Датчик, способ и система текущего контроля линий электропередачи

Датчик, способ и система текущего контроля линий электропередачи

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА ПРЕДШЕСТВУЮЩИЕ ЗАЯВКИ НА ИЗОБРЕТЕНИЕ

Эта заявка на изобретение претендует на преимущество находящейся в процессе одновременного рассмотрения предварительной заявки на патент США №60/825093, поданной 8 сентября 2006, которая включена сюда в полном объеме путем ссылки.

УВЕДОМЛЕНИЕ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ И ОПЫТНО-КОНСТРУКТОРСКИХ РАБОТАХ, ФИНАНСИРУЕМЫХ ФЕДЕРАЛЬНЫМ ПРАВИТЕЛЬСТВОМ США

Это изобретение было сделано при поддержке федерального правительства США по контракту DE-FG02-05ER84159, заключенному с Министерством энергетики США. Правительство имеет определенные права в этом изобретении.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Это изобретение относится к надежному, дешевому, бесконтактному, неинвазивному, высокоточному датчику с высокой разрешающей способностью, который одновременно осуществляет текущий контроль провисания проводов высоковольтных линий электропередачи, температуры, максимальной токонесущей способности (или "допустимой токовой нагрузки провода в амперах") и тока фазы. Учитывая эти данные, система может производить оценку располагаемой пропускной способности ("ATC", далее - "РПС") и производить динамическую оценку цепи. Система из этого изобретения функционирует очень хорошо даже с минимальным количеством установленных датчиков, и система может быть сконфигурирована либо в полностью портативном виде, либо как установленная для длительного использования. В предложенных в настоящем изобретении компьютеризированной системе и способе используют магнитное поле, создаваемое воздушными линиями передачи и распределения электроэнергии, для определения свойств воздушных фазных проводов и тока в них. Система целесообразно использует тот факт, что магнитное поле от фазных проводов является более устойчивым, чем электрическое поле проводов. Электрическое поле, или "e-поле", легко искажается под влиянием погоды и из-за влияния земли, потому использование магнитного поля обеспечивает более устойчивую систему, которая может использоваться при разнообразных внешних условиях.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Рост потребностей в электроэнергии стал значительно более быстрым, чем способность систем передачи электроэнергии обеспечивать ее подачу, и надежно обеспечивать ее подачу. В результате, воздушная система передачи и распределения электроэнергии работает в таком режиме, для которого она не была спроектирована; узкие места и перегрузка, нарушения энергоснабжения, повреждения оборудования и неисправности системы становятся широко распространенными и происходят с постоянно увеличивающейся частотой.

Контроль важных линий электропередачи, работающих с перегрузкой, в реальном времени улучшил бы надежность, снизил бы перегрузку, увеличил бы располагаемую пропускную способность ("РПС") и позволил бы безопасно передавать больше электроэнергии через существующие цепи, чем возможно в настоящее время. В результате, существующая система обслуживала бы большее потребление; могли бы быть увеличены доходы от эксплуатации, и некоторые стимулируемые потреблением затраты на новое строительство и модернизацию могли бы быть сокращены. В то же самое время может быть повышена безотказность работы системы, ее надежность и пропускная способность передачи электроэнергии.

Существующие системы текущего контроля и динамической оценки цепи по нагреву ("DTCR") в реальном времени ("RT") имеют весьма большую общую установочную стоимость. Большая стоимость и другие проблемы, связанные с этой продукцией, препятствовали проникновению на рынок, одобрению, использованию и развитию этих технологий. Датчик из этого изобретения будет намного менее дорогостоящим, чем существующий датчик и существующие технологии DTCR, он будет способен обеспечивать легкую и быструю установку и калибровку и даст возможность реализации широко распространенной, дешевой системы DTCR.

Усовершенствования, необходимые для освобождения узких мест и для уменьшения перегрузки в линиях электропередачи при одновременном сохранении надежности, были тщательно изучены, подробно описаны и неоднократно рекомендованы. В лучшем случае этот объем работ стоимостью 50-100 миллиардов долларов США рассчитан на десятилетия. Несмотря на то что необходимые усовершенствования по большей части являются понятными и уже были детализированы и запланированы для исполнения, начало их реализации является очень медленным. Несмотря на то что реализация части этих усовершенствований (в том числе, заметное новое строительство) началась в конце 1990-х годов и осуществляется в настоящее время, скорость реализации усовершенствований все еще очень значительно отстает от роста потребностей.

