Устройство телеизмерения гололедной, ветровой и гололедно-ветровой нагрузок на провод промежуточного пролета воздушной линии электропередачи с индикацией относительного направления ветра

Устройство телеизмерения гололедной, ветровой и гололедно-ветровой нагрузок на провод промежуточного пролета воздушной линии электропередачи с индикацией относительного направления ветра

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Устройство телеизмерения гололедной, ветровой и гололедно-ветровой нагрузок на провод промежуточного пролета воздушной линии электропередачи с индикацией относительного направления ветра.

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для дистанционного непрерывного в реальном масштабе времени измерения величин гололедных, ветровых и гололедно-ветровых нагрузок на провод (фазный провод или грозозащитный трос) промежуточного пролета воздушной линии электропередачи с индикацией относительного направления ветра при мониторинге воздушных линий электропередачи, в том числе и для проведения своевременной плавки гололедно-изморозевых и снеговых отложений на проводах (тросах) линии, предотвращающей аварии воздушных линий электропередачи из-за механических перегрузок ее элементов. Устройство может быть также использовано для получения и накопления статистической информации с целью составления карт районирования по гололедным и ветровым нагрузкам.

Уровень техники.

Известны устройства для контроля гололедной нагрузки на провод воздушных линий электропередачи с силоизмерительным датчиком, подвешенным между траверсой опоры и гирляндой изоляторов, на нижний конец которой подвешен и закреплен фазный провод [1, 2].

Недостатком таких устройств является то, что они измеряют суммарную гололедно-ветровую нагрузку на провод, не разделяя ее на составляющие гололедную и ветровую, что необходимо делать для исключения некоторой части необоснованных плавок отложений.

Известно устройство для измерения гололедной и ветровой нагрузок на воздушных линиях электропередачи, основанное на вычислении гололедной и ветровой нагрузок по измеренным величинам гололедно-ветровой нагрузки и угла отклонения гирлянды изоляторов с проводом под действием ветра [3]. Существенными недостатками этого устройства является, во-первых, то, что оно не контролирует относительное направление ветра, во-вторых, не работает в случае отсутствия тока нагрузки в фазном проводе, подвешенном на гирлянде изоляторов с силоизмерительным датчиком, а также в случае плавки отложений на проводах постоянным током.

Большая часть отмеченных недостатков устранена в устройстве для измерения гололедной, ветровой и гололедно-ветровой нагрузок с контролем направления ветра на воздушных линиях электропередачи [4]. Оно содержит три силоизмерительных датчика, каждый из которых подвешен между горизонтальной траверсой П-образной опоры и верхним концом соответствующей гирлянды изоляторов с фазным проводом. Нижний конец средней гирлянды изоляторов закреплен с двух сторон горизонтальными шарнирными изоляционными распорками в растяжку к обоим стойкам опоры, а концы правой и левой гирлянд изоляторов закреплены соответственно слева и справа к стойкам опоры такими же изоляционными распорками. При ветре слева или справа отклоняется соответственно по ветру левая или правая гирлянда изоляторов с фазным проводом, и тогда ее силоизмерительный датчик измеряет суммарную гололедно-ветровую нагрузку, в то время как средняя гирлянда не отклоняется, и ее датчик измеряет только гололедную нагрузку. По величинам гололедно-ветровой и гололедной нагрузок нелинейные преобразователи вычисляют ветровую нагрузку, которая вместе с гололедной нагрузкой отображается измерительными приборами.

Существенными недостатками этого устройства являются ограниченная область применения его только на промежуточных пролетах с двухстоечными П-образными опорами одноцепных линий, потому что только на опорах этого типа могут быть выполнены определенные принципом работы устройства условия по подвеске трех силоизмерительных датчиков (по одному на каждый фазный провод) на горизонтальной траверсе опоры и условия по механическому закреплению гирлянд изоляторов с датчиками и фазными проводами через шарнирные изоляционные распорки к обеим опорам. Кроме того, это устройство принципиально не может быть использовано для измерения гололедной, ветровой и гололедно-ветровой нагрузок на грозозащитный трос, т.к. в реальных линиях тросов не более 2-х и их нельзя включить в силовую схему, требуемую согласно описанию устройства. Существенными недостатками устройства следует считать также и то, что оно измеряет, но не индицирует гололедно-ветровую нагрузку на фазный провод, а также и то, что в устройстве в явном виде не формируется сигнал относительного направления ветра, и, соответственно, отсутствует сам индикатор относительного направления ветра. К тому же, это устройство требует большого количества дополнительного высоковольтного оборудования, устанавливаемого на опоре.

