Проблема борьбы с обледенением проводов линий электропередач довольно остро стоит по всему миру, особенно в регионах с высокой влажностью и низкими температурами зимой. Поэтому во всем мире целым рядом компаний и организаций активно ведутся исследования и разработка способов и устройств для борьбы с обледенением линий электропередач.
В данной статье проведенный аналитический обзор способов борьбы с обледенением проводов ЛЭП позволил выявить наиболее эффективное направление в данной области – удаление гололедных отложений посредством возбуждения интенсивных изгибных колебаний провода.
Разработка электромеханического устройства, работающего в пределах одного пролета линии электропередачи и сочетающего в себе два противообледенительных режима работы: профилактический и экстремальный. В профилактическом режиме устройство работает непрерывно за счет взаимодействия с переменным током, протекающим по проводам ЛЭП в штатном режиме их работы, без необходимости отключения на обслуживание, что придает электромеханическим взаимодействиям вибрационный характер и обеспечивает непрерывность процесса удаления с проводов капель воды на ранней стадии до ледообразования, а в экстремальном режиме электромеханическому взаимодействию придается ударно-встряхивающий характер за счет периодического пропускания по проводам пролета ЛЭП импульсов постоянного тока от специального источника, создавая механические ударные воздействия на провода с периодическим их встряхиванием и вызывая этим разрушение и стряхивание налипшего на провод льда.
Техническим результатом данной статьи является расширение функциональных возможностей устройства для электромеханического удаления ледяных образований с проводов линий электропередач и повышение его эффективности при меньшем энергопотреблении. Это определяет актуальность и практическую значимость представленной статьи.
В настоящее время для передачи энергии на большие расстояния, благодаря относительно небольшой стоимости, широко применяют воздушные линии электропередачи (ЛЭП). Одним из основных элементов ЛЭП являются провода. При эксплуатации воздушных линий электропередач возникает проблема обледенения проводов. Значительное число воздушных линий электропередачи различных регионах страны (Северо-запад, Поволжье, Дальневосточное приморье и т.д.) подвержены в зимнее время года и в осенне-зимних и весенне-зимних сезонах налипанию мокрого снега на провода и образованию гололедно-изморозевых отложений. Высокая влажность, ветры, резкие перепады температуры воздуха способствуют образованию наледи на проводах воздушных линий. Толщина гололёда на них может достигать 60-70 мм, существенно утяжеляя провода. Простые расчеты показывают, что, например, провод марки АС-185/43 диаметром 19,6 мм километровой длины имеет массу 846 кг; при толщине гололёда 20 мм она увеличивается в 3,7 раза, при толщине 40 мм – в 9 раз, при толщине 60 мм – в 17 раз. При этом общая масса линии электропередачи из восьми проводов километровой длины возрастает соответственно до 25, 60 и 115 тонн, что приводит к обрыву проводов и поломке металлических опор. Наличие гололеда обуславливает дополнительные механические нагрузки на все элементы воздушных линий. В результате значительного увеличения массы проводов и воздействующих на них динамических и статических нагрузок происходят опасные и нежелательные явления, особенно при сильном ветре. К их числу относятся обрыв токопроводящих проводов и грозозащитных тросов под тяжестью снега и льда, недопустимо близкое сближение проводов и их сильное раскачивание (так называемая «пляска»), ухудшение защитных свойств изоляторов, разрушение опор.
Подобные аварии приносят значительный экономический ущерб, на их устранение уходит несколько дней и затрачиваются огромные средства. В результате сетевые энергокомпании и потребители несут крупные убытки, а восстановление оборванных проводов – дорогостоящий и трудоемкий процесс. Среднее время ликвидации гололедных аварий превышает среднее время ликвидации аварий, вызванных другими причинами, в 10 и более раз.
