Система мониторинга «САТ-1» – эффективная защита ВЛЭП от гололёда

Сегодня практически каждая служба эксплуатации электрических сетей имеет опыт борьбы с серьезными последствиями разгула стихии, такими, как ледяной дождь или резкие переходы температуры воздуха через ноль, сопровождающиеся образованием гололеда толщиной стенки более 30 мм.

Для того чтобы поддерживать надежность ВЛЭП в таких климатических районах, разработаны различные системы раннего обнаружения гололеда (СРОГ). Принцип их работы может быть основан на измерении:
• напряжения провода (рис. 1);
• затухания в оптических волокнах грозотроса или фазного провода;
• критических стрел провеса;
• климатических условий на метеостанциях (рис. 2);
• вибрационных характеристик проводов;
• температуры провода в пролете. Наиболее эффективной, как показала российская (1—9) и мировая (10—11) практика, является система раннего обнаружения гололеда, основанная на измерении напряжения (тяжения) проводов в анкерном пролете и основных параметров (температура окружающей среды, интенсивность солнечной радиации и т.д.), имеющая автономную систему электропитания и связи с подстанцией (РДУ/ОДУ и другие).

Одну из таких эффективных систем — «CAT-1» — разработала в 1991 году американская компания The Valley Group, Inc, вошедшая в 2007 году в концерн NEXANS. С момента первых опытных образцов система претерпела множество изменений и была установлена более чем в 100 энергосистемах мира.

В настоящее время система «CAT-1™», предназначенная для раннего обнаружения гололеда, состоит из следующих элементов.

1. Датчики измерения напряжения проводов (рис. 3), которые представляют собой тензодатчики в корпусе из нержавеющей стали с крепежными отверстиями, устанавливаемые между изолятором и опорой. Основой тензодатчиков является измерительный преобразователь, изолированный от основной части устройства и защищенный искровым разрядником на 40 В, а также имеющий защиту от влияния электромагнитных полей и переходных процессов. Типовые датчики имеют номиналы: 22,25; 44,50; 111,25 и 222,50 кН. Разрешающая способность при использовании «CAT-1» составляет 0,05% полной шкалы. Для подключения к основному модулю датчики комплектуются специальным кабелем длиной 24 метра.

2. Основной модуль «CAT-1» (рис. 4а) состоит из влагостойкого алюминиевого корпуса NEMA 4X с блоком электроники, встроенного модема, антенн для передачи данных и крепежных элементов. Модуль предназначен для эксплуатации в диапазоне температур окружающей среды от -40 до +60°С (существует также специальное холодостойкое исполнение), и его вес вместе с документацией и упаковкой примерно 20 кг. Для обеспечения непрерывной работы модуля комплектация дополняется необслуживаемой аккумуляторной батареей 12 В, зарядным устройством и солнечной панелью.

3. Дополнительный модуль «CATPAC» (рис. 4б), поставляющийся в случае необходимости увеличения времени автономной работы. Включает влагостойкий алюминиевый корпус NEMA 4X, две стационарные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи 12 В емкостью по 24 А•ч (позволяют системе работать автономно до 7 дней), две солнечные панели по 20 Вт, зарядное устройство с температурной компенсацией, автоматический выключатель, и панель с плавкими предохранителями и комбинированный кабель для подключения к основному модулю «CAT-1» длиной 2,5 метра. Общий вес полного комплекта такого модуля составляет 33 кг.

4. Датчик измерения температуры окружающей среды (рис. 4в), устанавливаемый на основном модуле «CAT-1» и позволяющий измерять температуру с точностью 0,1°С для последующей передачи в систему.

5. Датчик излучения линии NRS (рис. 4г, 5), который устанавливается на высоте подвески провода параллельно ему и позволяет определить состояние провода без нагрузки, имитируя его. Датчик также подключается кабелем к основному модулю «CAT-1».

6. Анемометр (при необходимости), подключаемый к основному модулю «CAT-1» для определения направления и силы ветра, фиксирующий среднее значение за 10 минут и передающий показания в систему (рис. 6).

7. Базовая станция CATMaster (рис. 7), устанавливаемая на ближайшей подстанции в 19” стойку и обеспечивающая обмен данными между системами «CAT-1» и EMS/SCADA в масштабе реального времени, которую входит источник бесперебойного электропитания, способный работать от 85—260 В переменного тока или 11—340 В постоянного тока. Плата удаленного доступа (RTU), входящая в состав CATMaster, обеспечивает конвертацию протокола для увеличения надежности передачи данных в систему EMS/ SCADA от удаленных систем «CAT-1». Доступны различные варианты протоколов передачи данных. Вес полного комплекта базовой станции составляет 10,4 кг.

