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Givrage des lignes électriques. Dégivrage des lignes électriques, pak fa et autres meilleures lettres du mois. L'ordinateur choisira le système optimal

L'invention concerne le domaine de l'électrotechnique, en particulier les dispositifs qui empêchent la formation de glace sur les fils des lignes électriques aériennes à haute tension (lignes électriques) sans déconnecter les consommateurs. Le résultat technique réside dans la simplicité et l'efficacité du dispositif revendiqué et, si possible, dans l'élimination des formations de glace existantes sans déconnecter les consommateurs et sans compliquer la ligne de transport d'électricité, c'est-à-dire sans ajouter de fils redondants ou de dérivation. Le dispositif comprend une source de courant externe à la ligne électrique, configurée pour se connecter aux fils porteurs de courant de la ligne électrique, la source de courant étant réalisée sous la forme d'un générateur haute fréquence, conçu pour fournir une puissance calculée par la formule P Г =q·A·ΔT, où q est le coefficient de transfert thermique de la couche chaude supérieure du fil vers l'air, A est la surface des fils, ΔT est la température de chauffage du fil par rapport à la température ambiante; dans ce cas, la sortie du générateur est connectée à l'entrée d'un dispositif d'adaptation de type capacitif, conçu pour faire correspondre la résistance de sortie du générateur haute fréquence avec la résistance d'entrée de la ligne électrique et ayant le nombre de sorties correspondant à le nombre de fils de la ligne électrique. 2 n.p. f-ly, 7 malades.

Les ingénieurs électriciens considèrent le givrage des lignes électriques comme l’une des catastrophes les plus graves. Ce phénomène se caractérise par la formation d'un dépôt de glace dense lorsque des gouttes de pluie, de bruine ou de brouillard surfondues gèlent principalement à des températures de 0 à -5°C sur les fils des lignes de transport d'électricité. L'épaisseur de glace sur les lignes électriques aériennes à haute tension peut atteindre 60 à 70 mm, ce qui alourdit considérablement les câbles. Des calculs simples montrent que, par exemple, la masse d'un fil AC-185/43 d'un diamètre de 19,6 mm, d'une longueur de 1 km et d'une masse de 846 kg augmente de 3,7 fois avec une épaisseur de glace de 20 mm, et de 9 fois avec une épaisseur de 40 mm, avec une épaisseur de 60 mm - 17 fois. Dans le même temps, la masse totale d'une ligne de transport d'électricité composée de 8 fils d'une longueur de 1 km augmente respectivement à 25, 60 et 115 tonnes, ce qui entraîne la rupture des fils et la rupture des supports porteurs.

De tels accidents provoquent des dommages économiques importants, interrompant l’alimentation électrique des entreprises et des foyers. L'élimination des conséquences de tels accidents prend parfois beaucoup de temps et d'énormes sommes d'argent sont dépensées. De tels accidents se produisent chaque année dans de nombreux pays de la zone nord et centrale. Rien qu'en Russie, des accidents majeurs dus à la glace au cours de la période de 1971 à 2001 se sont produits à plusieurs reprises dans 44 systèmes électriques (voir Diagnostic, reconstruction et exploitation des lignes électriques aériennes dans les zones glacées. / I.I. Levchenko, A.S. Zasypkin, A.A. Alliluyev, E.I. Satsuk - M. : Maison d'édition MPEI, 2007). Un seul accident survenu sur le réseau électrique de Sotchi en décembre 2001 a entraîné des dommages à 2,5 mille km de lignes électriques aériennes avec des tensions allant jusqu'à 220 kV et l'arrêt de l'alimentation électrique d'une vaste région (voir).

De nombreuses méthodes sont connues pour lutter contre ce phénomène, basées sur des effets mécaniques ou thermiques sur la croûte de glace. Dans ce cas, la préférence est donnée de diverses façons la fonte des glaces, car les moyens mécaniques ne peuvent souvent pas être utilisés dans les zones montagneuses et forestières difficiles d'accès. La fonte électrique est le moyen le plus courant de lutter contre la glace sur les lignes électriques aériennes à haute tension. La glace est fondue en chauffant les fils de support ou auxiliaires avec un courant continu ou alternatif avec une fréquence de 50 Hz jusqu'à une température de 100-130 ° C (voir, ainsi que Dyakov A.F., Zasypkin A.S., Levchenko I.I. Prévention et élimination des accidents de glace dans réseaux électriques. - Piatigorsk, de RP « Yuzhenergotekhnadzor », 2000 et Rudakova R.M., Vavilova I.V., Golubkov I.E. Combattre la glace dans les entreprises du réseau électrique. - Oufa, Université technique de l'aviation d'État d'Oufa, 1995).

Il existe un procédé connu pour éliminer la glace en faisant passer un courant de court-circuit à travers les fils à phase divisée d'une ligne de transport d'électricité (voir A.S. No. 587547). Le courant de court-circuit est un mode d'urgence pour une ligne électrique et peut, avec un degré de probabilité élevé, conduire au recuit des fils avec une perte de résistance irréversible ultérieure, ce qui est inacceptable. Le problème est aggravé par le fait qu'un seul courant de court-circuit peut ne pas suffire à suppression complète de la glace, et les courts-circuits devront être répétés plusieurs fois, ce qui aggravera encore les conséquences.

Considérons base théorique un moyen de lutter contre la glace en court-circuitant les fils.

Soit I PL le courant requis pour faire fondre la glace en raison du chauffage du fil sur lequel elle est gelée. Ensuite, lors de la fusion avec du courant continu, la tension requise de la source d'alimentation est

où R PR est la résistance active des fils, et lors de la fusion avec le courant alternatif du réseau

où X PR =2πFL PR =314L PR - réactance due à l'inductance des fils L PR à une fréquence de F=50 Hz. Pour le rapport de ces deux tensions aux mêmes courants de fusion, d'après (1) et (2), on obtient

Étant donné que la valeur de KU dans les lignes de longueur et de section considérables, en raison de l'inductance relativement grande des fils, peut atteindre 5-10, il est plus rentable économiquement d'effectuer une fusion avec un courant continu, auquel la tension de l'alimentation source et, par conséquent, sa puissance selon (3) est réduite de 5 à 10 fois par rapport à la source CA. Certes, cela nécessite l'utilisation d'unités de redressement haute tension puissantes et spéciales. Par conséquent, la fusion en courant alternatif est généralement utilisée sur les lignes à haute tension avec des tensions de 110 kV et moins, et en courant continu - supérieures à 110 kV. A titre d'exemple, rappelons que le courant de fusion à une tension de 110 kV peut atteindre 1000 A, la puissance requise est de 190 millions de voltampères, la température de fusion est de 130°C (voir et).