Борьба с обледенением проводов линий электропередачи является серьёзной проблемой, актуальной для многих стран, имеющих регионы с высокой влажностью и низкими температурами. Поэтому во всем мире целым рядом компаний и организаций активно ведутся исследования и разработка способов и устройств для борьбы со льдом на линиях электропередач. Однако, несмотря на многолетние усилия энергетиков, гололедные аварии в электрических сетях многих энергосистем попрежнему вызывают наиболее тяжелые последствия и периодически дезорганизуют электроснабжение регионов страны. По статистике в энергосистемах по причине гололеда происходит от 6 до 8 крупных аварий в год.
При эксплуатации воздушных линий электропередач в ряде северных и горных регионов возникает проблема обледенения проводов и других конструкций в зимний период. Отложение гололёда представляет большую опасность для стабильного энергоснабжения и нормальной эксплуатации воздушных линий электропередачи. За последние двадцать лет произошли значительные изменения в динамике и географии образования гололёда на высоковольтных линиях передачи электроэнергии. Опишем один из возможных физических механизмов образования гололёда, зарождающегося по причине соприкосновения двух масс воздуха – холодного и теплого повышенной влажности. В условиях относительно мягкой зимы при резком перепаде значений температуры окружающего воздуха от положительной к отрицательной на проводах оседают капли воды и начинается лавинообразный процесс образования толстой ледяной корки, достигающей толщины в несколько десятков миллиметров и многократно утяжеляющей провода (рисунок 1).
Рисунок 1. Гололедные отложения на проводах воздушной линии электропередач
При этом толщина плотного гололёда на проводах может достигать 6070 мм (рисунок 2), существенно утяжеляя провода. Вес гололедноизморозевых отложений в отдельных случаях может достигать более 4 кг на погонный метр провода.
Рисунок 2. Характерное обледенение провода ЛЭП
Допустимая толщина стенки гололеда для линий с различным номинальным напряжением зависит от климатического района. В таблицах 1 и 2 приведены нормативные значения стенки гололеда для различных климатических районов и гололедные районы для некоторых городов
России [9].
Таблица 1. Нормативная толщина стенки гололеда, мм, для высоты 10 м над поверхностью земли
Таблица 2. Гололедные районы некоторых городов России
При значительных гололедных отложениях возможны обрывы проводов, тросов, разрушения арматуры, изоляторов и даже опор воздушных линий (рисунок 3).
Рисунок 3. Гололёд – бедствие для линий электропередач
Гололед может откладываться по фазным проводам достаточно неравномерно. Стрелы провеса проводов с гололедом и без гололеда могут отличаться на несколько метров. Неравномерность отложения льда на фазных проводах, приводящая к различным значениям стрел провеса, а также неодновременный сброс гололеда при его таянии, вызывающий «подскок» отдельных проводов, могут привести к перекрытию воздушной изоляции. Гололед является одной из причин «пляски» проводов, способной привести к их схлестыванию [1].
Подобные аварии приносят значительный экономический ущерб, на их устранение уходит несколько дней и затрачиваются огромные средства. Энергетики рассматривают обледенение ЛЭП в качестве одного из наиболее серьезных бедствий. Среднее время ликвидации гололедных аварий превышает среднее время ликвидации аварий, вызванных другими причинами, в 10 и более раз. Проблема борьбы с обледенением проводов линий электропередач довольно остро стоит по всему миру, особенно в регионах с высокой влажностью и низкими температурами зимой.
Опишем один из возможных физических механизмов образования гололёда, зарождающегося по причине соприкосновения двух масс воздуха – холодного и теплого повышенной влажности. В такой системе тёплая воздушная масса вытесняет тонкий слой холодного воздуха к поверхности земли. В результате на верхнем уровне образуется снег, который в тёплом слое превращается в дождь при превышении температуры кристаллизации. Капли дождя, попадая в слой более холодного воздуха у поверхности земли, замерзают при соприкосновении с переохлажденной поверхностью различных предметов, в том числе проводов и опор ЛЭП, и начинается процесс лавинообразного роста наледи. Описанный механизм образования гололёда свойственен, например, некоторым областям Канады. Здесь дождь с образованием гололёда выпадает до 15 раз в году и длится несколько часов, оставляя на проводах ЛЭП наледь толщиной до 30-60 мм.