Перегрузки стоят потребителям электроэнергии, приблизительно, четыре миллиарда долларов в год. Затраты, связанные с перегрузкой, могли бы быть значительно уменьшены, если была бы обеспечена возможность передачи большего количества электроэнергии по воздушным линиям электропередачи, работающим с перегрузкой, при одновременном сохранении надежности. Увеличенная пропускная способность улучшила бы надежность сети за счет предоставления регионам возможности совместного использования резервов пропускной способности. Текущий контроль параметров сети, работающей с перегрузкой, в реальном времени - является точкой сосредоточения усилий, направленных на обеспечение более высокой эффективности и надежности сети путем усовершенствованных измерений и визуализации сети. Эти параметры включают в себя, в том числе, провисание, температуру, ток, допустимую токовую нагрузку провода в амперах и РПС ("располагаемая пропускная способность"). Когда эти параметры могут быть определены точно и в реальном времени, то может быть выявлена латентная или "скрытая" пропускная способность; в таком случае она может быть проконтролирована, определена количественно, зарегистрирована и смоделирована. В конечном счете, и что является еще более важным, такая пропускная способность может быть увеличена посредством динамической оценки цепи по нагреву и эксплуатации с ее учетом. Системы динамической оценки цепи по нагреву в реальном времени ("RT-DTCR") максимально улучшают эксплуатационные характеристики линий электропередачи (РПС, допустимую токовую нагрузку провода в амперах, КПД) при одновременном сохранении надежности.

Несмотря на то что со временем появились некоторые серийно выпускаемые датчики и системы DTCR для линий электропередачи высокого напряжения ("HVTL", далее - "ЛЭП ВН"), несколько факторов препятствуют их одобрению, проникновению на рынок, использованию и росту использования. Некоторые технологии неотступно преследовали технические проблемы (например, отказ системы, влияние датчиков на надежность, плохая точность, частые потери калибровки, сложный/длительный/инвазивный монтаж или калибровка). Более важным фактором являлась очень высокая общая установочная стоимость. Датчик/система DTCR для воздушной линии электропередачи (OHTL, далее - ВЛЭП) с существенно более низкими затратами представлял бы собой значительное усовершенствование по сравнению с существующими коммерческими технологиями.

Попыткам разработки устройств, предназначенных для измерения пропускной способности, коэффициента использования и коэффициента готовности проводов, препятствует сложность конструкции или монтажа. Например, фирма "Genscape, Inc." имеет множество поданных патентных заявок на их способ текущего контроля потокораспределения мощности и тока в фазных проводах. В некоторых публикациях фирмы "Genscape, Inc." (например, в патенте США №6714000; в патенте США №6771058; в патенте США №6956364; и в заявке на патент США №20050162148) для получения динамических характеристик электроэнергии необходимы измерения магнитного поля и измерения электрического поля. Двойные измерения, предложенные фирмой "Genscape", влекут за собой весьма сложную обработку данных для оценки потокораспределения мощности (в мегаваттах (МВт)) в линиях электропередачи высокого напряжения.

В заявке на патент США №20070052493, поданной фирмой "Genscape", измерения магнитного потока используют для определения того, какое местоположение под воздушным проводом является оптимальным для обнаружения изменений магнитного поля. В публикации '493 не приведено подробное описание того, каким образом данные, собранные в этом способе, могли бы быть использованы для определения дополнительных полезных параметров, таких как, например, размер фазного провода, угол фазы, значения высоты кабеля, температура и допустимая токовая нагрузка провода в амперах.

