Экспертное мнение

26.11.2014

— В чем сущность предлагаемого вами метода защиты ЛЭП от гололеда?

— Сначала кратко о самой проблеме. Две глобальные электроэнергетические системы — воздушные линии электропередачи напряжения промышленной частоты (ЛЭП) и контактные сети железных дорог с незащищенными открытыми проводами, простирающимися на тысячи километров, наиболее подвержены неблагоприятному воздействию гололеда.

В основу предлагаемого метода положена следующая идея: следует не бороться с гололедом после его нароста на проводах, что приводит к гибельным последствиям, а греть провода при приближении гололедной обстановки до положительных температур (15-20°С), предотвращая нарост наледи на проводах. Реализация данной исходной идеи возможна с помощью электромагнитных волн (ЭМВ).

Таким образом, сущность предлагаемого нового метода борьбы с гололедом, а точнее, не борьбы, а защиты названных объектов электроэнергетики от гололеда, состоит в преобразовании энергии электромагнитных волн (ЭМВ) в тепло. В рамках этого общего направления разработаны и экспериментально проверены два способа: на основе бегущей ЭМВ и с помощью стоячей ЭМВ.

Принцип технической реализации первого способа отражает рис.1, на котором показано присоединение с помощью высоковольтных вакуумных конденсаторов высокочастотного генератора частотой в диапазоне 100 МГц к трехфазной линии электропередачи. По проводам одновременно, не мешая друг другу, распространяются две бегущие волны, одна из которых (50 Гц) переносит электрическую энергию, а другая (частотой около 100 МГц) — греет эти провода.

При данном методе преобразование энергии ЭМВ в тепло происходит в силу двух физических явлений: скин-эффекта, связанного с вытеснением тока к поверхности проводника при высокой частоте (ВЧ), вследствие чего омическое сопротивление проводника резко возрастает (в 500 и более раз), и принудительного преобразования излучаемой электромагнитной энергии в тепло с помощью специальных небольших капсул, размещаемых на проводах через 5–10 м. В силу двух названных физических явлений происходит интенсивное преобразование электромагнитной энергии в тепло, и провод разогревается до температуры 15–20°С. На теплых проводах ледяная пленка образовываться не будет. Данный способ борьбы с гололедом может оказаться особенно востребованным в труднодоступных районах.

Для устранения пагубного влияния гололеда на контактную сеть функционирования железнодорожного и скоростного трамвайного транспорта предлагается использовать второй способ преобразования электромагнитной энергии в тепло — посредством стоячих ЭМВ, с помощью которых можно дистанционно, быстро расплавлять ледяную пленку, образующуюся на контактном проводе. Установка включает магнетрон непрерывного действия микроволнового диапазона и резонатор открытого типа из двух металлических отражателей.

 

Рис. 1. Техническая реализация метода на основе бегущей ЭМВ

 

— В чем преимущества такого метода защиты ЛЭП?

— В настоящее время основной способ борьбы с гололедом на ЛЭП — метод плавки. И первое преимущество связано с тем, что в данном случае плавки гололеда, весьма опасной и дорогостоящей операции, можно избежать.

Во-вторых, этот способ позволяет не отключать потребителей от сети во время нагрева, поскольку ток промышленной частоты 50 Гц и ВЧ-волна распространяются по линии электропередачи одновременно без короткого замыкания проводов.

В-третьих, мой метод на порядок экономит количество расходуемой энергии, поскольку нагревать провода достаточно на 15–20°С по сравнению со 100–130°С при плавке, и исключается обугливание проводов, в том числе и нового типа марки 3МTM ACCR.

В-четвертых, открывается возможность полной автоматизации процесса по предупреждению образования гололеда на ЛЭП.
 

— Каких результатов удалось достичь на сегодняшний день?

— Работа по созданию нового метода защиты от гололеда была начата в 2007 г. В 2008 г. совместно с МИРЭА был получен патент на изобретение. Все исследования я вел самостоятельно в лаборатории МИРЭА, где преподаю много лет, а также на экспериментальной базе в г. Подольск. За 8 лет была разработана теория, которую подтвердили лабораторные эксперименты. На сегодняшний день можно приступать к созданию промышленной установки и натурным экспериментам.

 

Рис. 2. Метод на основе стоячей ЭМВ предполагает размещение отражателей на дополнительном пантографе, тем самым обеспечив постоянное расположение контактного провода в центре электромагнитного поля резонатора

 

— Расскажите подробнее об экспериментальной проверке предлагаемого метода борьбы с гололедом.

— Для экспериментальной проверки нагрева проводов с помощью высокочастотной электромагнитной волны мной был изготовлен высокочастотный генератор мощностью 500 Вт частотой 81,36 МГц, разрешенной к применению для промышленных и научных целей согласно «Регламенту радиосвязи», и проведены испытания по нагреву экспериментальной двухпроводной линии с проводами типа  АС-16. Испытания проводились на территории Подольского химико-металлургического завода (ПХМЗ).

При испытаниях поверхность проводов нагревается в среднем на 15–20°С относительно температуры окружающего воздуха при удельной мощности затрат электроэнергии, равной 3 Вт/м. Таким образом, экспериментально подтверждено предложение по нагреву с помощью высокочастотных электромагнитных волн проводов, что должно предотвращать образование на них наледи.

Экспериментальная проверки предлагаемого способа уничтожения ледяной пленки на контактном проводе проводилась мной в лаборатории факультета РТС государственного технического университета МИРЭА. Установка включает магнетрон мощностью 800 Вт с блоком питания от серийно выпускаемой микроволновой печи и два металлических отражателя диаметров 24 см. Банка с водой, помещенная в свободное пространство между отражателями, при мощности магнетрона 800 Вт за 2 минуты нагревается на 70°С относительно первоначальной температуры. Испытания проводились в помещении с металлическим экраном, отделяющим лабораторную установку от экспериментатора.