Экономический ущерб от данного атмосферного давления достигал 5 млрд долларов [1]. Таким образом, борьба с обледенением проводов линий электропередачи является серьёзной проблемой, актуальной для многих стран, имеющих регионы с высокой влажностью и низкими температурами. Несколько подобных регионов есть и в России (Северный Кавказ, Башкирия, Камчатка и некоторые другие). По статистике в энергосистемах по причине гололеда происходит от 6 до 8 крупных аварий в год. Так, по материалам фирмы «ОГРЭС», крупные аварии по причине гололёда за период с 1971 по 2001 год многократно происходили в 44 энергосистемах России. Только одна авария из-за гололедно-ветровых воздействий в Сочинских электрических сетях ОАО «Кубаньэнерго» в декабре 2001 года привела к повреждению 2,5 тыс. км воздушных линий напряжением 0,38-220 кВ, прекращению подачи электроэнергии в коммунально-бытовой сектор с населением 320 тыс. человек, длительному ограничению электроснабжения огромного района [2]. В 2008 году убытки от разрушения десяти километров ЛЭП на о. Сахалин составили свыше 200 млн руб. В декабре 2010 года большой ущерб от «ледяного дождя» был причинен энергосистемам Центральной России и Поволжья. Только в Московской области без электроснабжения в 24 районах осталось 455 населенных пунктов с населением до 200 тыс. человек. Под отключение попали до 150 социально значимых объектов, 14 больниц. В Московской области обесточены 86 линий электропередач и 27 электроподстанций. Часть населенных пунктов оставалась без электроэнергии больше недели. Много аварий гололёдного происхождения было и в начале и конце текущей зимы. Наиболее подвержены гололёду высоковольтные линии электропередач на Кавказе (в том числе и в районе предстоящей в 2014 году зимней сочинской Олимпиады), в Башкирии, на Камчатке, в иных районах России и других стран.
В соответствии с информацией ОАО «Сетевая компания», г. Казань, по гололёдообразованию период 5-12 декабря 2010 года [10] в осенне-зимний период 2010-2011 годов на территории Республики Татарстан проходил в сложных погодных условиях. В период с 05.12.2010 по 12.12.2010 на территории 14 муниципальных районов в результате образования массивной наледи на открытых частях электроустановок произошло массовое отключение воздушных линий электропередач с повреждением опор, разрывом проводов и грозозащитных тросов. Самое большое количество отключения потребителей произошло в Спасском, Алькеевском, Алексеевском, Нурлатском, Аксу - баевском, Чистопольском и Новошешминском административных районах. Гололедные отложения местами достигали до 70-80 миллиметров. Общее количество отключенных линий 6-10 кВ в этих районах составило более 60 процентов. Численность населения, оставшегося без электроэнергии, составила 250 тыс. чел. В ходе выполнения аварийно-восстановительных работ по ликвидации последствий массового отключения восстановлена работа более 500 км линий электропередачи 6-10 кВ, установлено 3142 штук опор
6-10 кВ, 1080 штук опор 0,4 кВ, вновь смонтировано 378 км провода ВЛ
6-10 кВ, и 265 км по ВЛ 0,4 кВ, из них нового провода 221 км, устранено 3520 порывов на ВЛ 0,4-10 кВ.
Несмотря на многолетние усилия энергетиков, гололедные аварии в электрических сетях многих энергосистем по-прежнему вызывают наиболее тяжелые последствия и периодически дезорганизуют электроснабжение регионов страны. Борьба с гололедом осуществляется в большинстве случаев примитивно, путем обивки проводов от мокрого снега и льда. Установка опор через небольшие интервалы и даже примитивная борьба с гололедом требуют больших затрат труда и материальных ресурсов [2]. В результате энергокомпании и потребители несут крупные убытки, а восстановление оборванных проводов – дорогостоящий и трудоемкий процесс. Энергетики рассматривают обледенение ЛЭП в качестве одного из наиболее серьезных бедствий. С такими же проблемами сталкиваются многие северные страны, а также Китай и Япония. Поэтому во всем мире целым рядом компаний и организаций активно ведутся исследования и разработка способов и устройств для борьбы с обледенением линий электропередач. Методы борьбы с образованиями на проводах и тросах воздушных линий электропередачи заключаются в недопущении обледенения, снижения размеров отложений и удаления гололедных отложений.