В заявке на патент США №20050286190, автором которой является Рострон (Rostron), раскрыта система текущего контроля электроэнергии с использованием датчиков электромагнитного поля, расположенных на расстоянии от фазных проводов. Ростроном (Rostron) не раскрыты математические основы и алгоритмы для неизвестных системных переменных. В лучшем случае Ростроном (Rostron) раскрыта идея, заключающаяся в том, что данные измерений электромагнитного поля с неподвижного наземного фундамента или платформы, расположенного над уровнем земли, могут быть использованы при прогнозировании токов фазы. Ростроном (Rostron) предложены немного большие подробности.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Описанное здесь изобретение включает в себя устройство, компьютеризированный способ и реализованную посредством компьютера систему для измерения магнитного поля, созданного фазными проводами, и для использования этих измерений для определения амплитуды, фазы и тока в фазном проводе, а также положение этого провода в пространстве (провисания). В этом способе для обеспечения точности не требуются ни измерения температуры провода, ни измерения электрического поля. Эти значения, в дополнение к известным стандартам для материалов в системе распределения электроэнергии, позволяют вычислять амплитуду и фазу тока, в дополнение к вычислению провисания линии, с использованием измерений посредством расположенного на расстоянии датчика. После вычисления линейного тока и провисания может быть определена температура провода и его пропускная способность, а также допустимая токовая нагрузка провода в амперах.

Задачи этого изобретения достигнуты за счет использования датчика для измерения пространственной фазы и амплитуды магнитного поля, создаваемого фазными проводами в системе воздушной линии передачи. В датчике целесообразно используют, по меньшей мере, две параллельные катушки из провода, имеющие токи противоположной полярности, сгенерированные магнитным полем. Катушки, также именуемые здесь обмотками, взаимно компенсируют электрическое поле и подавляют связанные с ним помехи для лучшей точности.

Датчики используют попарно для измерения составляющих x и y магнитного поля от воздушной линии передачи и распределения электроэнергии. Эти составляющие магнитного поля наводят соответствующие напряжения разомкнутой цепи на каждом датчике, которые служат в качестве входных данных, подаваемых в более крупную компьютеризированную систему для вычисления других интересующих параметров в модели.

В раскрытой и заявленной здесь системе также реализован компьютеризированный способ измерения физической высоты трех или более фазных проводов в системе передачи и распределения электроэнергии. В частности, входящие в состав системы модули сбора информации и анализа данных рационально приводят в соответствие сопоставимые данные измерений с известными рабочими параметрами для определения, как минимум, высоты фазного провода, а также величины и фазы тока в этом проводе. Другие параметры, такие как, например, провисание, допустимая токовая нагрузка провода в амперах, пропускная способность и частота тока, равно как и температура провода, также могут быть определены из системы, раскрытой и заявленной ниже.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг.1 схематично изображена электронная схема из этого изобретения, смонтированная для эксплуатации в полевых условиях, которая имеет датчики магнитного поля под фазными проводами воздушной линии.

На Фиг.2 показано представленное в трех частях изображение датчиков, расположенных под горизонтально ориентированной трехфазной воздушной линией электропередачи, и соответствующий выходной сигнал, генерируемый системой.

На Фиг.3A и Фиг.3Б показано представленное в трех частях изображение датчиков, расположенных под вертикально ориентированной трехфазной воздушной линией электропередачи, и соответствующий выходной сигнал, генерируемый системой.

На Фиг.4 изображен датчик магнитного поля с компенсацией электрического поля, имеющий две катушки противоположной полярности.

На Фиг.5 схематично изображена разводка проводов катушки датчиков, показанных на Фиг.4.

На Фиг.6 показана пара датчиков магнитного поля с компенсацией электрического поля для их размещения под воздушной линией электропередачи, согласно этому изобретению.

На Фиг.7 показана пара датчиков из Фиг.6 с защитным кожухом для установок на долгосрочный период.

На Фиг.8 изображен график вертикальной составляющей поля для картины магнитного поля, сгенерированного воздушной линией электропередачи, которое было бы измерено на уровне земли/земной поверхности.

На Фиг.9 изображен график среднего тока, вычисленного системой датчиков, в сравнении с известными значениями.

На чертеже Фиг.10 изображен график высоты, вычисленной системой датчиков, в сравнении с известным измеренным значением.

