УДК 621.3.051.025

Современные методы борьбы с обледенением линий электропередач

Новоселова Ольга Игоревна – магистрант Сахалинского государственного университета

Федоров Олег Анатольевич – кандидат педагогических наук, доцент кафедры электроэнергетики и физики Сахалинского государственного университета.

Максимов Виктор Петрович – доктор педагогических наук, профессор, заведующий кафедрой электроэнергетики и физики Сахалинского государственного университета.

Аннотация. Цель данной работы заключается в изучении современных методов, которые применяются для борьбы с обледенением линий электропередач (ЛЭП). В работе рассмотрены основные технологии по удалению и борьбе с образованием льда на ЛЭП. Выделены основные преимущества и недостатки существующих методов удаления льда с ЛЭП. На основе сопоставления различных методов показано, что использование комплексной методики является наиболее эффективным способом, который может использоваться в настоящее время для борьбы с образованием льда на ЛЭП. В заключение работы отмечается, что, благодаря научно-техническому прогрессу, данная сфера, в ближайшие годы, будет развиваться, и с каждым годом будут появляться новые методы удаления льда с ЛЭП.

Ключевые слова: ЛЭП, обледенение, механические методы, электротермические методы, физико-химические методы.

Введение. Одним из основных методов, который используется в современное время для передачи электричества и является наиболее экономичным, является использование ЛЭП. Очевидно, что ключевым элементом ЛЭП, по которому осуществляется передача электрической энергии, выступают провода. В нашем государстве. которое по праву является самым крупным во всем мире, суммарная протяженность проводов ЛЭП превышает 4,9 млн. км, среди них порядка 3,4 млн. км относится к воздушном линиям передачи электрической энергии [1].

Материалы и методы. Учитывая суровые погодные условия на территории нашего государства, одной из ключевых проблем, которая достаточно часто возникает при передаче электрической энергии по ЛЭП, является их обледенение. В настоящее время данной проблеме посвящено достаточно большое количество работ – изучены основные причины возникновения обледенения на ЛЭП, проведен анализ негативных последствий, возникающих в результате обледенения [2-4]. Однако до сих пор открытым остается вопрос, который касается разработки современных, высокоэффективных методов, позволяющих бороться с образованием льда на ЛЭП.

Обсуждение. В настоящее время существует несколько основных методик, которые используются на практике для борьбы с образованием льда на ЛЭП. Все они показаны на следующем рисунке.

 

Рисунок 1. Методы борьбы с обледенением на ЛЭП

Рассмотрим основные особенности каждого из методов. Механический метод (см. рисунок 2) относится к числу наиболее простых методов борьбы с образованием льда на ЛЭП. Именно данный метод чаще всего применяется на практике. Для его реализации необходимо использование специальных устройств, с помощью которых осуществляется сбивание образовавшегося льда на ЛЭП. Для этого могут применяться:

• длинные шесты, выполненные из непроводящего материала;

• различные конструкции роликов-ледорезов, которые передвигаются по ЛЭП и срезают образовавшийся лед;

• многозарядные пневматичсекие и электроимпульсные устройства, которые разрушают лед посредством удара;

• роботизированные технологии (например, LineScout);

• айс-скрайперы [5].

Рисунок 2. Механическая очистка ЛЭП ото льда

Несмотря на широкое разнообразие различных технологий, предназначенных для борьбы с образованием льда механическими методами, чаще всего на практике он применяется только для коротких участков ЛЭП. Можно выделить следующие недостатки использования данного метода:

• достаточно высокие трудовые затраты;

• низкая степень автоматизации процесса, несмотря на наличие современных роботизированных технологий;

• высокая длительность выполнения работ;

• сложность использования технологий на труднодоступных территориях;

• отсутствие препятствия для дальнейшего образования льда на ЛЭП.

Электротермические методы борьбы с образованием льда основываются на проведении нагрева действующих проводов посредством увеличения величины протекающего по ним тока, что позволяет осуществить плавку образовавшегося на ЛЭП льда. Можно выделить две основных технологии, которые применяются в рамках данного метода:

1. Профилактическая. В рамках данной технологии осуществляется нагрев проводов до температуры, которая будет превышать 0 °С. Это способствует борьбе с образованием льда до момента, когда это становится возможным вследствие влияния внешних климатических условий.