Ainsi, faire fondre la glace par courant électrique est une entreprise assez complexe, dangereuse et coûteuse avec l'arrêt de tous les consommateurs. De plus, une fois les fils débarrassés de la glace, si les conditions climatiques n'ont pas changé, ils se recouvriront à nouveau de glace et la fonte devra être répétée encore et encore.

Parfois, l’échauffement des fils est combiné à des contraintes mécaniques. Par exemple, le brevet RF n° 2166826 propose une méthode pour éliminer la glace des câbles aériens et des lignes électriques, qui consiste à faire passer un courant alternatif ou des impulsions de courant avec une fréquence proche de la résonance mécanique et une amplitude suffisante pour vaincre les forces externes et internes de friction, et le la variation du courant alternatif transmis peut être strictement périodique, avoir une fréquence d'oscillation, changer selon une loi harmonique, avoir la forme de trains d'impulsions avec des lois données de changement de fréquence, d'amplitude et de rapport cyclique. Les paramètres du courant électrique traversant des fils doubles ou multiples du réseau de contacts et des lignes électriques sont sélectionnés de manière à mettre les fils en mouvement oscillatoire. Comme vous le savez, les conducteurs à flux de courant unidirectionnel s’attirent. Dans le même temps, lorsque les fils se heurtent, l’énergie potentielle s’accumule sous forme de déformation élastique. Par conséquent, on obtient un système oscillatoire qui, avec une sélection appropriée de la fréquence, de l'amplitude et du rapport cyclique des impulsions de courant, peut commencer à osciller et entrer en résonance. L'accélération du déglaçage est obtenue du fait que l'échauffement des fils s'accompagnera d'impacts mécaniques des fils les uns contre les autres. La réduction des coûts énergétiques est obtenue en réduisant considérablement le temps nécessaire pour éliminer la glace des fils et en réduisant la quantité de courant transmis. Une sécurité accrue est obtenue en éliminant les conditions de court-circuit. La réduction de l'impact sur les lignes de communication et la prévention des pannes d'équipements électroniques sont également possibles grâce à l'élimination des modes de court-circuit. Cette méthode est très difficile à mettre en œuvre et, de plus, comme dans d'autres méthodes envisagées, il est nécessaire de déconnecter les consommateurs pendant la procédure de dégivrage.

La solution technique la plus proche du dispositif revendiqué est décrite dans le brevet RF n° 2316866. Le prototype se caractérise par le fait que le dispositif est constitué de deux groupes de fils isolés l'un de l'autre, qui à une extrémité sont connectés entre eux et au fil de la section suivante de la ligne aérienne, et à l'autre extrémité le premier le groupe de fils est connecté au fil de la section précédente de la ligne aérienne, et entre le premier et le deuxième groupe de fils, une source de tension indépendante est activée.

Le dispositif prototype pour empêcher la formation de glace sur une ligne aérienne est représenté sur la figure 1 et se compose du premier 1 et du deuxième 2 groupes de fils isolés les uns des autres, qui sont connectés à une extrémité entre eux et au fil du section suivante de la ligne électrique 3, et à l'autre - le premier groupe Le fil est connecté au fil de la section précédente de la ligne électrique 4, et une source de tension indépendante 5 est connectée entre le premier 1 et le deuxième 2 groupes de fils.

Le courant principal de la ligne passe du fil de la section précédente de la ligne électrique 4 au premier groupe de fils 1 puis au fil de la section suivante de la ligne électrique 3. La tension est appliquée à partir d'une source indépendante 5 entre le premier groupe de fils 1 et le deuxième groupe de fils 2.

Des calculs théoriques donnés par les auteurs du prototype, il résulte que pour éviter la formation de glace, par exemple sur le fil ASU 95/16, l'échauffement du fil par rapport à l'environnement doit être égal à 5 °C à une vitesse de vent de 3 m/s. Dans ce cas, 36 kW/10 km doivent être libérés sur le fil. À courant nominal de ce fil, les pertes actives sur une longueur de 10 km sont de 28 kW/10 km. Par conséquent, la puissance provenant d'une source de tension indépendante 5 doit être de 8 kW/10 km. S'il n'y a pas de charge de ligne, alors la puissance de la source indépendante 5 doit être de 36 kW/10 km.

Si le deuxième groupe de fils est un fil d'acier isolé d'un diamètre de 4,5 mm, alors avec la puissance perdue de ce fil étant de 36 kW/10 km, la tension de la source indépendante 5 sera de 2,1 kV et le courant de 17 A. Avec un deuxième groupe de fils isolés en aluminium, avec une perte de puissance de 36 kW/10 km, la tension de la source indépendante sera de 0,8 kV et le courant sera de 45 A.

La source de tension indépendante peut être un transformateur de tension alimenté par le secteur 0,38 kV avec une isolation de 63 kV à la terre pour une sous-station de 110 kV, ou un transformateur éloigné de la sous-station alimenté directement par les lignes aériennes de 110 kV.

La caractéristique la plus intéressante de cette solution est la possibilité de l’utiliser sans déconnecter les consommateurs. Cependant, l'inconvénient cette méthode est de compliquer la conception de l'ensemble de la ligne électrique en raison de la création de groupes de fils « bypass » qui prennent en charge la charge pendant la période de dégivrage du fil principal.

Le problème à résoudre par l'invention revendiquée est de développer un dispositif assez simple et économique pour empêcher la formation de glace sur les lignes électriques aériennes à haute tension et, si possible, éliminer les formations de glace existantes sans déconnecter les consommateurs et sans compliquer la ligne de transport d'énergie. , c'est à dire. sans ajouter de fils redondants ou de dérivation. Par ailleurs, pour parvenir à de tels résultats, il est souhaitable qu'un tel dispositif s'appuie sur un nouveau système, plus façon efficace. En tant que prototype de la méthode, il est logique de citer une solution qui utilise le chauffage du fil à l'aide d'une source de courant externe sans déconnecter les consommateurs.