На чертеже Фиг.11 изображена схема компьютерной логики, используемой в одном из вариантов осуществления сборщика данных для вычисления параметров системы воздушной передачи электроэнергии по измеренным напряжениям датчика.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Высоковольтные воздушные фазные провода представляют собой очень длинные, мягкие подвески, электромеханические характеристики и характер поведения которых уже были глубоко изучены, являясь очень хорошо понятными¹. Квази-прямолинейные фазные провода генерируют изменяющиеся во времени магнитные поля, которые при частоте 60 Гц могут считаться квазистатическими. Напряженность поля в любом месте может быть измерена очень точно и, если она измерена одновременно во множестве различных мест в пространстве, то использована для точного определения расстояния до проводов. В свою очередь это расстояние может быть использовано для определения провисания проводов; зная его, могут быть точно установлены следующие параметры: средняя температура провода, угол фазы тока и величина тока.

Магнитное поле вокруг фазного провода имеет величину , где - расстояние до провода, а - фазный ток. В трехфазных линиях электропередачи фазные токи , и , являющиеся сдвинутыми по фазе на 120 градусов, значительно изменяются в течение суток. В реалистичных системах будут возникать дисбалансы, на устранение которых направлена работа, обеспечивающая поддержку этого изобретения. Несмотря на то что рассмотренные ниже физические основы преимущественно относятся к сбалансированной системе, настоящее изобретение охватывает множество несбалансированных параметров, которые могут иметься в любой заданной ситуации.

, и непрерывно изменяются по напряженности и направлениям с основной частотой (равной, например, 60 Гц в США и 50 Гц в Европе). Для определения суммарного поля в любом метоположении нужно вычислить векторную сумму трех вносящих вклад полей путем разложения их на горизонтальную (x) и вертикальную (y) составляющие и путем суммирования их по отдельности. Эта сумма записывается следующим образом: и . Следует отметить, что только составляющие x и y магнитного поля являются важными для изложенных здесь целей, поскольку третья составляющая z настолько мала, что не является статистически значимой для описанной здесь системы.

Для схемы с горизонтальной конфигурацией фазного провода, например для схемы из Фиг.2, значения и в точке непосредственно под низшей точкой центрального фазного провода 200, описываются следующим уравнением:

(Уравнение 1.1),

где d - фиксированное расстояние между фазными проводами 200, 210 и 220, а h - высота проводов над контрольной точкой,

(Уравнение 1.2 и 1.3)

Поскольку являются синусоидами, то система должна суммировать три синусоидальные скалярные величины, имеющие сдвиг по фазе на 120 градусов. Рассмотрим три скалярные величины которые изменяются синусоидально и являются сдвинутыми по фазе на 120 градусов. В векторном представлении на комплексной плоскости могут быть выражены следующим образом:

,

,

,

где равно , равно , и т.д. Значение объединенных величин описывается следующим уравнением

Отбрасывая нижний индекс "p", получают следующий результат:

(Уравнение 2).

Для местоположения проверки непосредственно под низшей точкой центральной фазы система объединяет составляющие поля от трех фаз воздушной линии. Вставляя составляющую x из уравнений 1.1, 1.2 и 1.3 в уравнение 2, находят величину горизонтальной составляющей поля, равную

(Уравнение 3x)

Аналогичным образом, для вертикальной составляющей поля мы имеем

(Уравнение 3y).

Отношение составляющих равно

(Уравнение 4).

Важно отметить, что когда нагрузка на проводе является сбалансированной, то уравнение 4 является независимым как от напряжения цепи, так и от тока в фазных проводах. Для линии электропередачи переменного тока с горизонтальной геометрией фазных проводов уравнение 4 показывает, что путем одновременного измерения амплитуды и по переменному току непосредственно под центральным фазным проводом, может быть определено расстояние от фазных проводов до регистрирующих катушек с использованием следующей формулы:

(Уравнение 5),

где - фиксированное расстояние между фазными проводами. Зная , затем из уравнения 3y можно вычислить фазный ток по следующей формуле:

и могут быть определены путем измерения напряжений переменного тока, возникшие в катушках большой площади, расположенных в магнитном поле, по меньшей мере, одного фазного провода. Катушки могут быть использованы для измерения величины и фазы магнитных полей в трех измерениях (то есть, по координате "x", или в направлении "влево/вправо", по координате "y", или в направлении "вверх/вниз", и по координате "z", или в направлении "вперед/назад"). В этом варианте осуществления изобретения трехмерная картина полей может быть описана векторами, начала которых зафиксированы в точках в пространстве, а их вершины вращаются, например, с частотой 60 Гц, очерчивая эллипсы при своем вращении. Как будет более подробно объяснено ниже, в одном предпочтительном варианте осуществления системы из этого изобретения используют только те катушки, оси которых ориентированы в горизонтальном и в вертикальном направлениях.

