Оптико-электронный прибор контроля деформаций опор линий электропередач

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптико-электронный прибор контроля деформаций опор линий электропередач

Шилин А.А., Ф.С Ле Волгоградский государственный технический университет

Аннотация

Оптико-электронный прибор позволяет измерять деформацию опоры линии электропередачи и по координатам деформации определять механические нагрузки от разных факторов. Прибор содержит лазерный излучатель с оптическим дальномером, оптический приемник (позиционно-чувствительный датчик), блок обработки и передачи информации.

линия электропередача деформация оптический

В настоящее время энергетическая система России характеризуется высокой степенью морального и физического износа и пониженным уровнем надежности. Поэтому вопрос о выборе направлений модернизации энергетической системы является для России весьма актуальным. Во многих развитых странах мира ведутся работы по созданию интеллектуальных электрических сетей (SmartGrid, «умных», в России -- активно-адаптивных сетей) [1]. Интеллектуальные сети представляют комплекс технических средств, работающих в автоматическом режиме и выявляющих наиболее слабые и аварийно опасные участки сети. В случае необходимости эти сети изменяют характеристики и схему сети с целью предотвращения аварии и снижения потерь. Основной базой такой сложной системы является быстродействующая информационно-управляющая система с датчиками и с циклическим контролем энергосистемы для оценки состояния в различных режимных ситуациях. Задача создания интеллектуальных сетей, стоящая перед российскими энергетиками и учеными, гораздо более сложная и многогранная, поскольку Россия - одна из очень немногих стран, имеющая разветвленную структуру магистральных электрических сетей, по которым электроэнергия передается на сотни или тысячи километров.

Из анализа работы электрических сетей следует, что самым ненадежным элементом сетей являются воздушные линии. Особенностью определения показателей надежности является то, что на надежность работы электрических сетей оказывают влияние большое количество различных факторов: конструкции опор, типы проводов, сроки эксплуатации, климатические условия и т.д. К климатическим факторам относятся ветровые нагрузки, гололедные нагрузки и гололедно-ветровые нагрузки. Очевидно, что на первом этапе создания интеллектуальных сетей необходимо оснащение энергетических сетей различными измерительными преобразователями и системами передачи информации. Одной из основных проблем в энергетике является разработка методов и средств определения вида и мест аварийных и предаварийных режимов воздушных линий электропередач (ВЛЭП).

Одной из сложных проблем мониторинга воздушных линий электропередачи является контроль механических нагрузок на провода и опоры и особенно при ветровых и гололедных нагрузках. Если для контроля аварийных режимов линий (обрыв и короткое замыкание) разработано большое количество приборов для определения мест повреждений, то для контроля механических нагрузок разработок значительно меньше.

При мониторинге механических нагрузок согласно требованиям энергетиков необходимо контролировать следующие механические и физические параметры:

· отдельно гололедно-ветровую, гололедную и ветровую нагрузки на провод (грозотрос) промежуточного пролета (ПП);

· относительное направление и скорость ветра;

· наличие предвестника пляски, вид и параметры колебаний проводов (грозотросов);

· удельный вес (вид и форма) отложений на проводе (грозотросе);

· стрелы провеса проводов и грозотросов ПП (габариты BJI);

· температуру провода (грозотроса) и влажность воздуха в ПП.

Из анализа статистических данных об авариях установлено, что наиболее аварийно-опасным воздействием на провода и опоры являются действия нагрузок: статических и динамических, обусловленных пляской проводов, на траверсах, тросостойке и, как результат, на опоре, разрушительная сила которых значительно возрастает при резонансных явлениях. Таким образом, датчики для измерения силовых воздействий необходимо размещать в местах суммирования этих воздействий на элементах опоры, т.е. в местах крепления провода (грозотроса) к подвеске изоляторов, крепления подвески к траверсе (тросостойке), на стойке опоры у основания и на оголовке стойки опоры. При этом ось чувствительности измерителей должна совпадать с направлением векторов результирующих сил. Для решения этой задачи было разработано устройство [2], которое содержит датчики усилий на элементах опоры. Поскольку вектора нагрузок имеют различные направления, то для повышения достоверности идентификационных признаков была изменена конструкция подвеске, именно введена V-образная подвеска. Эта подвеска позволяет измерять силовые нагрузки по двум координатам и вычислять нагрузки от каждого фактора в отдельности. Разработанное устройство решает сложную практическую задачу, но этому устройству присущи следующие недостатки:

· необходимость внесения изменений в конструкцию подвесок и, соответственно сложность монтажа и эксплуатации;

· возможность измерения нагрузки только на проводах;

· устройство требует установки на оба конца каждого провода, что в свою очередь приводит к необходимости большего количества датчиков.

По причине внесения изменений в конструкцию V-образных подвесок это устройство не нашло широкого практического применения.