2. Аналитический обзор существующих способов, устройств и
систем для борьбы с гололедом на проводах линий электропередач.
Механические способы, используемые чаще всего, заключаются в применении специальных приспособлений, обеспечивающих сбивание льда с проводов [1, 2]. На линиях чаще всего используют механические методы борьбы с обледенением [1, 2]. Механические способы заключаются в применении специальных приспособлений, обеспечивающих сбивание льда с проводов (рисунок 4). Самый простой способ механического удаления гололеда - сбивание, которое производится при помощи длинных шестов с земли или с корзины автовышки, но они требуют доступа к ЛЭП, что нарушает нормальную работу участка. К тому же механическое воздействие не препятствует обледенению, а устраняет его.
Обивка гололедных отложений может осуществляться с земли или вышек и площадок, установленных на механизмах или транспортных средствах. Для обивки используются деревянные, бамбуковые, стеклопластиковые или бакелитовые шесты. Шест для обивки с земли должен иметь длину от 5 до 8 м на верхнем конце на длине 2 м, начиная от верхнего среза, должен быть оплетен виток к витку алюминиевой проволокой диаметром от 2 до 3 мм. Шест для обивки с механизмов может иметь длину от 1,5 до 2 м и оплетается алюминиевой проволокой весь, за исключением участка, предназначенного для его удержания. Обивка осуществляется боковыми ударами, вызывающими волнообразное колебание провода, при этом гололедные образования ломаются и осыпаются.
Рисунок 4. Механическое удаление отложения льда с проводов
Удаление гололеда с проводов шестами практически неосуществимо без привлечения большого количества рабочих. Этот метод требует много времени и применяется только на коротких участках линий, когда плавка электрическим током экономически нецелесообразна или технически невыполнима.
Известен способ перемещения по проводам воздушных линий электропередачи средств для удаления льда – роликов-ледорезов, основанный на использовании наземного транспортного средства – трактора, связанного с роликами-ледорезами посредством штанги Устройство для осуществления этого способа содержит установленные на транспортном средстве штанги по числу очищаемых проводов с закрепленными на них средствами для удаления льда, а именно роликами-ледорезами. Штанги, закрепленные на транспортном средстве – тракторе, перемещают под проводами вдоль линии электропередачи. При этом ролики-ледорезы, накатываясь на участки проводов, покрытых гололедом, последовательно приподнимают и перегибают их, разрушая гололедные отложения на проводах и очищая их. Недостатком таких решений является низкая производительность и возможность повреждения и деформации проводов в процессе удаления гололеда, что приводит к обрывам сети и сопровождается ускоренным износом проводов, невысокая эффективность удаления льда вследствие использования наземного транспортного средства – трактора.
Кроме использования традиционных механических методов борьбы с гололедом в настоящее время активно разрабатываются различные механические и робототехнические системы для определения появления льда и его удаления с проводов ЛЭП.
В 2005 г. группа специалистов из компании «Хайдро-Квебек» во главе с Андре Леблоном разработала и провела практические испытания многозарядного пневматического устройства (рисунок 5) для удаления гололеда. Поскольку гололед является достаточно хрупким образованием, ударные воздействия позволяют разрушать покрытия на локальных участках провода или грозозащитного троса.
Рисунок 5. Пневматическое устройство для механического удаления льда с провода
Другое усовершенствованное приспособление было также разработано в Канаде (рисунок 6) и представляет собой передвижное устройство, управляемое с земли. Оно является электроимпульсным и за достаточно короткий промежуток времени позволяет освободить от гололеда провод в пролете длиной 260 м.