Большая часть отмеченных недостатков устранена в устройстве телеизмерения гололедной нагрузки на фазных проводах (грозотросах) воздушной линии электропередачи, выбранном в качестве прототипа [5].

Это устройство содержит канал телепередачи, коммутатор и два силоизмерительных датчика, каждый из которых подвешен подвижно между траверсой опоры и верхним концом соответствующей гирлянды изоляторов, нижние концы обоих гирлянд изоляторов соединены между собой шарнирно, образуя V-образную подвеску, на которую подвешен и закреплен провод.

Недостатками этого устройства является то, что оно не измеряет ветровую и гололедно-ветровую нагрузки на провод (трос) промежуточного пролета и не контролирует относительное направление ветра.

Сущность изобретения.

Целью изобретения является существенное расширение функциональных возможностей устройства, позволяющих ему измерять гололедно-ветровую, ветровую и гололедную нагрузки на провод (трос) промежуточного пролета воздушной линии электропередачи и контролировать относительное направление ветра.

Поставленная цель достигается тем, что, сохраняя принцип работы и конструкцию механической подвески и крепления силоизмерительных датчиков к траверсе опоры, была введена углубленная дифференциальная обработка сигналов с силоизмерительных датчиков, находящихся в симметричной механической системе V-образной подвески и крепления провода, имеющей исходный механический баланс. Введенная обработка существенно расширила функциональные возможности устройства - оно дополнительно вычисляет и отображает ветровую и гололедно-ветровую нагрузки на провод промежуточного пролета линии и относительное направление ветра.

Заявляемое устройство обеспечивает непрерывное, в реальном масштабе времени, телеизмерение гололедной, ветровой и гололедно-ветровой нагрузок на фазный провод (грозозащитный трос) промежуточного пролета воздушной линии электропередачи и индикацию относительного направления ветра на линиях с любыми рабочими напряжениями на любых типах опор.

Раскрытие изобретения.

Предметом изобретения является устройство телеизмерения гололедной, ветровой и гололедно-ветровой нагрузок на провод промежуточного пролета воздушной линии электропередачи с индикацией относительного направления ветра, содержащее канал телепередачи и два силоизмерительных датчика, при этом каждый датчик подвешен подвижно между траверсой опоры и соответствующей гирляндой изоляторов, нижние концы обоих гирлянд изоляторов соединены между собой шарнирно, образуя V-образную подвеску, на которую подвешен и закреплен провод, а верхние концы датчиков крепятся к траверсе опоры на расстоянии друг от друга, равном длине гирлянды изоляторов с датчиком, образуя с V-образной подвеской равносторонний треугольник, отличающееся согласно изобретению тем, что дополнительно введены второй канал телепередачи, двухвходой компаратор, три функциональных преобразователя, формирователь регулируемого смещения, сумматор, трехвходовой индикатор относительного направления ветра, измерительный прибор гололедно-ветровой нагрузки, измерительный прибор ветровой нагрузки и измерительный прибор гололедной нагрузки, причем первый и второй силоизмерительные датчики соответственно через первый и второй каналы телепередачи подключены параллельно к соответствующим входам компаратора, первого и второго функциональных преобразователей, на выход первого функционального преобразователя подключен измерительный прибор гололедно-ветровой нагрузки и первый вход третьего функционального преобразователя, на выход второго функционального преобразователя подключен второй вход третьего функционального преобразователя и первый вход сумматора, на второй вход сумматора подключен выход формирователя регулируемого смещения, на выход сумматора подключен измерительный прибор гололедной нагрузки, на выход третьего функционального преобразователя подключен измерительный прибор ветровой нагрузки, а каждый из трех выходов компаратора подключен к одноименному входу трехвходового индикатора относительного направления ветра.