Le résultat technique relatif au procédé est obtenu grâce au développement d'un procédé amélioré pour chauffer des fils porteurs de courant, au moins deux fils, en leur appliquant une tension haute fréquence, dont la caractéristique distinctive est l'utilisation de l'effet peau et de l'effet d'onde progressive pour chauffer les fils. Dans ce cas, la méthode proposée consiste à effectuer les opérations suivantes :

Une tension haute fréquence comprise entre 50 et 500 MHz est fournie entre deux fils de la ligne électrique avec une puissance P G = q · A · ΔT, où q est le coefficient de transfert thermique de la couche chaude supérieure du fil vers le air, A est la surface des fils, ΔT est la température de chauffage du fil par rapport à la température environnement.

Le résultat technique relatif au dispositif est obtenu grâce au fait que le dispositif revendiqué comprend un générateur haute fréquence dont la puissance est calculée par la formule : R G = q·A·ΔT,

où q est le coefficient de transfert thermique de la couche chaude supérieure du fil vers l'air, A est la surface des fils, ΔT est la température de chauffage du fil par rapport à la température ambiante, tandis que la puissance du générateur est connecté à l'entrée d'un dispositif d'adaptation de type capacitif, conçu pour faire correspondre la résistance de sortie du générateur haute fréquence avec la résistance de la ligne électrique d'entrée et comportant un nombre de sorties correspondant au nombre de fils de la ligne électrique.

Pour une meilleure compréhension de l'essence de l'invention revendiquée, sa justification théorique est donnée ci-dessous avec des liens vers des documents graphiques pertinents.

Fig. 1. Appareil prototype.

Fig.2. Ligne électrique : 2.1) court-circuit dans la ligne, 2.2) circuit équivalent en courant continu, 2.3) circuit équivalent en courant alternatif avec une fréquence de 50 Hz.

Figure 3. Répartition du courant sur la section du conducteur : 3.1) à courant constant et basse fréquence ; 3.1) à haute fréquence.

Figure 4. Ligne à deux fils : 4.1) apparence, 4.2) graphique de l'amplitude de tension pour une onde progressive, 4.3) pour une onde progressive et réfléchie.

Figure 5. Schéma de connexion d'un générateur haute fréquence à une ligne électrique.

Fig.6. Graphiques de dépendance : 6.1) couche superficielle de pénétration du courant dans le conducteur, 6.2) résistivité relative des fils en fonction de la fréquence : 601 - acier, 602 - aluminium, 603 - cuivre.

Figure 7. Dépendance du coefficient de conversion de l'énergie électromagnétique d'une onde progressive en énergie thermique sur la longueur de la ligne.

Comme vous le savez, le terme « skin effect » vient du mot anglais « skin », c'est-à-dire "cuir"; De plus, en électrotechnique, cela signifie que dans certaines circonstances électricité se concentre sur la « peau » du conducteur (voir ru.wikipedia.org/wiki/Skin effect). Il a été constaté que dans un conducteur homogène, le courant alternatif, contrairement au courant continu, n'est pas réparti uniformément sur la section transversale du conducteur, mais est concentré sur sa surface, occupant une couche très fine (voir Fig. 3), l'épaisseur dont à une fréquence de courant alternatif f>10 kHz déterminée par la formule

où σ (Ohm mm 2 /m) - spécifique résistance électriqueà courant constant ; µ o =1,257·10 6 (V·s/A·m) - constante magnétique ; µ - perméabilité magnétique relative (pour les matériaux non magnétiques µ=1) f - fréquence en MHz.

Des graphiques de la fonction δ(f) selon (4) pour trois matériaux (acier - 601, aluminium - 602 et cuivre - 603) sont présentés dans la figure 6.1. L'amincissement de la couche traversée par le courant alternatif entraîne une augmentation de la résistance du conducteur de rayon r (mm), déterminée à (r/2δ)>10 par la formule

où R o =σ/πr 2 est la résistance du même conducteur de 1 m de long au courant continu.

Des graphiques de la fonction R f (f)//R o à r=10 mm, montrant comment la résistance du conducteur augmente avec la fréquence pour trois matériaux (acier - 601, aluminium - 602 et cuivre - 603), sont présentés sur la Fig. 6.2 . Il en résulte, par exemple, qu'à une fréquence de 100 MHz et plus, la résistance des fils d'aluminium augmente de 600 fois ou plus.

Concernant l’effet « running » onde électromagnétique", alors, comme on le sait (voir, par exemple, izob.narod.rn/p0007.html), il existe deux manières principales de propager les ondes électromagnétiques : dans l'espace libre lorsqu'elles sont émises par une antenne et à l'aide de guides d'ondes et d'alimentation ou autre- appelées lignes longues - coaxiales, stripline et bifilaires - (voir Kaganov V.I. Oscillations et ondes dans la nature et la technologie. Cours informatisé. - M. : Hotline - Telecom, 2008). Dans le second cas, l'onde électromagnétique, comme sur des rails, glisse le long de la ligne. Puisque deux fils d'une ligne électrique peuvent être considérés comme une ligne à deux fils (Fig. 4.1), nous nous concentrerons sur son analyse. La ligne elle-même est caractérisée par trois paramètres principaux : l'impédance caractéristique ρ, la constante d'atténuation α et la constante de phase β. Impédance caractéristique d'une ligne bifilaire tendue dans l'air

où a est la distance entre les centres des fils, r est le rayon du fil (voir Fig. 4.1) Constante d'atténuation

où R f est la résistance d'un fil à haute fréquence, déterminée selon (5).

Constante de phase β=2π/λ, (1/m), où λ (m) est la longueur d'onde se propageant dans la ligne.

Dans la ligne à deux fils elle-même, comme dans les autres lignes d'alimentation, deux modes de fonctionnement principaux sont possibles : avec seulement une onde progressive dans une direction et avec deux ondes - voyageant et réfléchies depuis l'extrémité ou l'obstacle de la ligne. Supposons que la ligne soit infiniment longue. Alors seul un mode à ondes progressives y est possible, dont la tension dépend du temps t et de la distance x du générateur (Fig. 4.2) :

où U 0 est l'amplitude de tension à l'entrée de la ligne à laquelle le générateur est connecté avec la fréquence f.