2. Плавильная. В рамках данной технологии осуществляется нагрев проводов до температуры, которая поспособствует плавлению уже образовавшегося льда на ЛЭП.

Данный метод получил достаточно широкое распространение в настоящее время по причине того, что он позволяет осуществлять профилактику образования льда на ЛЭП, а также требует меньших трудозатрат и может проводиться автономно. Среди его ключевых недостатков можно выделить:

• значительные затраты энергии;

• требуется существенный временной интервал для проведения процесса.

В настоящее время достаточно часто для борьбы с образованием льда на ЛЭП начинают использоваться физико-химические методы, суть которых состоит в нанесении на провода специальных растворов, выполненных из особых веществ, замерзающих при воздействии температур, которые являются намного меньшими по сравнению с водой. За счет этого на проводах действующих ЛЭП формируется особое покрытие, которое обладает низкими адгезионными свойствами по отношению к любой водной среде.

Среди таких разработок стоит особенно выделить технологию формирования супергидрофобного адгезионного покрытия, которая была разработана отечественными учеными [5]. Экспериментальные результаты (см. рисунок 3), полученные в ходе тестирования данного метода борьбы, показали высокую эффективность по сравнению с ранее рассмотренными методами.

Рисунок 3. Экспериментальные результаты использования супергидрофобного адгезионного покрытия [5]

Электромеханические методы относятся к числу современных методов борьбы с обледенением ЛЭП. В рамках данных технологий предлагается вместо теплового воздействия на провода применять электромеханическое. Сущность метода заключается в следующем – в процессе протекания тока заранее определенной частоты в ЛЭП возникает сила Ампера, которая приводит к появлению в ЛЭП механических колебаний. Данные колебания, несомненно, препятствуют образования льда и приводят к разрушению уже имеющейся на проводах ледяной кромки. Пример подобного устройства приведен на следующем рисунке.

Рисунок 4. Электромеханическое ударное устройство [5]

Несомненным преимуществом данных методов является сокращение энергетических затрат и времени, которое затрачивается на очистку ЛЭП. Кроме этого, данный процесс может выполняться в процессе штатной работы силами рабочего коллектива, что не приводит к дополнительным трудозатратам. Среди основных недостатков использования подобного рода методов является, в настоящее время, отсутствие возможности формирования напряжений растяжения и сжатия, которые позволили бы эффективно бороться с образованием льда на ЛЭП, а также наличие достаточно большого количества неферромагнитных участков, уменьшающих эффективности борьбы и повышающих общую энергоемкость.

Результаты. Изучив существующие в настоящее время методы борьбы с образованием льда на ЛЭП, проведем их сопоставление с целью выяснить – какие же из данных методов являются наиболее эффективными, а какие менее. Полученные результаты сопоставления представлены в следующей таблице.

Таблица 1. Результаты сравнения существующих методов борьбы с образованием льда на ЛЭП

Метод	Трудозатраты	Длительность	Энергопотребление	Возможность автоматизации	Предотвращение образования льда
Механический	Высокие	Высокая	Высокое	+	-
Электротермический	Низкие	Высокая	Высокое	+	+
Физико-химический	Низкие	Высокая	Низкое	-	+
Электромеханический	Низкие	Низкая	Среднее	+	+

Оценка гололедообразования на элементах ЛЭП позволяет выявить влияние погодных условий на эти процессы. В некоторых погодных условиях интенсивность образования льда на элементах электрических сетей резко возрастает, а в некоторых снижается.

Параметр интенсивности гололедообразования в общем случае является непрерывной функцией погодных условий, которую можно отразить большим числом состояний. Но такой подход не пригоден, поскольку он связан с очень сложной моделью, а также трудностью получения необходимых исходных данных. Следовательно, необходимо ограничить число возможных состояний так, чтобы оно было достаточно велико и адекватно отражало явления, но, вместе с тем и достаточно мало и не вызывало вычислительные трудности и трудности, связанные с получением исходных данных.

Погодные условия можно разделить на три вида: нормальные, неблагоприятные и штормовые. Методика, учитывающая все три вида погодных условий слишком громоздка, и поэтому обычно рассматриваются только первые два вида погодных условий: нормальные и неблагоприятные. К неблагоприятным погодным условиям следует отнести изменение температуры, влажности, атмосферного давления, силы ветра, наличие осадков в виде дождя и снега.