Указанная совокупность признаков позволяет достичь целей изобретения - предложенное устройство телеизмерения одновременно и непрерывно измеряет величины гололедной, ветровой и гололедно-ветровой нагрузок на провод (трос) промежуточного пролета воздушной линии электропередачи и отображает результаты измерений на соответствующих измерительных приборах, формирует и индицирует относительное направление ветра на индикаторе относительного направления ветра.

Следует отметить, что эта совокупность признаков не является суммой технических решений, известных из аналогов и прототипа, т.к. содержит отличительные от прототипа признаки, отсутствующие также и в аналогах. Действительно, хотя в прототипе (как и в заявленном устройстве) имеются силоизмерительные датчики с гирляндами изоляторов и проводом, закрепленные аналогично на траверсе опоры, канал телепередачи, но оно измеряет только гололедную нагрузку вместе с весом двух гирлянд изоляторов с проводом промежуточного пролета (в действительности, устройство согласно описанию фиксирует величину гололедной нагрузки вместе с весом двух гирлянд изоляторов с проводом промежуточного пролета в момент равенства нагрузок на первый и второй силоизмерительные датчики). В заявляемое устройство введены новые элементы: компаратор, три функциональных преобразователя, формирователь регулируемого смещения, сумматор, индикатор относительного направления ветра, три измерительных прибора гололедно-ветровой, гололедной и ветровой нагрузок, которые во взаимодействии позволяют решить задачи обработки входных сигналов с силоизмерительных датчиков и индикации четырех выходных параметров.

Описание осуществления изобретения.

Осуществление изобретения поясняет шестью чертежами, представленных на фиг.1-фиг.6.

На фиг.1 показана функциональная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 - векторные диаграммы работы силоизмерительных датчиков при четырех возможных вариантах нагрузок на провод промежуточного пролета, на фиг.3 приведен вариант технической реализации двух каналов телепередачи в виде одного общего канала телепередачи с временным уплотнением, на фиг.4-6 показаны схемы функциональных преобразователей, реализующих вычисления по величинам нагрузок на датчики, соответственно, гололедно-ветровой, гололедной и ветровой нагрузок.

На фиг.1 слева показана схема установки силоизмерительных датчиков 1 и 2 между нижней траверсой 31 одностоечной промежуточной опоры 30 и верхними концами гирлянд изоляторов 22 и 27, поддерживающих фазный провод 26. На фиг.1 справа приведена функциональная схема собственно самого устройства. Устройство содержит два силоизмерительных датчика 1 и 2, два канала телепередачи 3 и 4, двухвходовой компаратор 5, три функциональных преобразователя 6, 7 и 9, формирователь регулируемого смещения 8, сумматор 10, индикатор относительного направления ветра 11, измерительной прибор гололедно-ветровой нагрузки 12, измерительный прибор ветровой нагрузки 13, измерительный прибор гололедной нагрузки 14.

На фиг.3 показан вариант технической реализации двух каналов телепередачи 3 и 4 в виде одного общего канала телепередачи с временным уплотнением, имеющего два входа от датчиков 1 и 2 на коммутатор 15, общий канал телепередачи 16, устройство выборки и хранения с двумя отдельными выходами 17, формирователь синхронизирующих импульсов 18.

На фиг.4 представлена схема первого функционального преобразователя 6, имеющего два входа N₁ и N₂, включающего в себя четыре умножителя 19, два сумматора 10 и элемента извлечения квадратного корня 20.

На фиг.5 приведена схема второго функционального преобразователя 7, имеющего два входа N₁ и N₂ и состоящего из сумматора 10 и умножителя 19.

На фиг.6 показана схема третьего функционального преобразователя 9 и векторная диаграмма его работы. Преобразователь 9 имеет два входа N_сум и V и состоит из двух умножителей 19, сумматора 10 и элемента извлечения квадратного корня 20. На векторной диаграмме V₀ - вес двух гирлянд изоляторов с проводом промежуточного пролета, V' - вес отложений на проводе, V - суммарный вес двух гирлянд изоляторов с проводом промежуточного пролета с весом отложений на нем, Р_В - ветровая нагрузка и N_сум - суммарная гололедно-ветровая нагрузка на провод с весом двух гирлянд изоляторов и провода промежуточного пролета.