Selon (8), l'amplitude d'une onde progressive se propageant le long de la ligne diminue de façon exponentielle (Figures 6 et 7). Par conséquent, la puissance d’une onde électromagnétique se propageant à une distance L du générateur sera :

où R G =(U 0)) 2 /2ρ est la puissance des vagues au début de la ligne, égale à la puissance de sortie du générateur haute fréquence.

La différence entre la puissance de l'onde progressive au début de la ligne et à une distance L déterminera l'échauffement thermique de la ligne le long de laquelle l'onde se propage

Le coefficient de conversion de l'énergie électromagnétique d'une onde progressive W en énergie thermique dans une ligne de longueur L (m), compte tenu de (10), sera :

Des graphiques de la fonction η(L) pour trois valeurs de la constante d'atténuation α (1/km) sont tracés sur la Fig.7. Il en résulte que plus la résistance des fils de ligne Rf, définie par (5), et, par conséquent, la constante d'atténuation α, définie par (7), plus l'énergie est grande. Champ électromagnétique L'onde propagée le long de la ligne est convertie en chaleur. C'est cet effet de conversion de l'énergie électromagnétique en énergie thermique, utilisée pour chauffer les fils à une fréquence de signal élevée, qui constitue la base de la méthode proposée pour empêcher la formation de glace sur les lignes électriques.

Dans le cas de dimensions limitées de la ligne ou de tout obstacle haute fréquence, comme une capacité, en plus de l'onde incidente, se propagera également dans la ligne une onde réfléchie dont l'énergie sera également transformée en chaleur au fur et à mesure qu'elle se propage. se propage de l’obstacle au générateur. Les amplitudes de changement le long de la ligne des deux ondes – incidente et réfléchie – sont illustrées à la figure 4.3.

Pour calculer la puissance thermique, nous définissons exemple spécifique, quelle puissance

Le R G d'un générateur haute fréquence avec une fréquence f connecté à la ligne électrique sera nécessaire pour chauffer les deux fils de ΔT degrés. Prenons en compte les circonstances suivantes. Premièrement, la fine couche supérieure du fil, sous l'influence d'une onde électromagnétique, se réchauffe presque instantanément avec un dégagement de chaleur volumétrique élevé. Deuxièmement, cette chaleur est dépensée pour chauffer l'ensemble du fil (O M) et l'air entourant le fil par convection (Q B) (voir Fig. 3.2).

Acceptons les données initiales suivantes : matériau du fil - aluminium d'un diamètre de 10 mm, section S = 78,5 mm 2, longueur L = 5000 m, densité p = 2710 kg/m 3, résistivité en courant continu σ = 0,027 Ohm mm 2 /m, chaleur spécifique c = 896 J/kg K, coefficient de transfert thermique de la couche chaude supérieure du fil vers l'air q = 5 W/m K.

Poids de deux fils :

Surface de deux fils :

La quantité de chaleur nécessaire pour chauffer deux fils à ΔT=13°C :

Transfert de chaleur de deux fils vers l'environnement à une différence de température ΔТ=13°С :

où t est le temps en secondes.

De la dernière expression, nous obtenons pour la puissance requise du générateur haute fréquence R G = 20,4 kW, soit 2 W de puissance de vibration haute fréquence pour 1 m de fil avec un dégagement de chaleur volumétrique dans la couche supérieure du fil de 8 MW/m 3. Notons au passage qu'avec le même type de fil, pour le libérer de la glace par fusion avec un cycle pouvant aller jusqu'à 40 minutes, il faut une puissance de 100 VA pour 1 mètre (voir et).

En égalisant les expressions de l'énergie, on trouve la valeur du temps pour établir un mode stationnaire de chauffage des fils :

Pour tester les principes théoriques énoncés ci-dessus et prouver l'applicabilité industrielle de la méthode et du dispositif proposés, une expérience en laboratoire a été menée.

Des calculs préliminaires ont permis de conclure que de puissants émetteurs radio VHF FM fonctionnant dans la gamme de fréquences 87,5...108 MHz peuvent être utilisés comme générateur de signaux haute fréquence en changeant uniquement le dispositif d'adaptation de charge et en les connectant à la ligne électrique conformément à le schéma de la Fig. .5.

Dans la version expérimentale, un générateur 502 de 30 W, 100 MHz a été connecté via un dispositif d'adaptation 501 à une ligne bifilaire de 50 m de long, ouverte à l'extrémité, avec des fils d'un diamètre de 0,4 mm et une distance entre eux de 5 mm. L'impédance caractéristique d'une telle ligne selon (6) :

Sous l'influence d'une onde électromagnétique progressive, la température de chauffage de la ligne à deux fils était de 50 à 60°C à une température de l'air ambiant de 20°C. Les résultats de l'expérience ont coïncidé avec une précision satisfaisante avec les résultats du calcul effectué selon les expressions mathématiques données.

Les conclusions suivantes ont été formulées :

La méthode inventive de chauffage des lignes électriques par une onde électromagnétique qui se propage le long de celles-ci et dont l'énergie, en se propageant, se transforme en chaleur, permet de chauffer les fils de 10 à 20°C, ce qui devrait empêcher la formation de glace ;

Le plus approprié est l'utilisation de la méthode et du dispositif proposés pour empêcher la formation de glace sur les fils, car l'élimination d'une « couche » de glace déjà formée nécessitera une consommation d'énergie nettement plus élevée et une procédure plus longue ;

Par rapport à la méthode de fonte de glace actuellement utilisée, la méthode proposée présente de nombreux avantages, notamment compte tenu du fait que la méthode est mise en œuvre sans déconnecter les consommateurs, il est possible, à titre préventif, de chauffer la ligne jusqu'à obtenir une glace dense un dépôt se forme sur les fils, ce qui permet de les chauffer jusqu'à 10-20°C, et non jusqu'à la température de 100-130°C nécessaire à la fonte de la glace ;

La résistance des fils, qui augmente avec la fréquence du courant alternatif (dans l'exemple donné, à une fréquence de 100 MHz, la résistance augmente de trois ordres de grandeur par rapport à une fréquence de 50 Hz) permet d'obtenir une résistance élevée coefficient de conversion de l'énergie électrique en énergie thermique et, ainsi, réduire la puissance du générateur.