Для получения необходимых данных были зафиксированы все периоды с нормальной и неблагоприятной погодой, даже если они и не сопровождались гололедообразованием. Собранные данные позволяют получить хронологическую последовательность различных состояний погоды. Эту последовательность изменений погодных условий можно рассматривать как случайный процесс со средними длительностями нормальной погоды и неблагоприятной погоды

После того как принято решение о том, какие погодные условия будут представлены в двухуровневой модели изменения погодных условий, необходимо всю их совокупность распределить по соответствующим уровням, что позволит найти параметры гололедообразования для рассматриваемых погодных условий.

Обозначим через параметр интенсивности гололедообразования при нормальных погодных условиях, и – параметр интенсивности гололедообразования при неблагоприятных погодных условиях. Средний уровень параметра интенсивности гололедообразования в этом случае определиться по следующему выражению:

Так как, обычно, , то . При традиционной обработке статистических данных обычно определяется и есть в наличии показатель λ. Если при этом известна характеристика интенсивности гололедообразования, обусловленная неблагоприятными условиями (F), то можно определить значения параметров и :

Даже если значение F неизвестно, можно провести анализ чувствительности при 0 < F ≤ 1, чтобы установить влияние погодных условий на состояние системы. Определим соотношение между параметрами и , используя имеющиеся реальные данные, представленные Филиалом распределительные сети ПАО «Сахалинэнерго» за 2020-2023 годы среднегодовые показатели составляют: λ = 0,00134 1/ч; F = 0,238; N = 196,8; S = 3,2. Подставляя их в формулы (2) и (3), получаем:

Таким образом, неблагоприятные погодные условия почти на порядок увеличивают интенсивность интенсивности гололедообразования воздушных ЛЭП центрального и южного энергорайонов Сахалинской области.

Следует отметить, что показатель λ является статистической величиной и не отражает фактических характеристик изменения и . Пусть, например, две идентичные линии электропередач эксплуатируются при разных погодных условиях, характеризующимися своими значениями N1, S1, N2, S2. Это приведет к тому, что значения параметра λ окажутся различными для этих элементов. Физический механизм гололедообразования обеих линий идентичен, и поэтому элементы должны иметь одинаковые значения параметров и . Следовательно, большую уверенность в адекватном характере результатов дает непосредственная оценка и , которая дает возможность оценивать гололедообразование и заранее планировать мероприятия по борьбе с этим явлением.

На основании проведенного сравнения можно с уверенностью сказать, что в настоящее время не существует единой методики, позволяющей эффективно бороться с образованием льда на ЛЭП. Каждая из методик, рассмотренная в данной работе, имеет свои недостатки, в связи с чем представляется актуальным продолжение работ в данном направлении с целью создания высокоэффективного метода борьбы с образованием льда на ЛЭП. Конечно, среди всех рассмотренных методик особенно выделяются электромеханические технологии, однако они до сих пор находятся в процессе разработки и в настоящее время не разработана технология, которая позволит вывести данные методы на новый, современный, высокоэффективный уровень. Очевидно, что в настоящее время, до разработки такой методики и технологии, необходимо двигаться в сторону создания комплексной системы защиты ЛЭП от образования льда.

Список литературы

1. Единая энергетическая система России [Электронный ресурс]. Свободный доступ: — URL: https://www.so-ups.ru/functioning/ups/ups2021 (дата обращения 29.05.2023).
2. Фурсанов М.И. Гололедные аварии на ЛЭП — причины появления и способы предотвращения / М.И. Фурсанов, П.С. Горудко // Энергохозяйство предприятия. – 2017. – № 2 (95). – С. 25-29.
3. Акбаров И.К. Проблема борьбы с гололедообразованием на воздушных линиях передач / И.К. Акбаров // Science Time. – 2019. – № 7 (67). – С. 46-51.
4. Кульков В.Г. К вопросу о разрушении ледяной оболочки проводов воздушных линий электропередач / В.Г. Кульков, Р.А. Фокин // Научное обозрение. Технические науки. – 2020. – № 3. – С. 41-45
5. Никитина И.Э. Способы удаления льда с проводов линий электропередачи / И.Э. Никитина, Н.Х. Абдрахманов, С.А. Никитина // Нефтегазовое дело. – 2015. – № 3. – С. 794-823.