Зная , действующее значение напряжения для катушки, обмоток которой охватывают площадь , равно . Частота равна 60 Гц, генри на метр (Гн/м), а представляет собой действующее значение амплитуды составляющей магнитного поля в направлении оси катушки. Для измерения используют катушку 12, например катушку, показанную на Фиг.6, ось которой ориентирована по горизонтали; для измерения требуется катушка 10, ось которой ориентирована по вертикали. Могут использоваться две идентичные катушки (см. Фиг.6) с ортогональными осями ("T-образная" конфигурация) для непрерывного текущего контроля , предоставляя непрерывную информацию о и о действующем значении тока .

Несмотря на то что уравнение 5 применимо только лишь к горизонтальной конфигурации фазных проводов, также может быть осуществлен текущий контроль фазных проводов с вертикальными конфигурациями их расположения (см. Фиг.3) с использованием надлежащим образом сконфигурированных катушек (10, 12, 14, 16, 18, 20). В этом случае составляющая непосредственно под фазами будет равна нулю (из-за симметрии), поэтому не может быть использован подход, основанный на . Однако составляющая может быть измерена одновременно на двух высотах и непосредственно под проводами 310, 320 и очень близко к уровню земли; отношение может быть, затем, использовано для определения , и, зная этот параметр, для определения . Схема и функциональная блок-схема системы для эксплуатационных испытаний в полевых условиях показана на Фиг.1.

Как показано на Фиг.1 и Фиг.2, один из вариантов осуществления этого изобретения включает в себя две катушки 14, 16 большой площади (650-1000 м²), расположенные непосредственно под низшей точкой центрального фазного провода 200 горизонтально сконфигурированной линии электропередачи. Катушки 14, 16 установлены в виде "T-образной" конфигурации и расположены на уровне земли или немного выше его. Катушки и система датчиков занимают объем, приблизительно, 1 м³, установлены на тонкой бетонной подушке и размещены внутри высоконадежного, высокопрочного (неметаллического, с низким µ) корпуса, защищающего от атмосферных влияний. Кроме того, расчеты показывают, что при минимальных дополнительных расходах система датчиков может быть расположена немного ниже поверхности земли, при этом панель солнечной батареи и антенна расположены на ближайшей опоре линии электропередачи.

Были проведены всесторонние исследования и тщательное моделирование^2,3,4 термомеханической зависимости между провисанием фазного провода и средней температурой провода. Несколько коммерческих пакетов программ, например "Sag 10", "LineAmps", пакет программ динамической оценки цепи по нагреву ("DTCR") Научно-исследовательского института электроэнергетики (США) (EPRI) и "IntelliCat" фирмы "Valley Group", основаны на априорных моделях. При наличии информации о механических характеристиках, технической информации и информации о размерах, относящейся к конкретному контролируемому пролету и проводу (например, о натяжении линии, о типе и свойствах провода, о длине пролета), может быть определена средняя температура проводов в пролете по результатам точных измерений провисания проводов в реальном времени. Объединение с точными сведениями о провисании проводов и о температуре и учет допустимой статической токовой нагрузки провода (последняя зависит от температуры) позволяет вычислить допустимую токовую нагрузку провода в амперах. Разность между фактической допустимой токовой нагрузкой провода в амперах в реальном времени и фактическим провода в реальном времени является мерой запаса по пропускной способности или дополнительной пропускной способности, доступной для операторов, если контролируемые пролеты не имеют ограничений по воздушному промежутку (по провисанию) и/или по тепловым параметрам. Это является основой для динамической оценки цепи по нагреву ("DTCR") и ее эксплуатации.