1. Procédé de lutte contre le verglas sur les lignes électriques, qui consiste dans le fait que sans déconnecter les consommateurs, un courant est fourni aux fils porteurs de courant à partir d'une source externe, un fil chauffant, caractérisé en ce qu'une tension haute fréquence dans la plage de 50-500 MHz est fournie entre deux fils de la ligne électrique. puissance R Г =q·A·ΔT, où q est le coefficient de transfert thermique de la couche chaude supérieure du fil vers l'air, A est la surface de des fils, ΔT est la température de chauffage du fil par rapport à la température ambiante.

2. Dispositif de lutte contre le verglas, comprenant une source de courant externe à la ligne électrique, configuré pour se connecter aux fils porteurs de courant de la ligne électrique, caractérisé en ce que source externe Le courant est conçu sous la forme d'un générateur haute fréquence, conçu pour fournir une puissance calculée par la formule R G = q · A · ΔT, où q est le coefficient de transfert thermique de la couche chaude supérieure du fil vers l'air, A est la surface des fils, ΔT est la température de chauffage du fil par rapport à la température environnement ; dans ce cas, la sortie du générateur est connectée à l'entrée d'un dispositif d'adaptation de type capacitif, conçu pour faire correspondre la résistance de sortie du générateur haute fréquence avec la résistance d'entrée de la ligne électrique et ayant le nombre de sorties correspondant à le nombre de fils de la ligne électrique.

Méthodes de lutte contre le givrage des lignes électriques

Encadreur scientifique – Docteur en Sciences Techniques, Professeur

1. Introduction

Malgré de nombreuses années d'efforts des ingénieurs électriciens et des scientifiques, les accidents dus à la glace dans les réseaux électriques de nombreux systèmes électriques entraînent encore les conséquences les plus graves et perturbent périodiquement l'approvisionnement électrique des régions du pays.

Le dégivrage des fils des lignes électriques s'effectue selon 3 méthodes :

1 – mécanique ; 2 – physique et chimique ; 3 – électromécanique.

1) Méthode mécanique

La méthode mécanique implique l'utilisation de dispositifs spéciaux qui éliminent la glace des fils. Le moyen le plus simple d’enlever mécaniquement la glace est de la faire tomber à l’aide de longues perches. Le rembourrage est réalisé avec des impacts latéraux, provoquant des vibrations ondulatoires du fil. Mais cette méthode nécessite l'accès aux lignes électriques, ce qui viole travail normal parcelle. De plus, l’action mécanique n’empêche pas le givrage, mais l’élimine.

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Enlever la glace des fils avec des perches est pratiquement impossible sans un grand nombre d'ouvriers. Cette méthode prend du temps et n’est utilisée que sur de courts tronçons de lignes, c’est pourquoi elle est considérée comme peu pratique dans la plupart des cas. Par conséquent, à l'heure actuelle, le moyen le plus courant de lutter contre la glace sur les câbles des lignes électriques consiste à faire fondre la glace avec un courant alternatif ou continu de grande intensité pendant une longue période (environ 100 minutes ou plus). Cela consomme une quantité importante d'énergie et nécessite de déconnecter la ligne des consommateurs pendant une longue période.

2) Méthode électrothermique

Les méthodes électrothermiques de déglaçage consistent à chauffer les fils avec un courant électrique, ce qui empêche la formation de glace - chauffage préventif ou sa fonte.

Le chauffage préventif des fils consiste à augmenter artificiellement le courant dans le réseau de lignes de transport d'électricité jusqu'à une valeur telle que les fils chauffent jusqu'à une température supérieure à 0°C. A cette température, la glace ne se forme pas sur les fils. Le chauffage préventif doit commencer avant la formation de glace. Lors du chauffage préventif, il convient d'utiliser des circuits d'alimentation électrique qui ne nécessitent pas de déconnexion des consommateurs.

La fonte de la glace sur les fils est réalisée lorsque la glace s'est déjà formée en augmentant artificiellement le courant du réseau de lignes électriques. Les fils sont chauffés avec un courant continu ou alternatif d'une fréquence de 50 Hz jusqu'à une température de 100-130°C. Il est plus facile de le faire en court-circuitant deux fils, auquel cas tous les consommateurs doivent être déconnectés du réseau.

Le déglaçage à courant alternatif n'est utilisé que sur les lignes dont la tension est inférieure à 220 kV avec des fils d'une section inférieure à 240 mm2. Pour les lignes aériennes d'une tension de 220 kV et plus avec des fils d'une section de 240 mm2 ou plus, la fonte de la glace avec courant alternatif nécessite des grandes capacités source de courant.

L’avantage de cette méthode est qu’elle réduit les coûts énergétiques. Cependant, les inconvénients de cette méthode sont les suivants : la nécessité d'un chauffage constant des fils pour éviter la formation de glace, le coût élevé des sources de courant haute fréquence de la puissance requise.

3) Méthode physico-chimique

La méthode physico-chimique, contrairement à d'autres, évite l'apparition de givrage sur les fils. Les résultats obtenus permettent de parler d'une nouvelle méthode physique et chimique de lutte contre le givrage des fils de lignes électriques, dont l'efficacité dépasse largement les capacités méthodes traditionnelles. De plus, cette méthode ne nécessite pas de coûts économiques importants. C’est donc plus prometteur. Le seul inconvénient de la méthode physico-chimique est que la durée de vie de tels liquides est de courte durée et qu'il est irréaliste de les appliquer régulièrement sur des centaines et des milliers de kilomètres de fils.

4) Remplacement des fils.

La méthode ne consiste pas à inventer de petits appareils pour nettoyer les fils de la glace, mais à créer de nouveaux fils de haute technologie. Ces fils doivent répondre aux exigences suivantes :

Augmenter débit lignes existantes;

Réduire les charges mécaniques appliquées aux supports des lignes de transport d’énergie dues à la danse des fils ;

Augmenter la résistance à la corrosion des fils et câbles ;

Réduire le risque de rupture de fil lorsque plusieurs fils externes sont partiellement endommagés en raison d'influences extérieures, notamment la foudre ;

Améliorer les propriétés mécaniques des fils lors de l'accumulation de neige ou de la formation de glace

Pour ce faire, les couches externes du fil doivent être constituées de conducteurs bien ajustés les uns aux autres.