Рисунок 6. Передвижное устройство для механического удаления гололеда с провода
Научно-исследовательский институт Канады Hydro-Québec начал робототехнический проект LineScout в 1998 году. Причиной запуска данного проекта была массовые отключения на несколько дней электричества у миллионов пользователей в результате ледяного шторма и обрыва линий электропередач из-за намерзания льда [11].
В связи с этим появилась идея создать небольшой мобильный робот, который мог бы перемещаться по проводам высоковольтных ЛЭП, и удалять с них лед. Первый прототип был небольшим роботом, который скалывал лед. Более поздняя версия робота была оборудована камерами и инфракрасными датчиками, а робот использовался для осмотра работающих линий высокого напряжения. Сегодня робот LineScout может перемещаться по работающим линиям электропередач и давать информацию о состоянии линий. Специалисты управляют роботом дистанционно, находясь на земле, и таким образом они могут обнаружить повреждение, удалить лед с проводов и выполнить простой ремонт. А такой формат работы позволяет получить значительную экономию, так как для осмотра не нужно обесточивать линию электропередач, а также позволяет снижать риски, повышать безаварийность работы и безопасность работы людей.
Достоинством робота LineScout является возможность его управления оператором в режиме реального времени.
Более эффективны так называемые айс-скрайперы, срезающие гололед с провода в пролете любой протяженности. В настоящее время разработаны и проходят испытания дополняющие их дистанционно управляемые роботизированные устройства, предназначенные для перемещения как самих этих устройств, так и айс-скрайперов из пролета в пролет. Устройство подобного типа показано на рисунке 7 и представляет собой питаемую от аккумуляторных батарей перемещающуюся по проводу каретку, оснащенную режущими устройствами высокой прочности, взламывающими за счет толкающих усилий каретки гололедную муфту, освобождая провод от отложений.
Рисунок 7. Дистанционно управляемое устройство для механического удаления льда
К недостаткам робота можно отнести:
– необходимость ручной установки робота на провод и снятия его с провода, а также перевеса с одного провода на другой. Для этого необходима специальная техника (автовышка) и обслуживающий персонал, что повышает финансовые затраты на эксплуатацию робота и затрудняет его использование в труднодоступных районах;
– необходимость управления оператором. Это означает, что на каждый экземпляр такого робота необходимо подготовить и обучить квалифицированного специалиста. Кроме затрат на обучение оператора, затраты при эксплуатации робота возрастают за счет оплаты труда оператора;
– высокая стоимость самого робота.
При большой протяженность линий необходимо большое количество таких роботов с обслуживающим персоналом, что может быть экономически невыгодным. К тому же механическое воздействие не препятствует обледенению, а устраняет его. Удаление гололеда с проводов шестами практически неосуществимо без привлечения большого количества рабочих. Этот метод требует много времени и применяется только на коротких участках линий, когда плавка электрическим током экономически нецелесообразна или технически невыполнима.
Недостаток механического способа: трудоемок, невозможность применения в труднодоступных районах.
Электротермические способы удаления льда заключаются в нагреве проводов электрическим током, обеспечивающим предотвращение образования льда – профилактический подогрев или его плавку [3].
Профилактический подогрев проводов заключается в искусственном повышении тока 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 на проводах при климатических условиях, когда его образование становится возможным. При профилактическом подогреве следует, как правило, применять такие схемы питания, которые не требуют отключения потребителей.
Плавка гололеда на проводах осуществляется при уже образовавшемся гололеде путем искусственного повышения тока сети ЛЭП до такой величины, при которой выделяемой в проводах теплоты достаточно для расплавления гололеда с нормативной толщиной стенки при нормативных значениях температуры окружающей среды и скорости ветра.
Ледяную корку на высоковольтных линиях ликвидируют, нагревая провода постоянным или переменным током частотой 50 Гц до температуры 100-130°С. Сделать это проще всего, замкнув накоротко два провода (при этом от сети приходится отключать всех потребителей).
Отечественной промышленностью для целей плавки гололеда выпускаются как нерегулируемые выпрямительные блоки, так регулируемые. Ниже приведены параметры одного из наиболее распространенных, выпускаемых отечественной промышленностью нерегулируемых выпрямительных блоков, подключаемых к переменному напряжению 10 кВ:
- выпрямленное напряжение 14 кВ;
- выпрямленный ток 1200 А;
- мощность на выходе 16800 кВт.