Таким образом, экспериментально подтвержден принцип быстрого, дистанционного нагрева воды с помощью микроволнового генератора (магнетрона) частотой 2450 МГц и открытым резонатором. Следовательно, с помощью предлагаемого способа при соответствующей мощности магнетрона возможно практически мгновенное расплавление ледяной пленки на контактном проводе и обеспечение условий для надежного контакта с ним графитового токоприемника пантографа. Расположив группу таких микроволновых нагревателей перед основным пантографом, каждый локомотив или трамвай будет, образно говоря, расчищать перед собой дорогу, избавляясь от гололеда на контактном проводе.

 

Высокочастотный генератор мощностью 500 Вт для создания бегущей ЭМВ

 

— Известны ли в мире другие попытки использовать электромагнитное излучение для борьбы с гололедом на объектах электроэнергетики?

— Мне неизвестны. В этой связи могу только заметить, что перед выдачей российского патента на данный способ проводился тщательный патентный поиск, в том числе и по международным базам патентов. Ничего подобного найдено не было.

 

— Каким образом обезопасить людей, которые могут находиться поблизости от линии электропередачи, от негативного воздействия электромагнитных волн?

— Для ЛЭП предлагается использовать частоту 81,36 МГц, разрешенную к применению для промышленных и научных целей согласно «Регламенту радиосвязи». Во-первых, эта частота безвредна для человека, по меньшей мере, на два порядка по сравнению с частотой для сотовых телефонов. Во-вторых, электромагнитное поле сосредоточено, в основном, между проводами, и по моим расчетам допустимая норма на излучение (не более 200 мкВ/м на расстоянии в 30 м) будет выполняться. Но требуется, конечно, произвести соответствующие измерения после изготовления промышленного образца и внести полную ясность в этот вопрос.

Относительно излучения на железной дороге. Во-первых, выбранная для нагрева частота 2450МГц согласно «Регламенту радиосвязи» предназначена для промышленных и бытовых нужд. Да, ее излучение опасно для человека. При этом защититься от излучения по сторонам от локомотива сравнительно просто с помощью сплошных экранов или в виде металлической сетки, устанавливаемой на крыше локомотива. Остается только излучение вверх, опасное для пешеходов при прохождении поезда под мостом. Поэтому на тех участках мостов, где это излучение превысит допустимую норму, необходимо будет проложить металлическую сетку.

 

Лабораторная установка для проверки метода стоячей ЭМВ

 

— Можно ли оценить приблизительную стоимость применения предлагаемого метода? Как она соотносится со стоимостью других методов защиты от гололедообразования?

— В предлагаемом методе главная экономическая составляющая — это стоимость ВЧ генератора. Для ЛЭП это УКВ радиовещательные радиопередатчики, выпускаемые промышленностью. Стоимость одного такого передатчика мощностью 10 кВт не превышает 2 млн руб. для трассы длиной в 5 км.

При экономическом анализе следует учитывать не только стоимость проведения плавок (оборудование для плавки; потери от отключений на время плавки), но и потенциальный ущерб, который приносит гололед и аварии, связанные с ним.

Приведем в этой связи несколько цифр по материалам, размещенным в Интернете. Так, ликвидация только одной аварии, происшедшей на территории Московской обл. в декабре 2010 г., привела к отключению 217 высоковольтных линий, 134 высоковольтных питающих центра в 220 кВ, а также более 10 тыс. трансформаторных подстанций. Около 400 тыс. жителей Подмосковья оставались без света на протяжении двух недель, на несколько дней был обесточен аэропорт Домодедово и остановлена работа многих предприятий. Нанесенный экономический ущерб составил около 2 млрд руб. 

Еще более разрушительные последствия приносит ледяной дождь и связанный с ним гололед. К примеру, в электросетях Канады такой дождь 23 декабря 2013 г. оставил без электроэнергии 400 тыс. человек и принес ущерб в несколько миллиардов долларов. В октябре этого года ледяной дождь привел к серьезным авариям в электросетях Чувашии. В связи с общим потеплением климата на Земле никто не застрахован от повторения бедствий, вызываемых гололедом.

 

— Насколько установка для предупреждения гололеда будет сегодня востребована?

— Заинтересованность в применении ЭМВ для защиты от гололеда уже выразили многие представители отрасли. В частности, группа экспертов ФСК ЕЭС в ноябре 2011 г. ознакомилась с работой экспериментальной установки в г. Подольск и на состоявшемся обсуждении дала положительную оценку новому методу борьбы с гололедом в электросетях. Также я получил серию запросов от нескольких нефтяных компаний, страдающих от перебоев с подачей электроэнергии из-за гололеда и несущих в связи с этим значительные убытки. С методом борьбы с гололедом на железнодорожном транспорте с демонстрацией действующего лабораторного стенда в мае 2014 г. ознакомлена представительная комиссии из РЖД.

Судя по количеству обращений ко мне по поводу метода борьбы с гололедом с помощью электромагнитных волн, потенциальный рынок сбыта изделий имеется.

Проведенная работа может служить стартовой площадкой для создания первых промышленных установок. Причем, все основное оборудование для них имеется. Так для ЛЭП можно воспользоваться готовыми УКВ радиопередатчиками, а для железной дороги — микроволновыми печами. Стоимость пилотной промышленной установки для ЛЭП не превысит 10 млн руб., а для локомотива или скоростного трамвая — 5 млн руб.

На сегодняшний день я ищу инвесторов, готовых вложить средства в перспективный проект. Я готов сотрудничать с производственной фирмой, которая возьмется за изготовление промышленного образца, передать свои наработки и поделиться опытом.

 

Подготовила Екатерина Зубкова