Образование гололеда и изморози на проводах линий электропередачи вызывает повышение тяжения в них и увеличение вертикальной нагрузки на траверсы и стойки опор, что может привести к повреждениям отдельных элементов линии. Обычно в гололедных районах нагрузка от гололеда на провод достигает 4 — 5 кг/м. В сильногололедных районах характерны максимальные нагрузки 8 — 10 кг/м.
Естественно то, что такие нагрузки вызывают значительные повреждения на линиях. Опыт эксплуатации, однако, показывает, что повреждения линии иногда могут иметь место при нагрузках, на которые линия рассчитана, а в некоторых случаях даже и при меньших нагрузках.
Чаще всего такие повреждения наблюдаются на линиях с вертикальным расположением проводов. Так, в самом начале гололедообразоваиия провод с гололедом имеет форму сечения, напоминающую крыло самолета. При сильном ветре появляется подъемная сила, вызывающая пляску проводов, происходят опасные сближения, схлестывания, оплавления и даже обрывы проводов.
Линия может отключиться при таянии гололеда, когда происходит «подскок» освободившегося от нагрузки провода. В результате возможно схлестывание между проводами, между проводом и тросом или же перекрытие по воздуху, если расстояние между проводами взято недостаточным.
В слабо гололедных районах величина «подскока» мала и схлестывание не имеет места при обычных расстояниях между проводами. В сильно гололедных районах «подскок» получается большим и потребовались бы значительные расстояния между проводами.
Так, в IV районе гололедности провод АС-150 в пролете длиной 150 м может подскочить до 7,5 м. Поэтому в таких районах экономичнее строить линии с горизонтальным расположением проводов. При вертикальном расположении применяют значительный горизонтальный разнос.
В эксплуатации нередко гололед по краям анкерного участка опадает, а в одном из средних пролетов сохраняется. Тогда все гирлянды подвесных изоляторов отклоняются в сторону нагруженного пролета и в нем произойдет дополнительный провес провода. Провисший провод может коснуться ниже расположенных проводов и даже земли, что приведет к отключению линии.
Нарушение габарита над землей или касание земли целым, проводом может произойти и во всем анкерном участке из-за большого провисания провода при мощных отложениях гололеда.
Условия образования гололеда
Гололед и изморозь образуются из капель дождя, мороси или тумана при отрицательной температуре воздуха. При соприкосновении с твердым предметом переохлажденные капли быстро кристаллизуются и превращаются в лед (вода обладает свойством сохранять свое жидкое состояние при температурах до —60 °С, если в ней нет твердых частиц, вокруг которых может начаться ее отвердевание).
Если упавшие на провод капли успевают до кристаллизации растечься по поверхности и слиться между собой, то получается твердый прозрачный осадок льда — гололед. Когда же капли не успевают растечься, они намерзают друг на друга, между ними остается пространство, заполненное воздухом, получается хрупкий осадок белого цвета — изморозь.
Структура осадка характеризуется его объемным весом. Гололед имеет объемный вес от 0,9 до 0,6 г/см3. Объемный вес изморози вследствие значительного количества воздушных включений колеблется от 0,5 до 0,10 г/см3.
Образование гололеда обычно наблюдается при дожде или крупнокапельной мороси при температуре воздуха 0 — 5° С. Изморозь образуется при моросящих осадках и тумане при температуре воздуха (—)3 — (—)10°С.
Нередко вслед за образованием гололеда начинается наслоение изморози или наоборот, что имеет место при изменении условий погоды. Такие гололедообразования называются смешанными.
Факторы, влияющие на размеры гололедообразования
Вес гололедообразования определяется количеством влаги, оседающей на проводе. Количество влаги зависит от размера капель воды и их числа в единице объема, диаметра провода, скорости ветра и его направления по отношению к проводу.
Влияние диаметра провода, скорости ветра и размера капель проявляется в результате обтекания провода потоком воздуха.
Так, при отсутствии ветра капли мороси или дождя падают вертикально вниз под действием силы тяжести и с проводом сталкиваются только те из них, которые находятся в полосе, равной диаметру провода.
В этом случае вес образовавшегося гололеда пропорционален диаметру провода. При ветре капли двигаются почти горизонтально, вместе с потоком воздуха. Поток воздуха, встречая провод и обтекая его, отклоняется, от прямолинейного пути и захватывает из полосы часть капель, пронося их мимо провода.
Таким образом, при наличии ветра ширина полосы, из которой все капли попадают на провод, будет меньше диаметра провода. Несмотря на то, что с увеличением, скорости потока полоса уменьшается, общее количество капель, оседающих на проводе в единицу времени (вес гололеда) увеличивается за счет, повышенной скорости ветра.