Для получения большей мощности выпрямительные блоки можно включать последовательно или параллельно. Придание выпрямительному блоку управляющих свойств (регулирования выходных параметров) обеспечивает повышение энергоэффективности процесса плавки.
Плавка гололеда осуществляется от стационарной системы плавки гололеда или от передвижной мобильной системы плавки гололеда.
В 2009 году ОАО «НИИПТ» был разработан управляемый выпрямитель для плавки гололеда (ВУПГ) на проводах и грозозащитных тросах ВЛ [11].
Как наиболее эффективное средство предупреждения гололедных аварий ОАО «НИИПТ» предлагает ряд управляемых выпрямителей, перечень которых приведен в таблице 3.
Таблица 3. Основные параметры управляемых выпрямителей для плавки гололеда постоянным током
Наиболее универсальным вариантом установки является ВУПГ-14/1200, которая обеспечивает необходимый ток плавки для проводов ВЛ классов 110, 220 кВ в районах с умеренным гололедообразованием. ВУПГ-14/1200 получил аттестацию ОАО «ФСКЕЭС» и ОАО «Холдинг МРСК», соответствует всем требованиям и рекомендован на объектах ОАО «ФСК ЕЭС» и ОАО «Холдинг МРСК».
Недостаток электротермического способа: энергозатратен, на плавление льда на проводах тратится много времени (может достигать полутора часов), и энергии сети (ток плавки льда в 1,5 раз больше максимально допустимого для линии электропередачи).
В настоящее время плавка током – наиболее распространенный способ борьбы с гололедом на проводах воздушных высоковольтных ЛЭП. Существует достаточно большое количество схем плавки гололеда, определяемых схемой электрической сети, нагрузкой потребителей, возможностью отключения линий и другими факторами.
Плавка льда переменным током применяется только на линиях с напряжением ниже 220 кВ с проводами сечением меньше, чем 240 мм2. Схема плавки гололеда переменным током искусственного короткого замыкания показана на рисунке 8, где IПЛ – ток плавки; R– активное сопротивление линии; X – реактивное сопротивление линии.
Воздушная линия (ВЛ) одним концом подключается к источнику питания, которым, как правило, служат шины 6-10 кВ подстанций или отдельный трансформатор, провода на другом конце ВЛ замыкаются. Напряжение и мощность источника выбираются таким образом, чтобы обеспечить протекание по проводам ВЛ тока, в 1,5...2 раза превышающего длительно допустимый ток. Такое превышение допустимого длительного тока оправдано кратковременностью процесса плавки (~1 ч), а также более интенсивным охлаждением провода в зимний период. Следует помнить, что допустимые длительные токи приводятся в справочной литературе для температуры воздуха 25 ºС.
Рисунок 8. Принципиальная схема плавки гололеда переменным током
Преимущество: снижает энергозатраты. Однако к недостаткам такого способа можно отнести следующее: – необходимость постоянного прогрева проводов для предотвращения гололедообразования; – высокая стоимость источников высокочастотного тока необходимой мощности; – для реализации способа предлагается использовать радиопередатчики с диапазоном частот 87,5…108 МГц, поэтому использование данного способа может привести к созданию радиопомех в УКВ диапазоне.