8. Программный комплекс IntelliCAT, устанавливаемый на отдельный компьютер или сервер (минимальные требования к ПК: операционная система Windows 2000 или новее, процессор Pentium III или лучше, 128 Мб оперативной памяти, 5 Мб на жестком диске) и осуществляющий расчеты всех необходимых показателей исходя из данных, переданных с базовой станции CATMaster в систему EMS/SCADA. Полученные результаты расчетов могут передаваться назад в систему EMS/SCADA, отображаться на экране оператора или транслироваться в сеть для удаленного доступа. Один такой программный комплекс может рассчитывать показатели до 16 ВЛЭП вне зависимости от их конфигурации (или 6 модулей «CAT-1» на линию), а также осуществлять их удаленный контроль и диагностику.

Процедура реализации проекта с применением такой системы подразумевает следующие этапы:
• определение необходимого количества элементов системы «CAT-1» с учетом технических требований в части критических пролетов ВЛЭП;
• установка элементов системы на опоры ВЛЭП и их калибровка под реальные климатические условия;
• установка остальных элементов системы;
• интеграция программного комплекса IntelliCAT;
• сдача системы в эксплуатацию с фирменной гарантией и поддержкой.

Схема работы системы «CAT-1», предназначенной для раннего обнаружения гололеда, представлена на рис. 8.

Таким образом, в случае нарастания на линии гололедообразования оператор РДУ/ОДУ или иной ответственный сотрудник получает на свой экран (или соответствующее мобильное устройство) сообщение об опасности гололеда и начинает готовить схему плавки гололеда согласно разработанным штатным инструкциям. В результате успешной плавки надежность ВЛЭП сохраняется на должном уровне.

Система раннего обнаружения гололеда «CAT-1» позволяет определять различные типы гололедообразований (иней, мокрый снег, лед) в диапазоне плотностей от 0,2 до 0,9 г/см³ и даже обнаруживать нарастающее гололедообразование раньше, чем его можно будет увидеть!

ЛИТЕРАТУРА

1. Внедрение автоматизированной системы наблюдения за гололедом в Камышинских электрических сетях. / А.Г. Сошинов, Н.Ю. Шевченко, Ю.В. Лебедева, Н. Хромов // Современные проблемы науки и образования. — 2009. — №5. — с. 127—132.
2. Дьяков Ф.А., Кононов Ю.Г. Новый подход к мониторингу гололедообразования на ВЛ 330— 750 кВ. Энергетик. 2009. №4. с. 4—10.
3. Левченко И.И. Нагрузочная способность и мониторинг воздушных линий электропередачи в экстремальных погодных условиях / И.И. Левченко, Е.И. Сацук // Электричество. — 2008. — № 4. — с. 2—8.
4. Диагностика, реконструкция и эксплуатация воздушных линий электропередачи в гололедных районах: учебное пособие. / И.И. Левченко, А.С. Засыпкин, А.А. Аллилуев, Е.И. Сацук. — М.: Издательский дом МЭИ, 2007. — 448 с.
5. Кузнецов П.А., Башкевич В.Я. Распознавание вида отложений на проводах при мониторинге воздушных линий электропередачи. // Прогрессивные технологии в обучении и производстве: Материалы IV Всерос. конфер. Камышин: КТИ, 2006.
6. Дьяков Ф.А. Эксплуатация ВЛ 330—500 кВ в условиях интенсивных гололедно-ветровых воздействий. Внедрение системы автоматического наблюдения за гололедом. Энергетик №6, 2005 г.;
7. Башкевич В.Я., Угаров Г.Г. и др. Системы сбора, передачи и обработки информации о гололедно-ветровых и температурных нагрузках на провода и тросы промежуточного пролета воздушной линии электропередачи — материалы Международной НТК «Электроэнергия и будущее цивилизации» — Томск, ТГУ, 2004 г.
8. Дискретный регистратор гололедных нагрузок / Левин А.З., Никифоров Е.П., Саруханов Г.М. // Тр. ВНИИЭ. — 1975. — Вып. 48.
9. Минуллин Р.Г., Фардиев И.Ш., Губаев Д.Ф. Физические основы обнаружения гололеда на электрических проводах локационным методом. III International Conference «Fundamental Problems of Physics» (III Международная научная конференция «Фундаментальные проблемы физики») // Abstracts. Kazan. Kazan State University, 2005. P.81.
10. Reliability and real time transmission line ratings / Tapani O. Seppa // The Valley Group — A Nexans Company, 2007;
11. Description of state of the art methods to determine thermal ratings of lines in real-time and their application in optimising power flow / R. Stephen // CIGRE SC22 WG12, 2000.