Из анализа тенденций развития современной информационно-измерительной техники следует, что одним из перспективных направлений развития этой отрасли является разработка и внедрение оптических и оптико-электронных устройств и систем. Так, например, на основе проведенного по зарубежным источникам анализа существующих средств контроля электрических величин в системах электроснабжения выявлено, что волоконно-оптические технологии привели к созданию первичных измерительных преобразователей (ПИП) нового класса - волоконно-оптических (ВОПТ - токовые, ВОПН - напряжения и ВОПК - комбинированные). Этим преобразователям присущи следующие преимущества:

· малые размеры и значительно меньшую массу, чем электромагнитные ПИП;

· возможность управления включением и отключением сигнала, несущего измерительную информацию;

· повышенную надежность изоляции;

· улучшенные метрологические характеристики;

· отсутствие магнитопроводов;

· отсутствуют проблемы электробезопасности, связанные с коммутацией вторичных цепей трансформаторов тока.

Однако в России эти преобразователи пока не нашли широкого применения.

В энергетике в настоящее время для передачи информации также используются волоконно-оптические технологии - оптоволоконные линии связи, которые имеют ряд преимуществ:

· не требуют дефицитных металлов и изготовляются из стекла и полимеров;

· в сравнении с электрическими позволяют осуществлять передачу больших потоков информации на большие расстояния и с меньшими искажениями;

· имеют высокую защищенность от внешних электромагнитных помех;

· малые габаритные размеры и массу (масса оптических кабелей в 10 раз меньше электрических);

· высокий уровень безопасности (отсутствие искрения и короткого замыкания);

· не излучают передаваемый сигнал в окружающее пространство и поэтому информация имеет более высокий уровень защиты;

· могут эксплуатироваться кабели во взрывоопасной среде и при температурах до 1000^оС.

Оптические методы и средства широко используются для определения деформаций различных крупногабаритных конструкций в строительстве, машиностроении и энергетике. Эти методы и средства позволяют эффективно решать проблемы с высоким быстродействием и необходимой точностью.

Для решения проблем мониторинга воздушных линий был разработан оптико-электронный прибор (рис.1, а, б), содержащий блок 1 с источником излучения - лазерным дальномером и оптическим приемником - позиционно-чувствительным датчиком и отражатель 2, блоки обработки и передачи информации. Блок 1 устанавливается на основании, таким образом, чтобы при отсутствии внешних факторов (гололед и ветер) оптический луч источника был направлен строго вертикально на отражатель - зеркало 2, а зеркало горизонтально. При равномерной нагрузке на опору вертикальная составляющая регистрируются дальномером по изменению расстояния L.

Таким образом, дальномер регистрирует вертикальную составляющую деформации опоры и соответственно вертикальную составляющую усилия. Горизонтальные составляющие усилия вызывают отклонение вершины опоры ЛЭП и соответственно поворот зеркала и отраженного луча на угол б. Отклонение луча регистрируется позиционно-чувствительным датчиком. Затем измеренная информация обрабатывается в блоке распознавания и количественно определяются внешние факторы, которые сравниваются с пороговыми значениями и принимаются решения, которые передаются на диспетчерский пункт. По полученной оперативной информации принимаются решения по плавки проводов или подготовки аварийной бригады. В отличие от прототипа предложенное устройство значительно проще технически реализовать, а именно на опору устанавливается только зеркало. Недостатком предложенного прибора является сложность получения функциональных зависимостей между измеренными величинами и внешними факторами. Поэтому в качестве блока распознавания целесообразно использовать нейронную сеть, поскольку в реальных условиях на опору действует большое количество различных внешних факторов. Для передачи информации могут быть использованы оптоволоконный кабель или беспроводные каналы связи.

Одной из основных задач проектирования информационно-измерительных систем контроля аварийных и предаварийных режимов воздушных линий является обоснование выбора мест и пространственной частоты установки датчиков аварийных режимов. Это связано с тем, что с увеличением числа датчиком увеличивается точность определения координат возможных мест аварий, но в тоже время увеличивается стоимость системы. Очевидно, что для решения этой задачи необходимо сравнить затраты на датчики и экономический эффект от их внедрения. Поскольку внедрение системы контроля позволит сократить время выявления наиболее опасных участков а, следовательно, и предотвратить аварию или сократить время простоя из-за аварии, то при внедрении системы улучшаются показатели надежности работы электрооборудования. Поэтому расчет экономической эффективности необходимо вести по уменьшению времени простоя.

а)

б)

Рисунок 1 - Оптико-электронный прибор контроля деформаций опор линий электропередач: а) оптическая схема измерения; б) функциональная блок-схема прибора

Литература

1. Бударгин, О.М. Интеллектуальная активно-адаптивная электрическая сеть: мониторинг для наполнения отраслевой геоинформационной системы / О.М. Бударгин, М.Ш. Мисриханов, В.Н. Рябченко // Электро. - 2011. - № 5. - С. 2-5.

2. Устройство для определения гололедных нагрузок на проводах линии электропередачи: Пат. на изобретение РФ № 2196378 / Тюняев Г.А., Хромов Н.П. / Бюл. №1 от 10.01.2003 г.

Размещено на Allbest.ru