Ainsi, grâce à la torsion plus serrée des conducteurs et à la surface extérieure plus lisse, il est possible d'utiliser des fils plus fins et plus légers. Cela entraîne à son tour une réduction des pertes électriques dans les fils de 10 à 15 %, y compris les pertes corona, et une augmentation de la résistance mécanique de la structure. De plus, grâce à la torsion serrée, la pénétration de l'eau et des contaminants dans les couches internes est pratiquement éliminée, ce qui réduit la corrosion des couches internes du fil.

3. Conclusion

En raison de l’inefficacité de la méthode mécanique et physico-chimique sur de longues distances, nous ne parlerons pas du côté économique.

DANS ce moment, la glace formée sur les fils est nettoyée par chauffage. Ce n’est pas la méthode la moins chère, car elle nécessite des alimentations puissantes et coûteuses. Ainsi, faire fondre la glace par courant électrique est une entreprise plutôt peu pratique, complexe, dangereuse et coûteuse. De plus, les fils nettoyés dans les mêmes conditions climatiques se recouvrent à nouveau de glace, qui doit être fondue encore et encore.

Il convient de noter que la fonte des glaces doit être effectuée dans les zones de formation intense de glace avec une danse fréquente des fils. Dans d'autres cas, le recours à la fonte des glaces doit être justifié par des calculs techniques et économiques.

La durée de vie des fils est de 45 ans. Nous devons passer à de nouveaux câbles de haute technologie. Les fils étrangers sont très chers, leur coût est 10 fois supérieur au coût des fils d'enceintes. Il est proposé de développer des câbles nationaux de haute technologie et de commencer à remplacer les anciens par des nouveaux.

Bibliographie

1. Méthode pour éliminer le givrage des fils de lignes électriques / , : Pat. 2442256 C1 Ross. Fédération, IPC H 02 G 7/16.; n° 000/07 ; application 29/10/2010 ; publi. 10/02/2012, Bulletin. N° 4. 16p. : ill.

2. , Emelyanov lutte contre le givrage des lignes électriques : perspectives et avantages des nouveaux revêtements superhydrophobes. //Électromagazine n° 6/2011. http://www. ess. ru/.

3. Dyakov et l'élimination des accidents de verglas dans les réseaux électriques. Piatigorsk : Maison d'édition RP "Yuzhenergotekhnadzor", 2000. 284 p.

4. Abzhanov P. S. Étude des dépôts d'aérosols en relation avec le processus de formation de glace sur les fils des lignes électriques / Dis. doctorat technologie. Sciences Alma-Ata, 1973.

5. , Sur la question de la lutte contre la formation de glace sur les fils des lignes électriques // Scientifique. Tr. CHIMZSH - Chelyabinsk, 1973, numéro 83, pp. 34-36.

6. SYSTÈME AUTOMATIQUE POUR ENLEVER LA GLACE DES FILS DE LIGNES ÉLECTRIQUES

Docteur en Sciences Techniques V. KAGANOV, Professeur de MIREA.

Au cours des quinze dernières années, le verglas sur les lignes à haute tension est devenu de plus en plus fréquent. Lors de légères gelées, dans des conditions hivernales douces, des gouttelettes de brouillard ou de pluie se déposent sur les fils, les recouvrant d'une dense « couche » de glace pesant plusieurs tonnes sur une longueur d'un kilomètre. En conséquence, les fils se cassent et les supports des lignes électriques se brisent. La fréquence croissante des accidents sur les lignes électriques est apparemment liée au réchauffement climatique général et nécessitera beaucoup d’efforts et d’argent pour les prévenir. Vous devez vous y préparer à l'avance, mais la méthode traditionnelle consistant à faire fondre la glace sur des fils est inefficace, peu pratique, coûteuse et dangereuse. C'est pourquoi l'Institut de radioélectronique et d'automatisation de Moscou (MIREA) a développé une nouvelle technologie non seulement pour détruire la glace déjà gelée, mais également pour empêcher sa formation à l'avance.

Science et vie // Illustrations

Les plaques de glace sur les fils, les isolateurs et les structures de support atteignent parfois des tailles et un poids importants.

Des couches de glace de plusieurs tonnes sur les fils brisent même les supports en acier et en béton armé.

Générateur expérimental à 100 MHz d'une puissance de 30 W, assemblé chez MIREA.

La glace est un désastre pour les lignes électriques

Selon le dictionnaire de Dahl, la glace a un autre nom : glace ou glace. La glace, c'est-à-dire une croûte de glace dense, se forme lorsque des gouttes de pluie, de bruine ou de brouillard surfondues gèlent à une température de 0 à –5 ° C sur la surface de la terre et sur divers objets, y compris les lignes électriques à haute tension. L'épaisseur de glace sur eux peut atteindre 60 à 70 mm, ce qui alourdit considérablement les fils. Des calculs simples montrent que, par exemple, un fil AS-185/43 d'un diamètre de 19,6 mm et d'une longueur d'un kilomètre a une masse de 846 kg ; avec une épaisseur de glace de 20 mm, elle augmente de 3,7 fois, avec une épaisseur de 40 mm - de 9 fois, avec une épaisseur de 60 mm - de 17 fois. Dans le même temps, la masse totale d'une ligne de transport d'électricité composée de fils de huit kilomètres de long augmente respectivement à 25, 60 et 115 tonnes, ce qui entraîne la rupture des fils et la rupture des supports métalliques.

De tels accidents provoquent des dommages économiques importants ; leur élimination prend plusieurs jours et d'énormes sommes d'argent sont dépensées. Ainsi, selon les documents de la société OGRES, des accidents majeurs dus à la glace se sont produits à plusieurs reprises entre 1971 et 2001 dans 44 systèmes électriques de Russie. Un seul accident survenu sur les réseaux électriques de Sotchi en décembre 2001 a entraîné des dommages à 2 500 km de lignes électriques aériennes avec des tensions allant jusqu'à 220 kV et l'arrêt de l'alimentation électrique d'une vaste région. Il y a eu de nombreux accidents liés à la glace l'hiver dernier.

Les lignes électriques à haute tension sont les plus sensibles au verglas dans le Caucase (y compris dans la zone des prochains Jeux olympiques d'hiver de Sotchi en 2014), en Bachkirie, au Kamtchatka et dans d'autres régions de Russie et d'autres pays. Ce fléau doit être combattu d’une manière très coûteuse et extrêmement peu pratique.