Известно, что с увеличением высоты над поверхностью земли скорость ветра увеличивается. Этим объясняется увеличение веса отложения гололеда на проводе с увеличением, высоты его расположения над поверхностью, земли.
Характерно, что рост веса гололеда с высотой происходит в большей степени, чем увеличение скорости ветра. Так, измерения на проводах диаметром 6 мм показали, что на высоте 23 м вес гололедообразования в 5 раз больше, чем на высоте 2 м, тогда как скорость ветра при этом увеличивается всего, в 1,5 — 2 раза.
Вес гололеда растет с увеличением диаметра провода. Однако такая зависимость сохраняется только до определенных значений диаметра.
При тумане и мороси (мелкие капли) толстые провода в большей степени, чем тонкие, вызывают отклонение потока от прямолинейного пути, захват капелек потоком у них проявляется интенсивнее, поэтому у толстых проводов уменьшение ширины полосы происходит в большей степени. В результате количество капель и вес гололеда, оседающего на единицу поверхности, в среднем будет меньше у толстых проводов.
Практически толщина односторонней корки уменьшается с увеличением диаметра провода. Крупные капли дождя обладают силой инерции большей, чем отклоняющая сила потока, поэтому уменьшение полосы при дожде мало и зависимость между весом гололеда и диаметром провода прямолинейная.
Капли дождя, мороси или тумана могут оседать на проводе только с наветренной стороны, вследствие чего гололедная корка всегда растет навстречу ветру. В результате появляется эксцентричная сила, создающая момент, под действием которого провод с гололедом закручивается и поверхность, подверженная гололедообразованию, увеличивается.
Со временем провод может повернуться на угол более 360° и вся его поверхность будет покрыта осадком цилиндрической формы. Угол закручивания растет с удалением от точек крепления провода. В середине пролета он будет наибольшим, а возле зажимов наименьшим (практически отсутствует).
Толстые провода обладают большей жесткостью, поэтому их способность к закручиванию меньше. Уже отмечалось, что у тонких проводов гололедная корка растет быстрее, чем у толстых. Поэтому может получиться, что при достаточной длине пролета тонкий провод повернется на 90° раньше, чем толстый, и поверхность для образования гололеда у него станет почти равной поверхности толстого провода.
За счет ускоренного закручивания вес отложения на тонком проводе может даже превысить вес на проводе большего диаметра, что иногда наблюдается на линиях.
На размеры гололедообразования существенно влияет направление ветра по отношению к оси провода. При поперечном ветре размеры гололедообразования будут наибольшими.
При ветре вдоль трассы размеры гололедообразования минимальны и составляют примерно 25% по сравнению с гололедом при поперечном ветре. При других направлениях ветра размеры гололеда имеют промежуточные значения.
Вес гололеда зависит от количества влаги в потоке воздуха, которое значительно снижается, если поток проходит через лесную полосу. В этом случае капли оседают на деревьях и за полосой проходит поток с меньшим содержанием влаги.
Помимо этого, лес уменьшает скорость ветра. Таким образом, наличие лесной полосы со стороны гололедонесущего потока уменьшает размеры гололеда. Опыты с проводом, подвешенным на высоте 2 м, показали, что лесная полоса шириной 40 м снижает вес гололеда примерно на 70 — 75%, если провод находится, на расстоянии 15 м от леса.
Различные возвышения местности над проводами со стороны гололедонесущего потока, расположенные достаточно близко от линии, ослабляют скорость потока и приводят к уменьшению веса гололеда на проводе.
Если линия проходит по возвышенности, то за счет повышенной скорости ветра в этом месте она будет подвержена значительным гололедообразованиям в сочетании с сильными ветрами, что особенно неблагоприятно. Поэтому всегда избегают строить линии в таких местах.
Интенсивность гололедообразования зависит от отметки местности над уровнем моря. Частые и длительно сохраняющиеся условия погоды, благоприятствующие образованию гололеда или изморози, наблюдаются в определенном диапазоне отметок. Этим объясняется, почему на высоких отметках местности часто имеют место мощные гололедообразования.
Учет гололедных нагрузок при проектировании линий
При расчете элементов воздушных линий используются так называемые расчетные гололедные нагрузки, которые определяются для каждого района.
Вес гололедообразования, как указывалось, зависит от диаметра провода и его высоты расположения над землей. Поэтому в наблюдения метеостанций вносится соответствующая поправка, учитывающая возможный вес гололеда на соответствующей высоте при действительном диаметре провода.
При расчетах пользуются не действительными значениями размера и объемного веса образования, а приведенными к объемному весу 0,9 и принимается, что по всей длине пролета отложение имеет одинаковую толщину.