В последние годы для борьбы с обледенением стали активно применять физико-химические методы, заключающиеся в нанесении на провода растворов специальных веществ, которые замерзают при температурах значительно более низких, чем вода. Последняя группа методов предполагает получение покрытий с низкой адгезией к водным средам, снегу и льду. Одним из наиболее перспективных методов снижения адгезии является создание супергидрофобных покрытий. Специалисты Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН разработали и испытали супергидрофобные покрытия, которые помешают проводам обледенеть, а если такое всё же произойдёт, ото льда будет несложно избавиться. Ими был разработан способ получения супергидрофобных покрытий, предназначенных для защиты алюминиевых проводов от обледенения. В рамках представляемой работы ими решались следующие задачи: отработка режимов получения текстурированных супергидрофобных покрытий с использованием электрохимических методов, анализ устойчивости супергидрофобных свойств при длительном контакте покрытия с водной средой, механическая стойкость покрытий, контактирующих с жидкой средой при циклической заморозке/разморозке, анализ противообледенительных свойств покрытия в условиях низких температур, высокой влажности и скорости ветра. Проведенные исследования показали, что разработанное супергидрофобное нанотекстурированное покрытие на основе нановолокон оксида алюминия выдерживает до 100 циклов заморозки/разморозки без существенной деградации текстуры и супергидрофобного состояния. Испытания супергидрофобных покрытий в потоке водного аэрозоля проводились при температуре -5 °С и скорости ветра 10 м/с и представлены на рисунке 9. Спустя минуту на алюминиевом образце без покрытия уже появляется слой льда, а на алюминиевом образце с супергидрофобным покрытием нет.
Рисунок 9. Испытания супергидрофобных покрытий в потоке водного аэрозоля при температуре -5 °С и скорости ветра 10 м/с
Полученный результат позволяет говорить о новом физикохимическом подходе в борьбе с обледенением проводов ЛЭП, эффективность которого существенно превышает возможности традиционных методов.
Одним из наиболее перспективных методов снижения адгезии, основанным на применении современных достижений физикохимии, является создание супергидрофобных покрытий на провода [5]. Эти жидкости или покрытия хороши в дорожном хозяйстве и авиации, но при транспортировке энергии малоэффективны. Срок действия таких «незамерзающих жидкостей» недолог, а регулярно наносить их на сотни, а то и тысячи километров проводов нереально.
Электромеханические способы удаления льда с проводов линий электропередач образуют класс новых способов и устройств борьбы с гололедом на ЛЭП. Удаление гололеда предлагается производить не с помощью термического воздействия от протекающего по проводам тока, а с помощью электромеханического воздействия на лед. Принцип работы устройств следующий. По проводам линии пропускают импульсы тока определенной частоты и формы. При протекании тока по проводам возникает сила Ампера, под действием которой происходят механические колебания, которые предупреждают образование обледенения и разрушают корку льда. В результате, так как применяется не термическое, а механическое воздействие, прогнозируется существенное снижение времени и энергии, требуемых на очистку [9].
Электромеханический способ, предотвращающий образование льда на проводах линий электропередачи в штатном режиме их работы без необходимости отключения на обслуживание, реализуется известным электромеханическим устройством [6]. Устройство (рисунок 10) содержит упруго связанный с проводом ударный элемент, представляющий собой надетую на провод 1 прямоугольную рамку, две противоположные стороны 2, 3 которой выполнены в виде пластинчатых постоянных магнитов, намагниченных аксиально и обращенных друг к другу разноименными полюсами и свободно охватывающих провод с возможностью относительных смещений. Две другие стороны прямоугольной рамки выполнены в виде соединяющих магниты пластин из неферромагнитного материала, в частности – дюралюминия, и прикреплены к магнитам с помощью винтов, ввернутых в заармированные в магниты резьбовые втулки. При этом каждая из пластин с обращенной к магнитам стороны в своей центральной части снабжена выступающим цилиндрическим бойком и свободно надетой на него втулкой из упругого эластичного материала, введенной в контакт своим наружным торцом с поверхностью провода.
1 2
Рисунок 10. Электромеханический ударный элемент
Работа данного устройства осуществляется следующим образом. Постоянные магниты вплотную прижаты к проводу, и в рабочем зазоре между полюсами, равном диаметру провода, создается постоянное магнитное поле. При протекании по проводу переменного тока возникает знакопеременная электромагнитная сила взаимодействия провода и магнитного поля постоянных магнитов, вызывающая смещения ударного элемента относительно провода, то есть происходят колебания ударного элемента относительно провода. Ударный элемент автоматически и непрерывно работает в вибрационном режиме, что придает электромеханическим воздействиям на провод вибрационный характер и обеспечивает непрерывность процесса удаления с проводов капель воды на ранней стадии до ледообразования [8].