Fusion électrique

La croûte de glace sur les lignes à haute tension est éliminée en chauffant les fils avec un courant continu ou alternatif avec une fréquence de 50 Hz à une température de 100-130°C. Le moyen le plus simple de procéder est de court-circuiter deux fils (dans ce cas, vous devez déconnecter tous les consommateurs du réseau). Supposons qu'un courant de I pl soit nécessaire pour faire fondre efficacement la croûte de glace sur les fils. Ensuite, lors de la fusion avec du courant continu, la tension de la source d'alimentation

U 0 = je pl R pr,

où R pr est la résistance active des fils, et le courant alternatif du réseau est

où X pr = 2FL pr - réactance à la fréquence F = 50 Hz, due à l'inductance des fils L pr.

Dans les lignes de longueur et de section considérables, en raison de leur inductance relativement grande, la tension de la source de courant alternatif à une fréquence de F = 50 Hz, et par conséquent sa puissance, devrait être 5 à 10 fois supérieure à celle d'un courant continu source de la même puissance. Par conséquent, il est économiquement rentable de faire fondre la glace avec du courant continu, même si cela nécessite de puissants redresseurs haute tension. Le courant alternatif est généralement utilisé sur les lignes à haute tension avec des tensions de 110 kV et moins, et le courant continu au-dessus de 110 kV. A titre d'exemple, rappelons qu'à une tension de 110 kV, le courant peut atteindre 1000 A, la puissance requise est de 190 millions de VA et la température du fil est de 130°C.

Ainsi, faire fondre la glace par courant électrique est une entreprise plutôt peu pratique, complexe, dangereuse et coûteuse. De plus, les fils nettoyés dans les mêmes conditions climatiques se recouvrent à nouveau de glace, qui doit être fondue encore et encore.

Avant de présenter l'essentiel de notre méthode proposée pour lutter contre le verglas sur les lignes électriques à haute tension, attardons-nous sur deux phénomènes physiques, dont le premier est associé à l'effet peau, le second à une onde électromagnétique progressive.

Effet peau et ondes progressives

Le nom de l'effet vient du mot anglais « skin » - skin. L'effet de peau est que les courants haute fréquence, contrairement au courant continu, ne sont pas répartis uniformément sur la section transversale du conducteur, mais sont concentrés dans une très fine couche de sa surface, dont l'épaisseur à une fréquence f > 10 kHz est déjà de quelques fractions de millimètre et la résistance des fils augmente des centaines de fois.

Les oscillations électromagnétiques à haute fréquence peuvent se propager dans l'espace libre (lorsqu'elles sont émises par une antenne) et dans des guides d'ondes, par exemple dans ce qu'on appelle de longues lignes le long desquelles l'onde électromagnétique glisse comme sur des rails. Une ligne aussi longue pourrait être une paire de fils de ligne électrique. Plus la résistance des fils de ligne est grande, plus la plus grande partie de l’énergie du champ électromagnétique de l’onde se propageant le long de la ligne est convertie en chaleur. C’est cet effet qui constitue la base d’une nouvelle méthode permettant d’éviter le gel sur les lignes électriques.

Dans le cas de dimensions limitées de la ligne ou de tout obstacle haute fréquence, par exemple une capacité, en plus de l'onde incidente, se propagera également dans la ligne une onde réfléchie dont l'énergie sera également transformée en chaleur au fur et à mesure qu'elle se propage de l’obstacle au générateur.

Les calculs montrent que pour protéger une ligne électrique d'environ 10 km de long de la glace, il faut un générateur haute fréquence d'une puissance de 20 kW, c'est-à-dire délivrant 2 W de puissance par mètre de fil. Le mode stationnaire de chauffage des fils se produit après 20 minutes. Et avec le même type de fil, l'utilisation du courant continu nécessite une puissance de 100 W par mètre avec une montée en puissance en 40 minutes.

Les courants haute fréquence sont générés par de puissants émetteurs radio VHF FM fonctionnant dans la plage 87,5-108 MHz. Ils peuvent être connectés aux fils des lignes électriques via un dispositif d'adaptation de charge - une ligne électrique.

Pour tester l'efficacité de la méthode proposée, une expérience en laboratoire a été menée au MIREA. Un générateur de 30 W avec une fréquence de 100 MHz a été connecté à une ligne bifilaire de 50 m de long, ouverte à son extrémité, avec des fils d'un diamètre de 0,4 mm et espacés de 5 mm.

Sous l'influence d'une onde électromagnétique progressive, la température de chauffage de la ligne à deux fils était de 50 à 60°C à une température de l'air de 20°C. Les résultats expérimentaux ont coïncidé avec les résultats des calculs avec une précision satisfaisante.

conclusions

La méthode proposée nécessite bien entendu des tests minutieux dans les conditions réelles d'un réseau électrique existant avec des expériences à grande échelle, car une expérience en laboratoire ne permet que de donner une première évaluation préliminaire d'une nouvelle méthode de lutte contre la glace. Mais certaines conclusions peuvent encore être tirées de tout ce qui a été dit :

1. Le réchauffement des lignes électriques avec des courants à haute fréquence empêchera la formation de glace sur les fils, car ils peuvent être chauffés à 10-20°C sans attendre la formation de glace dense. Il n'est pas nécessaire de déconnecter les consommateurs du réseau électrique - le signal haute fréquence n'y pénétrera pas.

Soulignons : cette méthode permet d'éviter l'apparition de glace sur les fils, et de ne pas commencer à la combattre une fois que le « manteau » de glace les a enveloppés.

2. Étant donné que les fils peuvent être chauffés à seulement 10-20°C, la consommation d'électricité est considérablement réduite par rapport à la fusion, qui nécessite de chauffer les fils à 100-130°C.

3. La résistance des fils aux courants haute fréquence par rapport à l'industriel (50 Hz) augmentant fortement, le coefficient de conversion de l'énergie électrique en énergie thermique s'avère élevé. Cela entraîne à son tour une réduction de la puissance requise. Au début, apparemment, vous pouvez vous limiter à une fréquence d'environ 100 MHz d'un générateur d'une puissance de 20 à 30 kW, en utilisant les émetteurs radio de diffusion existants.

Littérature

Dyakov A.F., Zasypkin A.S., Levchenko I.I. Prévention et élimination des accidents de verglas dans les réseaux électriques. - Piatigorsk : Maison d'édition RP "Yuzhenergotekhnadzor", 2000.