Со ссылкой на Фиг.1, предварительная конструкция системы датчиков обеспечивает очень низкие требования по электропитанию при длительной работе. Подсистемы и составляющие обеспечивают работу с низкой продолжительностью рабочего цикла посредством работы в режиме ожидания, в режиме покоя и в режиме "включено-выключено". Сами преобразователи не нуждаются в электроэнергии, и для большинства вариантов осуществления изобретения ни для какой-либо составляющей системы или ни для какой-либо ее подсистемы не требуется активный (основанный на термоэлектрическом преобразователе) нагрев или охлаждение. Электропитание системы обеспечивает панель 60 кремниевой (Si) солнечной батареи напряжением 30 В, имеющей высокий коэффициент полезного действия (КПД), в комбинации с батареей 65 перезаряжаемых никель-металлгидридных (Ni:MH) (или литий-ионных (Li-ion)) аккумуляторов; они являются источником электроэнергии для импульсного источника 55 питания. Двумя составляющими системами, имеющими наибольшее энергопотребление, являются одноплатный компьютер 35 и передатчик 50 беспроводной связи, потребляющие соответственно 2,64 Вт и, приблизительно, 4 Вт. Максимальное потребление мощности при длительной работе составляет менее 7 Вт. Комбинация панели 60 солнечной батареи и аккумуляторной батареи 65 с высоким КПД, непрерывно подзаряжаемой малым током, обеспечивает электропитание системы в любых условиях. В темноте полностью заряженная аккумуляторная батарея 65 может обеспечивать электропитание системы в течение более 60 часов; время подзарядки при полном солнечном освещении не превышает 7 часов. Принимая во внимание постоянные времени термомеханических характеристик фазных проводов воздушной линии, активная передача сообщений с интервалами 7,5 или 10 минут должна являться вполне достаточной для поддержки всех действий конечного пользователя, связанных с текущим контролем и/или динамической оценкой цепи по нагреву (DTCR). При передаче сообщений каждые 7,5 минут фактический цикл продолжительности потребления энергии составляет приблизительно 6,7%.

В технических дискуссиях по технологии DTCR всегда рассматривают параметры, подлежащие текущему контролю, и типы датчиков, но всегда строят предположения относительно их количества, местоположения и расстоянии между ними. Хорошо известно, что местоположение, трасса, направление, высотная отметка и топография линии, и ее полоса отчуждения, оказывают очень существенное влияние на температуру и, следовательно, на провисание проводов и на просвет верхних пролетов воздушных высоковольтных проводов. Если, например, линия электропередачи имеет протяженность или прямолинейные полосы отчуждения длиной 5, 10, 20 миль или, возможно, большую протяженность на равнинной местности, и, при этом, имеет одно направление по азимуту, то, вероятно, что одиночный датчик, расположенный на определенном пролете (или на критическом пролете), может обеспечить желательную информацию о провисании проводов, ограничивающем допустимую токовую нагрузку провода в амперах, в реальном времени и о температуре. Однако длинные, прямолинейные полосы отчуждения линии электропередачи, проходящие по территориям с одним и тем же типом почвы и типом растительности и на постоянной высоте, не отображают значительную часть протяженности полос отчуждения и линий электропередачи в США.

Обычно имеют место многочисленные изменения направления, топографии и высотных отметок вдоль конкретной линии; такие изменения влияют на падающее солнечное излучение, на скорость ветра, на направление ветра, на температуру и влажность окружающей среды. Изменения топографии, растительности на поверхности и геологии поверхности/местности оказывают существенное влияние на температуру проводов и, следовательно, на его провисание; такие изменения могут часто наблюдаться от одного пролета к другому. Эти факторы, взятые вместе, приводят к тому, что температура и провисание проводов являются очень динамичными и непредсказуемыми. В то время как метеорологические условия, типы погоды и условия окружающей среды могут быть очень сходны в пределах расстояний в 5, 10 или 20 миль, во многих случаях, даже предполагая то, что параметры полосы отчуждения являются статическими на протяжении отрезков времени от минут до часов, наблюдаются существенно различные значения температуры окружающей среды, влажности, скорости/направления ветра в точках, отстоящих одна от другой на такие расстояния.

Очевидно, что исходными местоположениями датчиков или местами их расположения, заданными по умолчанию, являются определенные пролеты⁵. Однако определенный пролет представляет собой предполагаемый единообразный расчетный пролет, который приближенно отображает характер термомеханического поведения пролета между его жестко закрепленными концами. Он предназначен для проектирования и сооружения линии (вычисляют значения провисания и просветов для определения места установки опор и для подвешивания проводов), но без учета эксплуатации по сезонам и годам. Кроме того, хотя определенный пролет и является логической отправной точкой, его термомеханическое состояние и характер поведения вообще могут не быть характерными для линии в целом.

