Системы прогнозирования и мониторинга сброса гололёда

В период, когда действующие на провода нагрузки еще не достигли опасных величин и существует определенный запас времени, чтобы удалить формирующиеся на проводах отложения или внести коррективы в режимы работы объектов сетевой инфраструктуры, эффективным является мониторинг отложений гололеда и снега.

С эксплуатационной точки зрения, довольно сложно разработать такую общую стратегию, которая позволила бы предотвратить возникновение проблем для всех линий электропередачи в условиях развития тяжелых гололедных ситуаций. Одним из первичных элементов разработки общей стратегии является оценка ожидаемых гололедных нагрузок на основе анализа имеющейся базы данных о характере и периодах повторяемости экстремальных гололедных явлений. Следующим элементом стратегии предотвращения опасных последствий является изучение существующих методов уменьшения и удаления гололедных отложений — de-icing (DI) или предотвращения интенсивных гололедных образований anti-icing (AI) на проводах и тросах. Обычно AI-методы предотвращения гололедообразования применяют заблаговременно, т.е. до наступления сезона гололедов. DI-методы применяются непосредственно в период гололедообразования или иногда после возникновения гололедных отложений.

Подробно системы мониторинга гололедообразования и сброса гололеда, а также применяемые в различных странах методы предотвращения гололедообразования и удаления гололеда с проводов воздушных линий электропередачи (ВЛ) описаны в рекомендательном материале, разработанном группой В2.29 Исследовательского комитета «Воздушные линии» Международной конференции СИГРЭ и опубликованном в форме технической брошюры ТВ 438 в декабре 2010 г. Настоящая публикация является кратким изложением основных положений, приведенных в указанной технической брошюре (ТБ) СИГРЭ.

СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ
ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ГОЛОЛЕДООБРАЗОВАНИЯ

В последние годы новые методы метеомоделирования и прогнозирования атмосферных процессов позволяют с более высокой точностью и достоверностью оценивать как количественные параметры уже сформировавшихся гололедных отложений, так и ожидаемые свойства отложений льда на поверхностях различных объектов. Важным аспектом этих разработок (см. ТБ) является возможность интеграции моделей локального масштаба с глобальными системами метеорологического прогнозирования. Эффекта удалось достичь путем создания ряда переходных элементов моделирования, что позволило преодолеть технические сложности резкого перехода от глобальных моделей к локальному моделированию с масштабами в несколько сотен метров. Эти достижения имеют большое практическое значение, поскольку более раннее предупреждение о гололедной опасности позволяет подготовить и реализовать ряд превентивных мер, направленных на уменьшение отрицательных последствий гололедообразования на ВЛ.

ПРОЦЕСС ЕСТЕСТВЕННОГО СБРОСА ГОЛОЛЕДА И СНЕГА С ПРОВОДОВ
И СПОСОБЫ ЕГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

Механизмы сброса гололеда с проводов и грозотросов состоят в следующем.

• При температуре воздуха выше 0°С начинается таяние на наружной и внутренней поверхностях гололедного отложения. Далее происходит процесс формирования канавки на границе раздела льда и поверхности провода или троса. Когда канавка в ледяной муфте достигает ее верхней границы, участок ледяного покрытия отламывается, происходит его сброс под действием собственного веса и ветрового давления.

• Под действием тепла воздушной среды происходит сублимационное испарение с поверхности ледяного покрытия. Скорость этого процесса зависит от влажности, температуры воздуха и скорости ветра.

• Механическое разрушение гололедной муфты зависит от прочности сцепления (адгезии) покрытия определенного вида и формы (чистый лед, мокрый снег, изморозь или смешанные формы) с поверхностью провода. Резкий сброс гололеда может вызвать подскок провода, иногда приводящий к перекрытию изолирующих промежутков между фазами, которые наиболее вероятны при вертикальном расположении фаз или цепей многоцепных линий.

• Сброс снега (включая налипание мокрого снега на провода и тросы), прочность сцепления которого с проводами и тросами ниже, чем при гололедных образованиях, может происходить под действием сильных и порывистых ветров.