Достоинством предлагаемого устройства является способность работать в двух режимах: в вибрационном и в ударно-встряхивающем, что расширяет его функциональные возможности.
В профилактическом режиме устройство работает непрерывно за счет взаимодействия с переменным током (рисунок 11), протекающим по проводам ЛЭП в штатном режиме их работы, без необходимости отключения на обслуживание, что придает электромеханическим взаимодействиям устройств 1 с проводом ЛЭП вибрационный характер и обеспечивает непрерывность процесса удаления с проводов капель воды на ранней стадии до ледообразования.
Таким образом, в профилактическом режиме работы линии электропередачи ликвидируются причины обледенения проводов, а не его последствия, что избавляет от необходимости отключения на обслуживание, снижает требуемые затраты ресурсов и энергии. Подчеркнём: в профилактическом режиме устройство позволяет не допускать появления гололёда на проводах, а не начинать с ним бороться после того, как ледяная «шуба» их окутает.
Рисунок 11. Работа устройства в профилактическом режиме
В экстремальном режиме электромеханическому взаимодействию устройства с проводом линии электропередачи придается ударновстряхивающий характер за счет периодического пропускания по проводам пролета линии электропередачи импульсов постоянного тока от специального источника электропитания (рисунок 12), создавая механические ударные воздействия на провод с периодическим его встряхиванием и вызывая этим разрушение и стряхивание налипшего на провод льда. В диапазоне частот 1,5-8 Гц устройство способно возбуждать колебания провода с амплитудой до 33 см и ускорением от 0,5 до 14 g. Ожидается, что устройство будет эффективно разрушать и сбрасывать с провода или троса гололед значительных размеров.
Рисунок 12. Блок-схема применения устройства в ударно-встряхивающем режиме:
1 - ударно-встряхивающие устройства; 2 - специальный источник электропитания;3 - электростанция;4 - управляемый выпрямитель; 5 - фильтр;6 - коммутационный ключ;7 - пульт управления; 8 - переключатель выбора проводов ЛЭП для удаления гололеда;
9,10 - зажимы для подключения токоподводящих кабелей и закороток
Для этого при возникновении опасности обрыва проводов ЛЭП из-за их обледенения отключают высоковольтное переменное напряжение. После чего к двум проводам ЛЭП подключают импульсный источник постоянного электрического тока 2, вырабатывающий ток величиной, достаточной для ударного встряхивания проводов и удаления обледенения. Использование механических колебаний для разрушения льда, а не нагрева, как это делается в настоящее время, позволит существенно уменьшить время, необходимое для очистки линии ото льда, и энергию, затрачиваемую на очистку.
Основным недостатком данного устройства является невозможность создания в слоях уже образовавшегося льда более высоких знакопеременных растягивающих и сжимающих напряжений, возникающих от изгиба и встряски обледеневших проводов, способствующих более эффективному разрушению гололеда при меньших токах, т.е. при меньшем энергопотреблении. Кроме того, наличие в магнитной системе данного ударного элемента неферромагнитных участков значительно уменьшает электромагнитную силу взаимодействия провода и магнитного поля а, следовательно, также снижает эффективность и повышает энергоемкость при его использовании.
Резюмируя изложенное в используемых источниках об уровне техники и способах борьбы с обледенением проводов ЛЭП, можно сделать вывод, что до сих пор нет эффективного средства против этого явления. Каждый из применяемых на сегодняшний день способов обладает недостатками и проблема удаления гололеда актуальна, а разработка устройств для удаления льда с проводов ЛЭП, построенных базе энергоэффективных способов, является актуальной задачей.
Все перечисленные способы требуют постоянного активного участия персонала, затрат энергии или химических реактивов, а иногда небезопасны для окружающей среды. Установлено, что наиболее эффективным направлением в создании устройства удаления гололеда является создание электромеханических ударных воздействий на провода электрическим током, протекающим по ним.
