Наука і життя // Ілюстрації

ускі льоду на проводах, ізоляторах і несучих конструкціях часом досягають значних розмірів і маси.

Експериментальний генератор на 100 МГц потужністю 30 Вт, зібраний в МІРЕА.

<

>

Ожеледь - лихо для ліній електропередач

Відповідно до словника Даля, ожеледь має й іншу назву - ожеледь або ожеледиця. Ожеледь, тобто щільна крижана кірка, утворюється при намерзанні переохолоджених крапель дощу, мряки або туману при температурі від 0 до -5 ° С на поверхні землі і різних предметів, в тому числі проводах високовольтних ліній електропередач. Товщина ожеледі на них може досягати 60-70 мм, істотно обтяжуючи дроти. Прості розрахунки показують, що, наприклад, провід марки АС-185/43 діаметром 19,6 мм кілометрової довжини має масу 846 кг; при товщині ожеледі 20 мм вона збільшується в 3,7 рази, при товщині 40 мм - в 9 разів, при товщині 60 мм - в 17 разів. При цьому загальна маса лінії електропередачі з восьми проводів кілометрової довжини зростає відповідно до 25, 60 і 115 тонн, що призводить до обриву проводів і поломки металевих опор.

Такі аварії завдають значних економічних збитків, на їх усунення йде кілька днів і витрачаються величезні кошти. Так, за матеріалами фірми «ОГРЕС», великі аварії через ожеледицю за період з 1971 по 2001 рік багаторазово відбувалися в 44 енергосистемах Росії. Тільки одна аварія в сочинських електромережах в грудні 2001 року призвела до пошкодження 2,5 тис. Км повітряних ліній електропередач напругою до 220 кВ і припинення електропостачання величезного району. Багато аварій гололёдного походження було і минулої зими.

Найбільш схильні до ожеледі високовольтні лінії електропередач на Кавказі (в тому числі і в районі майбутньої в 2014 році зимової сочинської Олімпіади), в Башкирії, на Камчатці, в інших районах Росії та інших країн. Боротися з цим лихом доводиться дуже дорогим і вкрай незручним способом.

Плавка електричним струмом

Крижану кірку на високовольтних лініях ліквідують, нагріваючи дроти постійним або змінним струмом частотою 50 Гц до температури 100-130 ° С. Зробити це найпростіше, замкнувши накоротко два дроти (при цьому від мережі доводиться відключати всіх споживачів). Нехай для ефективного розтоплення льодяної кірки на проводах потрібно струм Iпл. Тоді при плавці постійним струмом напруга джерела живлення

U0 = IплRпр,

де Rпр - активний опір проводів, а змінним струмом від мережі -

де Xпр = 2 FLпр - реактивний опір при частоті F = 50 Гц, обумовлене індуктивністю проводів Lпр.

У лініях значної довжини і перетину через відносно великий їх індуктивності напруга джерела змінного струму при частоті F = 50 Гц, а відповідно і його потужність повинні бути в 5-10 разів більше в порівнянні з джерелом постійного струму тієї ж сили. Тому економічно вигідно плавити полій постійним струмом, хоча для цього потрібні потужні високовольтні випрямлячі. Змінний струм застосовують зазвичай на високовольтних лініях напругою 110 кВ і нижче, а постійний - вище 110 кВ. Як приклад вкажемо, що при напрузі 110 кВ сила струму може досягати 1000 А, необхідна потужність - 190 млн У · А, температура дроти 130оС.

Таким чином, плавка ожеледі струмом - досить незручне, складне, небезпечне і дорогий захід. Крім того, очищені дроти при збережених кліматичних умовах знову обростають льодом, який потрібно плавити знову і знову.

Перш ніж викласти суть пропонованого нами методу боротьби з ожеледицею на проводах високовольтних ліній електропередач, зупинимося на двох фізичних явищах, перше з яких пов'язане зі скін-ефектом, друге - з біжить електромагнітної хвилею.

Скін-ефект і біжать хвилі

Назва ефекту походить від англійського слова «skin» - шкіра. Скін-ефект полягає в тому, що струми високої частоти, на відміну від постійного струму, що не розподіляються рівномірно по перетину провідника, а концентруються в дуже тонкому шарі його поверхні, товщина якого при частоті f> 10 кГц складає вже долі міліметра, а опір проводів зростає в сотні разів.