МЕХАНИЗМЫ АДГЕЗИИ
ГОЛОЛЕДНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

Как показали проведенные исследования, на адгезию гололедных отложений влияют два основных фактора: электростатические воздействия, существующие на границах раздела гололедной среды и провода, а также шероховатость поверхности, на которой происходит гололедообразование.

Что касается сил электростатического воздействия, то они незначительны для тех материалов или покрытий, которые обладают низкой диэлектрической проницаемостью, таких, например, как фторсодержащие полимеры. Критическое влияние на прочность сцепления (адгезию) гололеда оказывает шероховатость поверхности. Поэтому снижение прочности сцепления гололедных отложений с поверхностью может быть достигнуто путем уменьшения ее шероховатости и применения материалов с низкой диэлектрической проницаемостью.

Среди других факторов, влияющих на механизмы адгезии гололедных отложений, следует отметить температуру и характер осадков, а именно скорость падения и размер капель переохлажденной воды, которые определяют проникновение влаги в трехмерные поверхностные структуры и оказывают влияние на форму и размеры образующихся кристаллов льда и прочность их сцепления с поверхностью гололедообразования.

МЕТОДЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ
И УДАЛЕНИЯ ГОЛОЛЕДНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

Способы предотвращения — antiicing и удаления — de-icing гололедных отложений могут быть отнесены к одной из следующих четырех категорий:
• пассивный метод AI, базирующийся на использовании естественных физических свойств материалов и процессов;
• использование активных AI-покрытий и устройств;
• методы механического разрушения DI и удаления гололедных образований;
• методы теплового DI-воздействия — плавка гололеда.

Пассивные методы не требуют использования дополнительных источников энергии и характеризуются воздействием таких факторов, как ветер, гравитация, солнечная радиация, геометрическое размеры и положение проводов ВЛ. Они предполагают учет влияния нагрева проводов действующих линий токами нагрузки. Пассивные методы включают также те противогололедные меры, которые способствуют уменьшению размеров гололедных отложений и прочности их сцепления с проводами и тросами.

В качестве примера применения таких мер и методов можно назвать установку на ВЛ ограничителей закручивания проводов, применяемых для уменьшения налипания мокрого снега, а также для образования на проводах односторонних гололедных гребешков, которые раньше, чем концентрические гололедные муфты, сбрасываются при повышении температуры окружающей среды или собственно провода.

К категории пассивных способов можно отнести применение закрепляемых на проводах колец или спиралей, наличие которых способствует сбросу мокрого снега при его скольжении по наружному повиву провода, что в совокупности с ограничителями кручения проводов позволяет снизить размеры и массу наледи, а также приводит к ускоренному сбросу отложений в форме мокрого снега, гололеда или изморози. К числу активных способов борьбы с гололедом (AI) могут быть отнесены диэлектрические покрытия токоведущих проводов, которые принадлежат к категории ферромагнитных и подвержены нагреву за счет потерь на перемагничивание в материале покрытия. Указанный нагрев покрытия при определенных метеорологических условиях (низкая скорость ветра, относительно невысокая интенсивность гололедонесущего потока) может способствовать предотвращению отложения гололеда благодаря поддерживанию температуры покрытия выше точки замерзания капель оседающей на проводах влаги.

Методы механического разрушения гололедных отложений ускоряют сброс и освобождение проводов и грозозащитных тросов от соответствующих гололедных и комбинированных гололедно-ветровых нагрузок. Сравнительные оценки показывают, что для применения механических методов разрушения и удаления гололеда требуется в 100 тысяч раз меньше энергии, чем при использовании тепловых методов удаления сформировавшихся гололедных отложений (плавки гололеда). Технология механических методов удаления основана на применении одного из двух известных альтернативных подходов. Первый предполагает удаление гололеда посредством его срезания. Устройство подобного типа показано на рис. 1 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.

Второй подход основан на удалении отложений посредством возбуждения ударных волн изгиба или кручения провода/троса, чтобы таким путем разрушить и сбросить гололедную муфту. Преимущества механических методов состоят в относительной простоте их реализации по сравнению с методами плавки гололеда. Механические методы также имеют предпочтение в смысле быстроты их реализации в тех случаях, когда необходимо удалить гололед на относительно коротких участках ВЛ. Однако такие механические методы, которые предполагают создание интенсивных изгибных или крутильных деформаций, неприемлемы для удаления гололеда с волоконно-оптических кабелей (ОКГТ или ОКСН), поскольку могут привести к недопустимым деформациям оптических волокон.

