так реагирует вода на постоянное или слабоменяющее внешнее электрическое поле. В переменных электрических полях диэлектрическая проницаемость воды уменьшается с ростом частоты приложенного поля, достигая значения 4−5 для частот больше 10¹² Гц.

В 1929 г. П. Дебай предложил описывать реакцию воды на внешнее электрическое поле с помощью комплексной диэлектрической проницаемости:

е (щ) = е_? + (е_п — е_?)/(1 + i щ ф) где щ — частота внешнего электрического поля, i — мнимая единица, ф — характерное время релаксации, е_?? 4ч5 — диэлектрическая проницаемость воды при максимально высокой частоте внешнего поля. [5]

Рис. 2 — Зависимость относительной диэлектрической проницаемости воды и льда от частоты электромагнитных волн Из графика на рис. 2 видно, что частотный диапазон работы генератора датчика располагается в диапазоне 10КГц-100МГц.

Отслеживая изменения диэлектрической проницаемости, получаем высокочувствительный датчик, который выдаст сигнал начала образования гололедных отложений и позволит системе управления начать высокочастотную плавку гололеда.

1. Рудакова Р. М., Вавилова И. В., Голубков И. Е. Борьба с гололёдом в электросетевых предприятиях. Уфа: Уфимский государственный авиационный технический университет, 1995.

2. Методические указания по применению устройств налипания мокрого снега на проводах ВЛ 10−220 кВ РД 34. 20 568−91. — М.: СПО ОРГРЭС 1993.

3. Каганов В. И., Доктор технических наук. Борьба с гололедом в линиях электропередачи с помощью высокочастотной электромагнитной волны.

4. Данные по гололедно-изморозевым отложениям на ВЛ 35−220кВ по зоне Белебеевских сетей за 1983;2004 г.