Устройство работает следующим образом.

Силовая нагрузка на V-образную подвеску провода в общем случае состоит из трех составляющих: веса двух гирлянд изоляторов с проводом промежуточного пролета V₀, веса отложений на этом проводе V' и силового воздействия ветра Р_B. Действуют эти три составляющие независимо друг от друга, и первая составляющая не может быть равной нулю. Учитывая эти обстоятельства, при одновременном действии составляющих возможны четыре варианта силовой нагрузки на V-образную подвеску провода.

Первый вариант - отложений на проводе нет (V'=0), ветра нет (P_B=0), и, следовательно, датчики 1 и 2 воспринимают вес двух гирлянд изоляторов 22 и 27 вместе с весом провода 26 промежуточного пролета (V₀), выходные сигналы датчиков 1 и 2 равны между собой (N₁=N₂), тогда V=V₀, N_сум=V₀ (фиг.2,а). Во втором варианте - есть отложения на проводе (V'≠0), нет ветра (P_B=0), к весу двух гирлянд изоляторов 22 и 27 с проводом 26 промежуточного пролета добавляется вес отложений (гололедная нагрузка V'), сигналы с датчиков равны между собой, но больше по величине, чем в первом варианте (N'₁=N'₂>N₁=N₂), и V=V₀+V', N_сум=V₀+V' (фиг.2,б). При третьем варианте - отложений на проводе нет (V'=0), есть ветер справа налево (Р_B≠0), к весу двух гирлянд изоляторов 22 и 27 с проводом 26 промежуточного пролета перпендикулярно добавляется ветровая нагрузка (Р_B), выходные сигналы датчиков не равны (N₁>N₂) и (фиг.2,в). При четвертом варианте, - есть отложения на проводе (V'≠0) и есть ветер (Р_B≠0), к весу двух гирлянд изоляторов 22 и 27 с проводом 26 промежуточного пролета добавляется вес отложений на проводе (гололедная нагрузка V') и перпендикулярно добавляется ветровая нагрузка (Р_B), сигналы с датчиков не равны между собой (N₁≠N₂) и, как правило, больше по величинам, чем в трех предыдущих вариантах и

Более подробно рассмотрим работу предлагаемого устройства при комбинированном воздействии ветра и отложений на провод по четвертому варианту (фиг.2,г.), а для остальных трех вариантов силовых нагрузок отметим только изменения в его работе, обусловленные отсутствием тех или иных составляющих нагрузки.

Предположим, что на провод 26 с отложениями с некоторой силой воздействует (дует) ветер слева направо поперек оси визирования воздушной линии электропередачи, как показано на фиг.2,г. Сигнал N₁>N₂ и наоборот, если ветер дует справа налево, то сигнал N₁<N₂. Сигналы N₁ и N₂ в виде напряжений или токов соответственно через каналы телепередачи 3 и 4 поступают параллельно на соответствующие входы компаратора 5 и функциональных преобразователей 6 и 7. На компараторе 5 эти сигналы N₁ и N₂ сравниваются между собой по величине, в результате чего на соответствующем выходе компаратора формируется один из трех возможных выходных сигналов: "левый" ветер - если N₁>N₂ (ветер дует относительно оси визирования промежуточного пролета слева направо), "штиль" - если N₁=N₂, "правый" ветер - если N₂>N₁ (ветер дует относительно оси визирования промежуточного пролета справа налево). Соответствующий выходной сигнал компаратора 5 поступает на соответствующий вход индикатора относительного направления ветра 11, где индицируется.

Функциональный преобразователь 6, функциональная схема которого приведена на фиг.4, по величинам входных сигналов N₁ и N₂ вычисляет величину гололедно-ветровой нагрузки N_сум по выражению . В этом выражение угол β=180°-α, а угол α - это угол между осями гирлянд изоляторов в месте их соединения и крепления провода. Для обеспечения равной чувствительности датчиков V-образной подвески по гололедной V' и ветровой Р_B составляющих нагрузки подвески угол α должен быть равным 60°, т.е. V-образная подвеска должна представлять равносторонний треугольник. Иногда для получения разной чувствительности или из-за конструктивных особенностей опоры ВЛ угол α может быть не равным 60° и тогда для сохранения описанного принципа работы устройства телеизмерения V-образная подвеска должна иметь две равных стороны с датчиками - равнобедренный треугольник. Для равностороннего и равнобедренного треугольника выражения для вычисления суммарной нагрузки N_сум не изменится. На схеме фиг.4 элементы 19 являются двухвходовыми умножителями входных сигналов, элементы 10 - сумматоры, элемент 20 - блок извлечения квадратного корня из входного сигнала.