Метод удаления гололедных отложений посредством возбуждения интенсивных изгибных колебаний провода был использован канадскими специалистами при разработке автоматизированного механического устройства сброса гололеда. Закрепляемый на проводе корпус (рис. 2) содержит трансформатор тока для отбора мощности от токоведущего провода действующей ВЛ, датчик контроля гололеда, генератор высокочастотных сигналов и электромагнитный вибратор. Устройство устанавливается на проводе или тросе в середине пролета ВЛ. По сигналу датчика гололеда автоматически включается электромагнитный вибратор, возбуждающий интенсивные изгибные колебания провода. Устройство было разработано и установлено на ВЛ 230 кВ, находящейся на севере Канады (Ньюфаундленд) в 2004 г. Однако за период до 2006 г. ни одного успешного случая работы данного устройства зафиксировано не было.

Другое устройство виброударного действия было разработано также в Канаде и установлено на опытном пролете длиной 150 м. Устройство включает мотор, приводящий в движение несбалансированный груз (рис. 3). 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. Однако оно еще не прошло практической проверки и пока не предлагается для коммерческой реализации.

В 2005 г. группа специалистов из компании «Хайдро-Квебек» во главе с Андре Леблоном разработала и провела практические испытания многозарядного пневматического устройства (рис. 4) для удаления гололеда. Поскольку гололед является достаточно хрупким образованием, ударные воздействия позволяют разрушать покрытия на локальных участках провода или грозозащитного троса.

Другое усовершенствованное приспособление было также разработано в Канаде (рис. 5) 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.

Методы теплового воздействия предполагают использование средств повышения температуры проводов или грозозащитных тросов для предотвращения процесса гололедообразования или с целью создания необходимых условий для проплавления и сброса сформировавшихся гололедных муфт. Первые примеры практического использования эффекта Джоуля относятся к периоду начала прошлого века. В 1920 г. энергетическая компания Новой Англии (США) применила этот эффект для предотвращения повреждения линии электропередачи во время гололедного шторма. В последующие годы тепловые методы для предотвращения и удаления гололедных образований были широко использованы в США, Канаде и СССР. Однако по мере увеличения протяженности и классов напряжений ВЛ применение подобных методов становилось все более проблематичным.

Для организации плавки гололеда в различных странах применяются как установки, основанные на использовании переменного тока, так и системы плавки постоянным током. Преимущества плавки переменным током состоят в том, что для ее проведения используются элементы существующей сетевой инфраструктуры. Однако для того, чтобы удалить гололед с достаточно протяженных линий, требуются источники значительной мощности. Плавка постоянным током более предпочтительна для длинных линий с проводами большого сечения и для ВЛ с расщепленными фазами. Так, например, для ВЛ 220 кВ при плавке постоянным током необходимо 20% от той мощности, которая используется установками плавки переменным током.

В рассматриваемой технической брошюре СИГРЭ даны примеры применения систем плавки гололеда в сетевых компаниях США и Канады. Отмечено, что в США получен положительный опыт применения при организации плавки фазоповоротных трансформаторов. Использование устройств, обеспечивающих поворот фаз на 60о, позволяет, по мнению авторов брошюры, повысить эффективность плавки на ВЛ протяженностью до 55 км без отключения потребителей. Для организации плавки на ВЛ большей протяженности могут найти применение устройства поворота фаз на 120о.

В ТБ приведено также несколько схем коммутации ВЛ переменного тока с установками плавки гололеда (УПГ) постоянным током. Наиболее простой вариант последовательного пофазного подключения УПГ постоянного тока к ВЛ переменного тока показан на рис. 6.