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Yavorsky B. M., Detlaf A. A. Manuel de physique. - M. : Nauka, 1974.

Utilisation : dans le domaine de l'électrotechnique. Le résultat technique consiste à empêcher la formation de glace sur les fils des lignes électriques sans qu'il soit nécessaire de débrancher la ligne pour maintenance. La méthode consiste à connecter les doubles fils d'une ligne électrique connectée à une phase avec des cavaliers élastiques, par exemple des ressorts, fournissant vibrations mécaniques fils aux paramètres standard du courant électrique qui les traverse. En fonctionnement normal, les lignes de transport d'énergie, lors du passage du courant alternatif, des paires de fils de même phase reliés par un ressort effectuent en permanence des mouvements oscillatoires, ce qui assure un secouement continu des gouttes d'humidité et de neige et empêche ainsi le givrage. 1 salaire f-ly, 2 malades.

L'invention concerne l'industrie de l'énergie électrique et peut être utilisée pour l'exploitation de lignes électriques à courant alternatif. Il existe des procédés mécaniques, électriques et chimiques connus pour éliminer la glace des fils de lignes électriques.

Les méthodes mécaniques impliquent l'utilisation de dispositifs spéciaux pour éliminer la glace des fils. L'inconvénient de tels dispositifs est une faible productivité et la possibilité d'endommagement et de déformation des fils lors du processus d'élimination de la glace, ce qui entraîne des ruptures de réseau et s'accompagne d'une usure accélérée des fils.

Les méthodes chimiques consistent à appliquer sur les fils des substances spéciales qui empêchent la formation de glace ou assurent sa destruction. Le processus de candidature demande beaucoup de travail. De plus, ces substances ont une durée de vie courte et nécessitent donc un renouvellement périodique tout au long de la saison des glaces.

Les méthodes électriques pour éliminer la glace consistent à chauffer ou à secouer des fils avec des impulsions de courant pour faire fondre la glace ou empêcher sa formation.

Comme prototype, une méthode a été choisie pour éliminer la glace des fils du réseau de contacts et des lignes électriques, qui consiste à faire passer un courant alternatif ou des impulsions de courant avec une fréquence proche de leur résonance mécanique à travers des fils de lignes électriques doubles ou multiples. Les vibrations mécaniques des fils qui en résultent assurent l'élimination de l'humidité et de la glace. Les inconvénients de cette méthode sont :

La nécessité de déconnecter la ligne électrique pour maintenance en raison du fait que les paramètres de courant nécessaires pour assurer la résonance mécanique des fils peuvent différer considérablement du courant standard ;

La nécessité d'une source auxiliaire de courant pulsé ou alternatif avec la fréquence d'impulsion ajustée à la fréquence de résonance des fils ;

La nécessité de recourir à des équipes mobiles pour livrer les équipements dans les zones de givrage, ce qui peut être associé à des coûts importants lorsque l'on travaille dans des zones difficiles d'accès et dans des conditions de formation intense de glace ;

L'impossibilité d'une utilisation fréquente de cette méthode nécessite une augmentation de la puissance des impulsions de courant qui secouent les fils, ce qui peut entraîner des dommages mécaniques et une rupture des fils.

L'objectif de l'invention est d'empêcher la formation de glace sur les fils des lignes électriques pendant le fonctionnement normal sans qu'il soit nécessaire de les arrêter pour maintenance.

Cet objectif est atteint grâce au fait que dans la méthode proposée, des paires de fils de lignes électriques connectées à la même phase sont reliées par des cavaliers élastiques, par exemple des ressorts dont les paramètres sont choisis de manière à assurer des vibrations mécaniques continues des fils aux paramètres standards du courant traversant la ligne électrique. La disposition des fils et des cavaliers est illustrée à la Fig.1.

La méthode pour éviter le givrage est présentée à la Fig. 2 et consiste dans le fait que dans le mode de fonctionnement normal d'une ligne de transport d'électricité, lors du passage du courant alternatif, des paires de fils de même phase reliés par des cavaliers élastiques effectuent en permanence des mouvements oscillatoires, repoussant sous l'action de la force élastique du sauteur F Y et attirant sous l'influence de la force de Lorentz F L :

où d est la distance entre les fils ; I 1, I 2 - intensité du courant dans les fils ; µ, µ 0 - perméabilité magnétique du milieu et du vide ; l est la longueur des fils.

La vibration continue des fils conduit à secouer les gouttes d'eau, de neige et de glace et empêche ainsi le givrage, et conduit également à la fissuration de la croûte de glace lors de sa formation.

Ainsi, en fonctionnement normal d'une ligne de transport d'électricité, les causes du givrage des fils sont éliminées, et non ses conséquences, ce qui élimine le besoin d'arrêts pour maintenance et réduit les coûts requis en ressources et en énergie.

Sources d'informations

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1. Procédé pour éviter le givrage des fils des lignes électriques aériennes à courant alternatif, qui consiste à faire passer du courant alternatif à travers des fils doubles ou multiples de la ligne électrique, caractérisé en ce que les fils connectés à une phase sont reliés par des cavaliers élastiques qui assurent des vibrations mécaniques des fils aux paramètres normaux du courant électrique qui les traverse.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le courant électrique transmis a des paramètres standards, qui assurent la continuité du processus d'élimination des gouttes d'eau, de neige et de glace des fils.

Brevets similaires :

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L'invention concerne l'industrie de l'énergie électrique et peut être utilisée pour l'exploitation de lignes électriques à courant alternatif.

Utilisation : dans le domaine de l'électrotechnique. Le résultat technique consiste à empêcher la formation de glace sur les fils des lignes électriques sans qu'il soit nécessaire de débrancher la ligne pour maintenance. La méthode consiste à connecter les fils doubles d'une ligne de transport d'énergie connectée à une phase avec des cavaliers élastiques, par exemple des ressorts, qui assurent des vibrations mécaniques des fils aux paramètres standards du courant électrique qui les traverse. En fonctionnement normal, les lignes de transport d'énergie, lors du passage du courant alternatif, des paires de fils de même phase reliés par un ressort effectuent en permanence des mouvements oscillatoires, ce qui assure un secouement continu des gouttes d'humidité et de neige et empêche ainsi le givrage. 1 salaire f-ly, 2 malades.

Dessins pour le brevet RF 2474939