Функциональный преобразователь 7, функциональная схема которого приведена на фиг.5, по величинам входных сигналов N₁ и N₂ вычисляет суммарную величину V - веса двух гирлянд изоляторов с проводом промежуточного пролета и отложений на нем по выражению V=(N₁+N₂)×sinβ. В состав преобразователя 7 входят сумматор 10 и двухвходовой умножитель 19.

Сигнал гололедно-ветровой нагрузки N_сум с выхода функционального преобразователя 6 поступает на первый вход функционального преобразователя 9 и на индикатор гололедно-ветровой нагрузки 12, где и отображается. Сигнал суммарной нагрузки V, состоящий из гололедной нагрузки V' и веса двух гирлянд изоляторов с проводом промежуточного пролета V₀, с выхода функционального преобразователя 7 поступает на второй вход функционального преобразователя 9 и на первый вход сумматора 10. Преобразователь 9, функциональная схема которого представлена на фиг.6, производит вычисление величины ветровой нагрузки по выражению . В преобразователе 9 элементы 19 являются умножителями входных сигналов N_сум и V, элемент 10 - сумматор (вычитатель) и элемент 20 - блок извлечения квадратного корня из входного сигнала. Сигнал ветровой нагрузки Р_B с выхода функционального преобразователя 9 (фиг.1) поступает на индикатор ветровой нагрузки 13, где и отображается. На второй вход сумматора 10 с выхода формирователя регулируемого смещения 8 поступает сигнал V₀, величина которого пропорциональна весу двух гирлянд изоляторов с проводом промежуточного пролета без отложений на нем. Сумматор 10 из сигнала V=V₀+V' вычитает сигнал V₀, и разница в виде сигнала гололедной нагрузки V' (вес отложений) поступает на индикатор гололедной нагрузки 14, где и индицируется.

При третьем варианте нагрузки - отложений на проводе нет, но есть боковой ветер справа налево, индикатор относительного направления ветра 11 отобразит "левое" направление ветра, индикатор 12 покажет нагрузку на провод промежуточного пролета от воздействия ветра и веса двух гирлянд изоляторов с проводом , индикатор ветровой нагрузки 13 покажет действующую ветровую нагрузку Р_B, сформированную в функциональном преобразователе 9, индикатор гололедной нагрузки 14 покажет нуль (V'=0), т.к. V=V₀ и на сумматоре 10 они вычитаются (V-V₀=0).

При втором варианте нагрузки - есть отложения на проводе, бокового ветра нет, сигналы N₁=N₂, компаратор 5 выдаст сигнал "штиль", индикатор гололедно-ветровой нагрузки 12 покажет гололедную нагрузку с весом двух гирлянд изоляторов с проводом промежуточного пролета (N_сум=V=V₀+V'), величина ветровой нагрузки на выходе функционального преобразователя 9 будет равна нулю (Р_B=0), величина гололедной нагрузки V', сформированная в сумматоре 10, будет меньше величины N_сум на величину V₀, и она отобразится на индикаторе гололедной нагрузки 14.

При первом варианте нагрузки - нет отложений и нет ветра индикатор 11 покажет "штиль", индикаторы ветровой нагрузки 13 и гололедной нагрузки 14 покажут нуль (Р_B=0, V'=0), а индикатор 12 покажет вес двух гирлянд изоляторов с проводом промежуточного пролета без отложений (N_сум=V₀). В этом случае, регулировкой выходного сигнала V₀ формирователя регулируемого смещения 8 устанавливают нуль по измерительному прибору 14, и в последующем эта регулировка не меняется.

