МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ДАТЧИК ГОЛОЛЕДА

Как известно, одной из самых частых причин аварий на линиях электропередачи (особенно на высоких напряжениях 35-330 кВ) в зимний период является наличие гололеда. Каждый провод имеет определенный запас по прочности и не может быть рассчитан на многократные перегрузки, вызванные гололедом (из-за экономической нецелесообразности). Сложность борьбы с гололедом заключается так же в том, что намерзание имеет локальный характер. Известные методы борьбы и предупреждения образования на проводах ледяной корки очень ресурсозатратны и не предусматривают возможности постоянного мониторинга состояния линии. Использование датчиков, способных отслеживать распределение гололеда вдоль линии, позволяет определять нагрузку на линию электропередач с большей точностью. А данные поступающие с него могут быть переданы и обработаны в диспетчерском центре, где будет представлена общая картина и выявлены участки линии, нуждающиеся в срочном вмешательстве.

Таким образом можно добиться снижения экономических затрат на обслуживание линии (или избежать штрафов за простой в случае ее обрыва, которые могут в несколько раз превысить затраты на обслуживание) и повысить ее надежность.

Рассматриваемый датчик силы натяжения в нашем случае основан в первую очередь на таком эффекте, как “магнитострикция”, а вернее на явлении ему обратном - “магнитоупругость” (эффект Виллари, открытый в 1865 г.). И если в случае магнитострикции мы наблюдаем изменение размеров, формы и свойств материала под воздействием электромагнитного поля, то при обратном ему эффекте магнитоупругости наоборот, при изменении силы воздействия получаем на выходе некоторый сигнал.

Датчик представляет собой прессдуктор, вырабатывающий сигналы при воздействии на него внешних механических нагрузок.

Рассматриваемое устройство должно обладать следующими функциями:

1. Воспринимать изменение нагрузки на траверсу от веса фазного провода.
2. Иметь первичный преобразователь для получения сигнала.
3. Устройство для передачи этих показаний в указанную точку (в нашем случае диспетчерский центр) – т.е. радиоканал или иной канал передачи информации.
4. Систему защиты от перенапряжений и внешних физических воздействий.

Выполнения первого пункта нам удалось достичь, и мы смогли получить некоторые результаты, указывающие на работоспособность данной идеи. Нами был изготовлен опытный образец прессдуктора, имеющий сравнительно небольшие габариты (25*25*40 мм). Конструктивно он представляет собой параллелепипед, состоящий из пластин электротехнической стали Э310 с 2 высверленными отверстиями для укладывания обмоток. Одним из важных условий является то, что укладка обмоток должна находиться строго под углом в 90 градусов относительно друг друга.

Усилие прилагается к сердечнику в направлении 45° к осям первичной и вторичной обмоток.

При такой конструкции в ненагруженном сердечнике поток первичной

обмотки не охватывает витки вторичной и в последней не наводится ЭДС. При приложении усилия к сердечнику магнитные свойства стали становятся анизотропными, в результате возникает магнитный поток, пронизывающий вторичную(сигнальную) обмотку, и на ней появляется сигнал. Примерную конструкцию устройства можно увидеть на рисунке 1.

Рисунок 1. Конструкция прессдуктора.

Опыт проводился при следующих параметрах:

Напряжение, поданное на питающую обмотку – 5 В;

Частота сигнала, подаваемого на питающую обмотку – 1000 Гц;

Давление, приложенное к датчику: 0 - 200 Кг/;

Диаметр отверстий для укладки обмоток – 5 мм;

Число витков обмоток первичной и вторичной обмоток одинаково – 50 (вторичная обмотка выполнена более тонким проводом, для удобства наматывания).

В результате со вторичной обмотки при помощи осциллографа нам удалось снять сигнал с амплитудой до 180 мВ. Данного сигнала вполне достаточно что бы при дальнейшей обработке его можно передавать посредством ВЧ связи.

Представляет интерес схема питания. Его было решено осуществить по следующей схеме, представленной на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема питания прессдуктора.

Учитывая то, что использование отдельных блоков питания для каждого устройства нецелесообразно, было решено задействовать питание напрямую от фазного провода линии электропередачи через емкостный делитель напряжения. Изображенный на схеме блок 1 представляет собой высоковольтный многоступенчатый делитель напряжения. Блок 2 служит для выпрямления и стабилизации напряжения питания, он аналогичен блоку питания любой энергосберегающей лампочки. Блок 3 представляет собой генератор синусоидального сигнала с частотой 1000 Гц. Данная частота позволяет увеличить индуктивное сопротивление обмоток и увеличить ЭДС сигнала.

Для работы датчика необходимо использовать конструкцию, которая будет обеспечивать давление на плоскости датчика должным образом. Для этого мы спроектировали довольно простой механизм, схема которого представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Конструкция устройства.

Крепление прессдуктора выполняется с помощью обоймы, укрепленной на одной из 2-х П – образных деталей, образующих приспособление для преобразования растягивающего усилия изолятора провода в усилие сжатия прессдуктора между донными плоскостями П – образных деталей. Устройство аналогично приспособлению, применяемому при испытании образцов материала на разрыв.

Далее хотелось бы рассмотреть способы установки и крепления датчика на опоры и траверсы. Нами были выбраны 2 наиболее рациональных способа закрепления датчиков с учетом специфики их работы. Первый представляет собой своего рода подвес, который будет устанавливаться в местах крепления линии к опоре, либо находится перед гирляндой изоляторов (примерные схемы закрепления представлены на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4. Схема крепления на анкерной опоре.

Рисунок 5. Схема крепления на промежуточной опоре.

Второй способ является более трудоемким и предполагает установку дополнительной балки и шарнирного соединения. Таким образом Провод будет цепляться не к траверсе, а к концу этой балки через гирлянду изоляторов и других вспомогательные устройств. Такой способ крепления представлен на рисунке 6.

Рисунок 6. Дополнительный способ крепления на промежуточной опоре.

В данный момент продолжается работа по созданию радиоканала.

Хотелось бы подчеркнуть, что применения подобного рода датчиков не ограничивается одной лишь областью энергетики.

Список литературы:

1. Белов К.П., Левитин Р.З., Никитин С.А. // Физика металлов и металловедение. 1961. Т.11- С. 948.
2. Белов К.П., Соколов В.И. //Журн. экспериментальная и теоретическая физики.1965 Т. 48- С. 979.
3. Вихарев, А.П. Проектирование механической части воздушных ЛЭП / А.П. Вихарев // 2009. – С. 19-23.
4. Гинзбург В. Б., Магнитоуправляемые датчики. — Москва: Энергия, 1970.
5. Кузьминов В. Ю., Фролов А. Г. Магнитосрикционный уровнемер // Журнал Сфера Нефтегаз № 1, 2012 г. стр. 26-28