Толщина стенки гололеда взята для I района 0,5 см, для II — 1 см, для III — 1,5 см, для IV — 2 см. Считается, что толщина стенки гололеда является одинаковой для всех диаметров провода.
Особо гололедные районы обычно занимают небольшие площади, характеризующиеся особенностями рельефа и климата. Завышение расчетных нагрузок вызывает значительное увеличение стоимости сооружения линии, а занижение может привести к повреждению линии. Таким образом, правильный учет гололедных и ветровых нагрузок при проектировании воздушных линий имеет решающее значение для ее надежной эксплуатации.
Меры борьбы с гололедообразованиями на линиях электропередачи
Плавка гололедообразований электрическим током
Самым действенным способом борьбы с гололедообразованием является плавка гололеда электрическим током. При прохождении электрического тока гололедообразование подплавляется вокруг провода и под собственным весом оседает вниз.
В дальнейшем только верхняя часть провода соприкасается гололедом, в результате чего в нем проплавляется канавка и провод освобождается от гололеда.
Выделяемое в проводе тепло расходуется на его нагрев, на нагрев гололеда до 0 °С и его плавление. Часть тепла теряется конвекцией и совсем мало — лучеиспусканием. Потери конвекцией растут с увеличением скорости ветра и разности температур воздуха и поверхности гололеда.
Таким образом, необходимая величина тока плавки зависит от вида гололедообразования (гололед или изморозь), материала и сечения провода, температуры воздуха, скорости ветра и времени, в течение которого необходимо закончить плавку.
Выше отмечалось влияние рельефа и условий прохождения трассы на размеры отложения. Эти условия сказываются и при плавке гололеда. На участках возвышенных и открытых ветру потери тепла конвекции больше и вес гололеда бывает большим, следовательно, в этих местах плавка происходит медленнее. Поэтому об окончании плавки надо всегда судить по наиболее тяжелым участкам, которые можно заранее выявить.
Нередки случаи, когда, в результате ошибки некоторые участки остаются неоплавленными и дальнейшее нарастание гололеда вызывает повреждения. Для получения необходимых токов плавки используются следующие основные способы:
- короткое замыкание;
- встречное включение фаз;
- перераспределение нагрузок и изменение схемы коммутации сети;
- включение дополнительной э. д. с. в цепь с прогреваемым проводом;
- схема с использованием реактора.
При коротком замыкании линия подключается к источнику тока и закорачивается на другом конце. Источником тока может служить специально выделенный генератор, трансформатор или шины системы. Способ короткого замыкания применяется на линиях с односторонним питанием. На линиях с двусторонним питанием он применяется в случае, когда длина обогреваемого участка линии дает возможность получить необходимый ток плавки.
Одна из схем плавки гололеда: Плавка гололеда на проводах линий электропередачи напряжением 6 - 10 кВ
Профилактический нагрев проводов электрическим током
Если во время гололедообразования пропускать ток, нагревающий провод до положительной температуры, то упавшие на него капли будут стекать, не замерзнув, и нарастания гололеда происходить не будет. Как и при плавке, ток профилактического нагрева зависит от температуры воздуха, скорости ветра, материала и сечения провода.
Для профилактического нагрева необходим меньший ток, чем для плавки, но приходится нагревать провод в течение всего периода гололедообразования. Последнее обстоятельство является существенным недостатком этого метода. Для получения необходимых токов можно применять схемы, используемые при плавке, не требующие отключения линии.
Механические способы удаления гололедообразований и другие способы
Эти способы борьбы с гололедом основаны на механическом разрушении гололеда при помощи удара, давления или резания.
Использование шестов для обивки гололеда требует отключения линии, если не применяются специальные меры. Этот способ трудоемок и мало производителен.
Некоторое преимущество имеет способ использования канатов из изолирующих материалов. При этом, способе канат перебрасывается через провод линии и его передергивания по проводу позволяют разрушить образования изморози. Линия в это время остается под напряжением, в то время как использование обычных веревок требует ее отключения.
Из прочих способов борьбы с гололедообразованием следует упомянуть о смазке проводов химическими соединениями, которые предотвращают смачивание водой поверхности провода (такие соединения называются гидрофобными). Капля воды, упавшая на такой провод, не растекается, а сохраняет форму шара и легко скатывается с поверхности.
Применение твердых гидрофобных материалов показало, что они замедляют развитие гололедообразования в начальный период, а затем их действие прекращается.
Выше отмечалось, что мощные образования гололеда наблюдаются в районах, расположенных на определенных отметках местности над уровнем моря. Выше и ниже этих отметок мощных образований гололеда не бывает. Это обстоятельство можно использовать при выборе трассы линии с тем, чтобы миновать гололедный район.
Средством борьбы с гололедом является также прокладка трассы линии в лесу, в защищенных от ветра местах.