В вышеприведенной части описания заявляемого устройства первый 3 и второй 4 каналы телепередачи фиг.1 представлены в виде отдельных каналов телепередачи. Для уменьшения ошибок передачи из-за разности параметров отдельных каналов телепередачи и уменьшение аппаратурных затрат в настоящее время в системах телеметрии используют один общий канал телепередачи с временным или частотным уплотнением. Вариант общего канала телепередачи с временным уплотнением представлен на фиг.3. Этот общий канал телепередачи, с помощью последовательности синхронизирующих импульсов с формирователя 18, поочередно подключает первый вход (датчик 1) на первый выход (первый вход компаратора 5), а второй вход (датчик 2) на второй выход (второй вход компаратора 5) через общий канал телепередачи 16. Устройство выборки и хранения 17 обеспечивает постоянство сигнала на выходах в период между очередными переключениями ключей 15.

Так как все остальные климатические воздействия (температура, давление, влажность и т.д.) и изменения режимов работы воздушной линии электропередачи оказывают практически одинаковое влияние на гирлянды изоляторов, силоизмерительные датчики, каналы телепередачи, а сравнение сигналов датчиков производится дифференциально (относительно друг друга), то перечисленные воздействия практически не влияют на точность измерений, и устройство на всех типах опор воздушных линий электропередачи дистанционно, непрерывно, в реальном масштабе времени, измеряет гололедную, ветровую и гололедно-ветровую нагрузку на фазный провод или (и) на грозозащитный трос промежуточного пролета воздушной линии электропередачи и индицирует относительное направление ветра.

Источники информации

1. Авт. свид. СССР №1173473, МПК Н 02 G 7/16, 1985.

2. Авт. свид. СССР №1539885, МПК Н 02 G 7/16, 1990.

3. Патент на изобретение РФ №2145758, МПК Н 02 G 7/16, 2000.

4. Патент на изобретение №2212744, МПК Н 02 G 7/16, 2003.

5. Авт. свид. СССР №519806, МПК Н 02 G 7/16, 1976.

1. Устройство телеизмерения гололедной, ветровой и гололедно-ветровой нагрузок на провод промежуточного пролета воздушной линии электропередачи с индикацией относительного направления ветра, содержащее канал телепередачи и два силоизмерительных датчика, каждый из которых подвешен подвижно между траверсой опоры и соответствующей гирляндой изоляторов, нижние концы обеих гирлянд изоляторов соединены между собой шарнирно, образуя V-образную подвеску, на которой закреплен провод, при этом верхние концы датчиков крепятся к траверсе опоры на расстоянии друг от друга, равном длине гирлянды изоляторов с датчиком, образуя с V-образной подвеской равносторонний треугольник, отличающееся тем, что дополнительно введены второй канал телепередачи, двухвходовой компаратор, три функциональных преобразователя, формирователь регулируемого смещения, сумматор, трехвходовой индикатор относительного направления ветра, измерительный прибор гололедно-ветровой нагрузки, измерительный прибор ветровой нагрузки и измерительный прибор гололедной нагрузки, причем первый и второй силоизмерительные датчики соответственно через первый и второй каналы телепередачи подключены параллельно к соответствующим входам компаратора, первого и второго функциональных преобразователей, на выход первого функционального преобразователя подключен измерительный прибор гололедно-ветровой нагрузки и первый вход третьего функционального преобразователя, на выход второго функционального преобразователя подключен второй вход третьего функционального преобразователя и первый вход сумматора, на второй вход сумматора подключен выход формирователя регулируемого смещения, на выход сумматора подключен измерительный прибор гололедной нагрузки, на выход третьего функционального преобразователя подключен измерительный прибор ветровой нагрузки, а каждый из трех выходов компаратора подключен к одноименному входу трехвходового индикатора относительного направления ветра.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что верхние концы датчиков крепятся к траверсе опоры на расстоянии друг от друга, не равном длине гирлянды изоляторов с датчиком, образуя с V-образной подвеской треугольник с двумя равными сторонами.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый и второй каналы телепередачи выполнены в виде одного общего канала телепередачи с временным уплотнением, в котором вход и выход соединяются поочередно и соответственно: выход первого силоизмерительного датчика с первым выходом общего канала передачи, а выход второго силоизмерительного датчика со вторым выходом общего канала передачи.