В качестве реакции на старение инфраструктуры, на значительное увеличение средней нагрузки и на обостряющуюся проблему перегрузок многие энергетические компании, независимые операторы, занимающиеся эксплуатацией, ("ISOs"), и региональные компании, занимающиеся передачей электроэнергии, ("RTOs") теперь, имеют высокоточные данные обследования их линий электропередач и полос отчуждения. Во многих недавних обследованиях основное внимание было сосредоточено на известных линиях, работающих с большой нагрузкой, и на линиях, работающих с перегрузкой, и было выявлено существование так называемых "критических пролетов", то есть пролетов, которые нередко имеют ограничения по провисанию проводов/просвету. Такие критические пролеты являются очевидными претендентами на размещение датчиков. При наличии таких данных обследований обычно имеется возможность определить один наиболее критический пролет, но часто имеются дополнительные пролеты, которые статистически также являются критическими. В результате, конкретная линия, работающая с перегрузкой (или с большой нагрузкой), может содержать дюжину или более критических пролетов, которые указаны или которые могли бы быть указаны как предназначенные для размещения датчика.

Суть дела состоит в том, что в настоящее время отсутствует какое-либо четкое правило или единодушное мнение относительно количества датчиков и расстояния между ними. Каждая из энергетических компаний, региональных компаний, занимающихся передачей электроэнергии, (RTO), и независимых операторов, занимающихся эксплуатацией, (ISO), является отличной от других, каждая линия, работающая с перегрузкой, является уникальной, и "критический пролет", когда речь идет об использовании этого термина для обозначения размещения датчика, по ряду причин (некоторые из которых являются статистическими) различные организации определяют по-разному. Поистине бесспорным фактом является то, что количество датчиков, их местоположение и расстояние между ними определяют в зависимости от конкретного случая, а именно в зависимости от конкретной региональной компании, занимающейся передачей электроэнергии, (RTO), от конкретной линии, работающей с перегрузкой. Если предыстория приобретения интеллектуальных электронных устройств ("IEDs") для применения в системе передачи и распределения ("T&D") электроэнергии является некоторым ориентиром, то поистине бесспорным фактом также является то, что предусмотренное количество датчиков будет обратно пропорциональным общей установочной стоимости⁶.

Поскольку в линии электропередачи протекает больший электрический ток, то резистивные потери в проводах вызывают увеличение температуры линии, сопровождающееся соответствующим удлинением линейных проводов вследствие теплового расширения. Так как провода поддерживаются в неподвижных точках (например, в опорах), то при увеличении тока происходит изменение высоты провода, и это изменение высоты провода вызывает небольшое изменение поля B, измеренного на уровне земли.

Для того чтобы проиллюстрировать характер поведения вертикальной и горизонтальной составляющих поля B на поверхности земли под линией электропередачи, были выполнены расчеты с использованием простой трехпроводной модели для трехфазной линии электропередачи. Эта модель основана на приближенном решении для полей, в котором используют теорию комплексных изображений для учета эффектов потерь из-за влияния близости земли под линией электропередачи. Однако выясняется, что для точек наблюдения поля, расположенных близко к линии электропередачи, эффекты из-за влияния близости земли являются пренебрежимо малыми.

Геометрия линии и ток

В этом исследовании используют две конфигурации, которые являются типичными для линий электропередачи категории 500 кВ, показанные на чертежах Фиг.2 и Фиг.3. Как показано на Фиг.2, одна линия электропередачи имеет схему расположения фазных проводов 200, 210, 220 по горизонтали, и могут иметься два защитных провода, которые смонтированы симметрично над фазными проводами (не показаны). На Фиг.3 изображена линия электропередачи, в которой провода расположены один над другим по вертикали, с одним верхним защитным проводом и тремя фазными проводами 300, 310, 320.

В этом анализе не учитывают верхние защитные провода и любой ток, который может течь в них. В схеме расположения проводов по горизонтали, показанной на Фиг.2, типичная высота линии электропередачи равна 17,4 м, а расстояния между фазными проводами равны 10,67 м. Для конфигурации, показанной Фиг.3, в которой провода расположены по вертикали, полагают, что высота