В ТБ достаточно широко и детально нашел отражение российский опыт борьбы с гололедными явлениями. Отмечено, что в энергосистемах СССР и РФ были в больших масштабах разработаны и стандартизованы для ВЛ всех классов напряжения, включая 500 кВ, различные технологии плавки гололеда. Даны схемы и технологические особенности плавки гололеда на ВЛ 110 и 220 кВ по методу двух- и трехфазного короткого замыкания. Описаны режимы плавки (величины токов и продолжительность процесса плавки) гололедных отложений различных видов и размеров для АС-проводов наиболее широко распространенных марок.

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ПОКРЫТИЯ
ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ГОЛОЛЕДА

Информация о достижениях в области разработки водоотталкивающих и препятствующих интенсивному гололедообразованию покрытий активизировала интерес к результатам подобных разработок, полученных в последнее время. Наиболее существенные требования, предъявляемые к подобным покрытиям, формулируются следующим образом.
1. Покрытие должно значительно уменьшать прочность адгезии с гололедом.
2. Покрытие должно быть стойким и долговечным.
3. В расчете на определенный срок службы цена покрытия должна быть приемлемой.
4. Покрытие должно быть простым в применении.

Одна из наиболее существенных проблем как раз и состоит в том, что антигололедные покрытия проводов или опор ВЛ должны сохранять активное влияние на протяжении десятков лет (идеально до 70 лет).

Авторы ТБ отмечают, что в природе известны растения и живые организмы, обладающие суперводоотталкивающими свойствами. С поверхностей с такими свойствами капли воды скатываются, как жемчужины, если данные поверхности имеют наклон или естественные искривления. Ряд ученых и некоторые компании разрабатывают материалы с подобными свойствами для промышленного применения.

Одна из разработанных технологий — плазменное напыление испаряемым химическим составом (PECVD) обеспечивает возможность создания покрытия, напоминающего алмазное, которое является плотным, твердым, долговечным и обладает высоким уровнем адгезии с объектом покрытия. Его водо- и гололедоотталкивающие свойства находятся в стадии изучения.

В последнее время внимание специалистов привлекают разработки в области нанотехнологии. Множество исследований проводится с целью создания супергидрофобных микро- и нанотекстурных покрытий. Для повышения гидрофобности формируются поверхностные покрытия (компаунды), в частности, на основе упомянутой выше технологии PECVD, когда на поверхность наносится самозакрепляющийся слой компаунда, пассивируемый стеариновой кислотой.

В ТБ обсуждается также публикуемая в различных источниках информация о свойствах нановолокон, создаваемых из группы сополимеров полистирен-б-диметилсилоксан. Диаметр волокон составляет 150—400 нанометров. Из волокон с применением электротехнологий формируются пряди и основы для гидрофобных покрытий.

Очевидно, что в ближайшем будущем следует ожидать появления новых материалов, которые позволят эффективно защищать как вновь изготавливаемые, так и существующие провода и тросы от гололедных отложений.

ВЫВОДЫ

В рассматриваемой ТБ СИГРЭ обсуждаются наиболее перспективные методы борьбы с представляющими серьезную опасность для эксплуатации ВЛ гололедными отложениями на проводах и грозозащитных тросах. Дается обзор существующих технологий предотвращения и удаления гололедных отложений, включающих пассивные методы и устройства, а также активные методы механического удаления гололеда, например, пневматические многозарядные устройства виброударного действия на локальных участках линий небольшой протяженности. 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.

Анализ и сравнение существующих методов показывает, что широко распространенные по всему миру методы плавки гололеда электрическим током следует отнести к наиболее эффективным инженерным подходам, в ряде случаев сводящим к минимуму возможные катастрофические последствия интенсивных гололедных штормов. Как переменный, так и постоянный ток применяются для организации плавки. Техника и технология плавки гололеда, развивающиеся уже несколько десятилетий, достаточно отработаны. Тем не менее новые технологии, основанные на применении гидро- и гололедоотталкивающих материалов, активно развиваются и обсуждаются. Подобные подходы являются многообещающими и имеют хороший потенциал для перспективного применения. Кроме того, поскольку эффективность применения антигололедных мероприятий в значительной степени зависит от своевременного, достоверного прогноза и мониторинга гололедной опасности, разработка новых современных методов метеорологического прогнозирования является актуальной задачей научных и инженерных разработок.