Електромагнітні коливання високої частоти можуть поширюватися в вільному просторі (при випромінюванні антеною) і в хвилеводах, наприклад, в так званих довгих лініях, за якими електромагнітна хвиля ковзає, немов по рейках. Такий довгою лінією може служити пара проводів лінії електропередачі. Чим більше опір проводів лінії, тим більша частина енергії електромагнітного поля, що біжить уздовж лінії хвилі перетворюється в тепло. Саме цей ефект і покладений в основу нового способу запобігання ожеледі на лініях електропередач.

У разі обмежених розмірів лінії або будь-якого високочастотного перешкоди, наприклад ємності, в лінії крім падаючої буде поширюватися і відбита хвиля, енергія якої також буде перетворюватися в тепло в міру її поширення від перешкоди до генератора.

Розрахунки показують, що для захисту від ожеледиці ЛЕП довжиною близько 10 км потрібен високочастотний генератор потужністю 20 кВт, тобто віддає 2 Вт потужності на метр дроту. Стаціонарний режим розігріву проводів при цьому настає через 20 хвилин. А при тому ж типі дроти застосування постійного струму потрібно потужність 100 Вт на метр з виходом на режим за 40 хвилин.

Токи високої частоти генерують потужні радіопередавачі УКХ ЧМ-мовлення, що працюють в діапазоні 87,5-108 МГц. Їх можна підключати до проводів ЛЕП через пристрій узгодження з навантаженням - лінією електропередачі.

Для перевірки ефективності запропонованого методу в МІРЕА був проведений лабораторний експеримент. Генератор потужністю 30 Вт, частотою 100 МГц підключили до двухпроводной лінії довжиною 50 м, розімкнутої на кінці, з проводами діаметром 0,4 мм і відстанню між ними 5 мм.

Під дією біжить електромагнітної хвилі температура нагріву двухпроводной лінії склала 50-60 ° С при температурі повітря 20 ° С. Результати експерименту з задовільною точністю збіглися з результатами розрахунків.

висновки

Пропонований спосіб вимагає, звичайно, ретельної перевірки в реальних умовах діючої електромережі з проведенням повномасштабних експериментів, бо лабораторний експеримент дозволяє лише дати першу, попередню оцінку новому способу боротьби з ожеледицею. Але деякі висновки з усього сказаного все-таки можна зробити:

1. Розігрів ліній електропередач струмами високої частоти дозволить запобігати утворенню ожеледиці на проводах, оскільки можна нагріти їх до 10-20 ° С, не чекаючи утворення щільного льоду. Відключати від електричної мережі споживачів не доведеться - високочастотний сигнал до них не проникне.

Підкреслимо: спосіб дозволяє не допускати появи ожеледі на проводах, а не починати з ним боротися після того, як крижана «шуба» їх огорне.

2. Оскільки дроти можна нагрівати всього на 10-20 ° С, то в порівнянні з плавкою, що вимагає нагріву проводів до 100-130 ° С, значно зменшується витрата електроенергії.

3. Так як опір проводів струмів високої частоти в порівнянні з промислової (50 Гц) різко зростає, коефіцієнт перетворення електричної енергії в теплову виявляється великий. Це в свою чергу призводить до зниження необхідної потужності. На перших порах, як видно, можна обмежитися частотою близько 100 МГц генератора потужністю 20-30 кВт, скориставшись існуючими мовними радіопередавачами.

література

Дьяков А. Ф., Засипкін А. С., Левченко І. І. Запобігання та ліквідація ожеледних аварій в електричних мережах. - П'ятигорськ: Вид-во РП «Юженерготехнадзор», 2000..

Каганов В. І. Коливання і хвилі в природі і техніці. Комп'ютеризований курс. - М .: Гаряча лінія - Телеком, 2008.

Левченко І. І., Засипкін А. С., Аллилуев А. А., Сацуки Е. І. Діагностика, реконструкція та експлуатація повітряних ліній електропередачі в ожеледних районах. - М .: Видавничий дім МЕІ, 2007.

Рудакова Р. М., Вавилова І. В., Голубков І. Е. Боротьба з ожеледицею в електромережних підприємствах. - Уфа: Уфимську. держ. авіація. техн. ун-т, 1995.

Яворський Б. М., Детлаф А. А. Довідник з фізики. - М .: Наука, 1974.