Защита высоковольтных линий электропередачи от гололеда

с помощью высокочастотных электромагнитных волн.

Каганов В.И.
Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики – технический университет (МИРЭА), профессор.

Сущность проблемы

Одна из серьезных причин аварий в электроэнергетических системах повышенной мощности состоит в образовании плотного ледяного осадка (гололеда) толщиной до 50-70 мм при намерзании переохлажденных капель дождя, мороси или тумана при температуре от 0 до – 5⁰ С на проводах высоковольтных линий электропередачи по причине соприкосновении двух масс воздуха – холодного и теплого.

В результате налипшего льда значительно – до 10 и боле раз - увеличивается масса проводов , что приводит, особенно при сильном ветре, к опасным явлениям: обрыву токопроводящих проводов и грозозащитных тросов, недопустимо близкое сближение проводов и их сильное раскачивание, ухудшение защитных свойств изоляторов и разрушение опор (рис.1).

Рис.1 Рис.3

Рис.2

Особенно интенсивное образование гололеда произошло, например, в Канаде в январе 1998г., когда в течение более 80 часов на территории площадью в несколько тысяч квадратных километров шёл непрерывный «ледяной» дождь. Из-за большого веса льда, наросшего на проводах, были оборваны многие линии высокого напряжения и разрушено около 1000 опор линий электропередачи. В результате более 4-х миллионов жителей Канады на много дней остались без электричества, а общий экономический ущерб превысил 5 миллиардов долларов. Можно привести и другие примеры масштабного нарушения энергоснабжения по причине гололеда больших территорий в разных странах Северной Европы, России и Китая. Таким образом, борьба с обледенением проводов линий электропередачи является поистине глобальной проблемой, актуальной для многих стран в мире, имеющих регионы с высокой влажностью и низкими температурами.

Традиционный способ борьбы с гололедом, осуществляемый посредством так называемой плавки при коротком замыкании линий электропередачи и отключением от нее всех потребителей, порой малоэффективен, неудобен, дорог и опасен.

Поэтому имеется настоятельная необходимость в разработке новой, современной технологии не борьбы с гололедом после нароста льда на проводах, а предотвращения его образования при приближении гололедной обстановки. Решать эту проблему можно путем нагрева проводов до температуры +(10⁰ - 20⁰ ) С до наступления гололеда. Такой нагрев можно осуществлять с помощью бегущей высокочастотной электромагнитной волны, распространяющейся по линии электропередачи одновременно с основным напряжением промышленной частоты. Никакого короткого замыкания в сети, как при плавке, производить при этом не надо, и никаких потребителей отключать от сети не требуется. Потребитель при таком методе борьбы с гололедом ничего почувствовать не должен, ибо обе волны – промышленной частоты 50 Гц и электромагнитной частотой около 100 МГгц – могут одновременно распространяться по линиям электропередачи, образно говоря, не мешая друг другу. Одна волна ( частотой 50гц) передает электрическую энергию по проводам, а другая ( частотой около 100 мГц) – греет эти провода (рис.2).

Принцип нагрева линии

Падающая составляющая бегущей электромагнитная волны, распространяющейся вдоль двухпроводной линии бесконечной длины, имеет вид :

(1)

где U₀ – амплитуда напряжения на входе линии, к которой подключен генератор частотой f; x– координата, отсчитываемая от места подключения генератора к линии ; a=R_f /r (1/м) – постоянная затухания; R_f – погонное сопротивление одного из двух одинаковых проводов, b=2p/l - фазовая постоянная; r- волновое сопротивление линии, l- длина волны, соответствующая частоте f .

С учетом (1) мощность падающей волны меняется по закону

(2)

где Р_Г = (U₀)²/2ρ – мощность волны в начале линии, равная при оптимальном согласовании линии с высокочастотным генератором его выходной мощности.

Уравнение баланса мощностей в системе: высокочастотный генератор- линия электропередачи, имеет вид:

(3)

где Р_П (x) - мощность потерь электромагнитной энергии, определяемая активным сопротивлением линии и переходящая в тепло, Р_ИЗЛ(x) - мощность излучения линии, Р_Н(x) - мощность, передаваемая в нагрузку или отражаемая от конца линии.

С повышением частоты электромагнитной волны, распространяющейся вдоль линии, в силу явления скин-эффекта происходит вытеснение тока к поверхности проводника (рис.3), что приводит к увеличению его удельного сопротивления, значение которого при частоте более 1 МГц для алюминиевого провода составит:

(4)

где r – радиус провода (мм), R₀– удельное сопротивление того же провода постоянному току, F – частота в МГц .

Согласно ((8) при радиусе провода r=10 мм его погонное сопротивление по отношению к сопротивлению при постоянном токе возрастает в 190 раз при частоте 10 МГц и в 600 раз при частоте 100 МГц.

Согласно (1) мощность бегущей волны, преобразуемая в тепло из-за активных потерь линии длиной x с учетом скин-эффекта составит:

(9)

где a=R_f /r - постоянная затухания.

Увеличенное значение коэффициента a при высокой частоте позволяет более эффективно преобразовывать энергию электромагнитной волны в тепло.

Расположив вдоль линии с шагом в 5-10м специальные излучатели графито-керамического типа с большим активным сопротивлением величиной в 1 – 2 кОм, можно существенно увеличить отбор мощности падающей волны на излучение, преобразуемое затем в тепло, нагревающее линию (рис.3) В результате при достаточно длинной линии можно полностью преобразовать энергию высокочастотной электромагнитной волны в тепло.

Экспериментальная проверка метода.

Общая схема эксперимента соответствует рис.2. В качестве источника энергии использовался изготовленный высокочастотный генератор мощностью 500 Вт частотой 81,36 МГц, разрешенной к применению для промышленных и научных целей согласно «Регламенту радиосвязи». В процессе эксперимента осуществлялся нагрев двухпроводной линии с многожильными алюминиевыми проводами типа АС-16 радиусом r=2,5мм и длиной 200м . Испытания проводились в г.Подольске Московской обл. на территории Подольского химико-металлургического завода. Измерение температуры проводилось с помощью группы спиртовых термометров, прикрепленных к проводам, и инфракрасного пирометра .

При включенном ВЧ-генераторе температура нагрева керамических преобразователей, в качестве которых использовались сопротивления МЛТ, равнялась от +50⁰ С до +80⁰ С при окружающей температуре +20⁰ С , а поверхность проводов нагревается в среднем на DT₁= 15…20⁰ С относительно температуры окружающего воздуха при удельной мощности затрат вч-электроэнергии около 2 -3 Вт/м.

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования подтвердили принцип нагрева многожильного провода с помощью высокочастотной электромагнитной волны с использованием двух физических явлений: скин-эффекта и дискретного преобразования излучаемой энергии в тепло.

Выводы

1.Разработан метод нагрева многожильных проводов электрических сетей с помощью высокочастотной электромагнитной волны, что должно предотвратить образование на них наледи. В основе нагрева лежат два физических явления: скин-эффект и способ прямого, дискретного преобразования излучаемой электромагнитной энергии в тепло.

2. Предлагаемый способ предотвращает образование наледи на проводах за счет их нагрева при приближении гололедного образования, позволяет не отключать потребителей от сети во время нагрева и экономит количество расходуемой энергии.

3. Экспериментально подтвержден способ нагрева проводов с помощью распространяющейся по ним ВЧ электромагнитной волны.

4. Для практического внедрения нового метода борьбы с гололедом на воздушных линиях электропередачи необходимо изготовить промышленную установку – генератор частотой в диапазоне 100 МГц и мощностью 8-10кВт, и провести натурные испытания.