Исследование акустических свойств проводников, подвергаемых образованию наледи

Аннотация

В данной статье приводится исследование возможности обнаружения наледи на проводах ЛЭП посредством анализа изменения акустических колебаний металлической проволоки.

Самый ненадежный элемент электрических сетей это линии электропередачи (ЛЭП) из-за рассредоточенности по территории и влияния на них различных внешних воздействий. При этом чаще всего поломка происходит из-за повреждения проводов и тросов.

Существует ряд факторов, способных повредить данный элемент конструкции ЛЭП. Один из них - обледенение проводов. При температуре около нуля капли измороси падают на провод и замерзают на нем. Происходит образование кристаллической шапки на верхней части провода. Шапка под своей тяжестью постепенно проворачивает провод, подставляя замерзающей влаге другую сторону. Рано или поздно вокруг провода образуется ледяная муфта. Толщина ледяной корки может достигать 60-70 мм, существенно утяжеляя провода.

Например, провод марки AC-185/43 диаметром 19,6 мм километровой длины имеет массу 846 кг; при толщине гололёда 20 мм она увеличивается в 3,7 раза, при

толщине 40 мм - в 9 раз, при толщине 60 мм - в 17 раз. При этом общая масса линии электропередачи возрастает, что приводит к обрыву проводов и поломке металлических опор.

Поэтому во всем мире целым рядом компаний и организаций активно ведутся исследования и разработка способов и устройств для борьбы с обледенением линий электропередач.

Для ранней диагностики образования наледи используют высокочастотные импульсы, посылаемые в линию через специальные присоединения. Отраженный, в том числе и наледью, сигнал анализируется при помощи компьютера в купе с преобразующим оборудованием. Данный способ позволяет с достаточно высокой точностью определить место возникновения обледенения.

C целью пополнения средств раннего обнаружения образования наледи, было решено обратить внимание на более низкочастотные диагностические сигналы.

Переменное напряжение 50 Гц рождает переменное магнитное поле, которое заставляет отдельные жилы в проводе вибрировать, что влечет их соударения друг с другом. Этот факт приводит к образованию акустических колебаний, различимых на слух как гудение. Частота таких колебаний равна удвоенной частоте тока, то есть 100 Гц. Интенсивность звучания зависит от силы тока, длины пролета, погодных условий, а также от наличия неоднородностей на проводе, таких как корка льда.

Кроме того, натянутый провод воздушной линии можно представить, как струну, которая под воздействием ветра начинает вибрировать с высокой частотой. Так же как и струна на музыкальном инструменте провод будет вибрировать по разному при помещении на его поверхность различных сторонних образований.

Так же у линии электропередач, как и у любой другой конструкции, хорошо проводящей звук, есть собственная частота колебаний.

Как видно из перечисленного, с линии электропередач можно снимать акустический сигнал в широком диапазоне. Анализируя изменения интенсивности отдельных гармонических составляющих, с учётом конструктивных особенностей, протекаемого тока и погодных условий можно выявлять моменты появления на поверхности провода наледи и других сторонних предметов (образований).

Для практического подтверждения данной идеи был проведен опыт, наглядно продемонстрированный на рисунке 1.

Электромотор на одном конце модели линии создает вибрации, равные частоте вращения двигателя. Конструкция макета накладывает на эти вибрации дополнительные гармоники. Акустический датчик на другом конце анализирует гармонические составляющие акустического сигнала при различных механических воздействиях на металлический провод.

Исследование акустических свойств проводников,
подвергаемых образованию наледи

Для измерения уровня вибраций и анализа спектрального наполнения акустического сигнала использовался многоканальный анализатор «Камертон», выпускаемый научно-производственным предприятием «РОС» (г. Пермь, Россия).

Как видно из спектрограмм, изображенных на рисунке 2, наиболее характерно изменение гармонической составляющей на частоте 200 Гц. Её проводимость вдоль проводника с наледью оказалась лучше. При этом на уровень остальных гармоник наличие наледи практически никак не повлияло.

Из проведенного опыта можно сделать следующие выводы:

  • амплитудно-частотная характеристика каждой конкретной линии меняется при появлении на проводе наледи;
  • не на все гармонические составляющие влияет наличие наледи;
  • измеряя изменение соотношения отдельных гармонических составляющих можно судить о наличии наледи.

Таким образом, воспользовавшись перечисленными выводами, можно смоделировать устройство, анализирующее отношение спектральных составляющих измерительного акустического сигнала и формирующее сообщение о появлении наледи на проводах.

 

Литература:

  1. 1. Арбузов Р.С.. Овсянников А.Г. Современные методы диагностики воздушных линий электропередачи. - Новосибирск: Наука. 2009.
  2. 2. Привалов Е.Е. Диагностика оборудования воздушных линий электропередач: учебное пособие. - Ставрополь: ПАРАГРАФ. 2014.
Год: 2016