ТЕХНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ 35 КВ И ВЫШЕ
Методы обследования

В прошлом номере журнала («Новости ЭлектроТехники» № 1(37) 2006) Сергей Валентинович Крылов отметил, что работы по техническому перевооружению, реконструкции и модернизации воздушных линий электропередачи должны производиться по результатам обследования технического состояния ВЛ и их компонентов. При этом необходимо получение достаточно точных и надежных данных, пригодных для анализа.
Автор уже рассказал о методах обследования и способах оценки стальных и железобетонных опор. Сегодня он рассматривает особенности обследований проводов и грозозащитных тросов, изоляторов и линейной арматуры, применяемой на ВЛ.

Сергей Крылов, к.т.н., заведующий лабораторией изоляционных конструкций и арматуры ВЛ ОАО «ВНИИЭ», г. Москва

Провода и грозозащитные тросы
Обследование

Провода фаз ВЛ и грозозащитные тросы, эксплуатируемые как неотъемлемые компоненты ВЛ, подвержены механическому и коррозионному износу, статическим и динамическим нагрузкам. По результатам обследования ВЛ необходимо получить точные данные о процессах потери механической прочности проводов.
В процессе полевых обследований производится уточнение мест изъятия с эксплуатируемой ВЛ образцов проводов и грозозащитных тросов для проведения лабораторных испытаний. В качестве основного метода оценки технического состояния проводов и грозозащитных тросов рекомендуется проведение лабораторных испытаний на растяжение образцов, взятых с ВЛ после длительной эксплуатации. Проводится два вида лабораторных испытаний на растяжение до разрыва:

• на относительно коротких образцах провода (троса) длиной около 0,5 м;
• на длинных образцах длиной не менее 10 м.

Оценка
Испытания на образце провода длиной около 0,5 м
Образец провода разбирается на отдельные проволоки по повивам и каждая проволока испытывается на растяжение до разрыва.
Разрывное усилие монометаллического (медного, алюминиевого) провода Pм рассчитывается на основе суммирования прочностей всех испытанных до разрыва проволок по cледующей формуле:

где р_м – разрывное усилие одной монометаллической проволоки;
n – число проволок в проводе;
а – коэффициент, учитывающий наличие соединений и некоторый разброс в условиях скрутки отдельных проволок, равный 0,95 для проводов с n >7.
Разрывное усилие Р_АС многопроволочного сталеалюминиевого провода вычисляется по формуле:

где p_А – разрывное усилие одной алюминиевой проволоки;
р_С – усилие в одной стальной проволоке при растяжении на 1%, рассчитываемое по напряжению при удлинении испытываемой проволоки на 1% и сечению проволоки;
– коэффициент, учитывающий наличие соединений и некоторый разброс в условиях скрутки отдельных стальных проволок, равный 0,92 для семипроволочных сердечников; 1,0 – для остальных;
n_А – число алюминиевых проволок провода;
n_C – число стальных проволок провода.

Испытания на образце провода длиной не менее 10 м Для определения остаточной прочности провода проводятся испытания на растяжение (нагрузочно-разгрузочные испытания) и испытания до разрыва. Результаты испытаний должны использоваться для детального анализа степени износа грозозащитных тросов и для оценки их технического состояния и темпов старения. Стальные канаты в условиях эксплуатации ВЛ нагружены растягивающими нагрузками силой F. Постоянной величиной для стальных канатов является модуль упругости (модуль Юнга). Модуль упругости вычисляется по формуле: где Ds – приращение усилия в стальном канате (F2 – F1); F – растягивающее усилие; De - приращение нагрузки в интервале, соответствующем приращению усилий. При увеличении растягивающего усилия от начальной величины F1 до F2 стальной канат в области упругой деформации получает относительное удлинение De. В этом случае напряжение s1 в стальном канате при нагрузке F1 равно отношению растягивающей силы F1 к площади поперечного сечения каната S: s1 = F1/S Соответственно при увеличении растягивающей силы до F2 напряжение в стальном канате s2 достигает величины: s2 = F2/S Приращение напряжения в стальном канате s2-1 будет равно: s2-1 = F2/S - F1/S = (F2-F1)/S

Провода и грозозащитные тросы Изоляторы стеклянные Линейная арматура ВЛ

При испытаниях стального каната его удлинения De под нагрузкой определяются прямыми измерениями. Формула приобретает вид:

Е = (F₂ – F₁) / (S•De).

Площадь поперечного сечения каната может быть выражена формулой:

S_с = (F₂ – F₁) / (Е•De).

Это преобразование позволяет на основе данных по результатам нагрузочно-разгрузочных испытаний образцов стальных канатов, демонтированных с ВЛ, определить остаточное сечение Sс стального каната, длительно эксплуатировавшегося на ВЛ.
Такой анализ коррозионных потерь сечения стального каната, проведенный по результатам прямых испытаний каната, демонтированного с ВЛ, после длительного периода эксплуатации, с высокой точностью дает объективные данные, которые невозможно получить путем инструментальных измерений.

Изоляторы
Обследование

Для получения данных о техническом состоянии изоляторов, эксплуатируемых на обследуемой линии, необходимы сведения о ежегодном потоке отказов подвесных изоляторов, как по поддерживающим, так и по натяжным гирляндам изоляторов. Такие данные могут содержаться в эксплуатационной документации, если таковая имеется в полном объеме. При отсутствии информации необходимо провести полное обследование состояния изоляции ВЛ на данный момент.
Вторым путем приобретения необходимой информации является получение образцов изоляторов (из натяжных и подвесных гирлянд изоляторов) для проведения лабораторных испытаний с целью установления возможного снижения прочности изоляторов, длительно эксплуатировавшихся на ВЛ.

Фарфоровые изоляторы

• измерения величины падения напряжения на изоляторах в гирлянде с помощью диэлектрической штанги, так называемое выявление «нулевых» изоляторов. Эту работу необходимо выполнить не менее чем на 10% гирлянд изоляторов, установленных на ВЛ;
• лабораторные испытания демонтированных с ВЛ гирлянд изоляторов на остаточную механическую прочность. Величина выборки – одна поддерживающая гирлянда на 10 км ВЛ и одна натяжная гирлянда на 20 км ВЛ.

Рис. 1. Вероятность отказов изоляторов от времени эксплуатации («кривая жизни»)

t_n – конец периода приработки, начало периода нормальной работы, год;
t_u – конец периода нормальной работы, начало периода износовых процессов, год;
t_n – t_u – период нормальной работы, год.

Рис. 2. Блок-схема моделирования надежности опор ВЛ

L – число лет периода моделирования гололедно-ветровых нагрузок (1000 лет);
N – число моделируемых опор (5000 штук);
Т – число лет эксплуатации опоры (от 1 до 50 лет).

• осмотр всех гирлянд изоляторов на ВЛ;
• регистрацию числа осыпавшихся изоляторов в натяжных и поддерживающих гирляндах. В ведомости обследования следует указывать номер опоры, фазу, число изоляторов в гирлянде и порядковый номер осыпавшегося изолятора в гирлянде, считая от провода;
• лабораторные испытания на остаточную механическую прочность демонтированных с ВЛ стеклянных изоляторов из натяжных и поддерживающих гирлянд. Величина выборки – одна поддерживающая гирлянда на 10 км ВЛ и одна натяжная гирлянда на 20 км ВЛ.

Полимерные изоляторы

Техническое состояние полимерных изоляторов может быть оценено при обследовании на действующей линии путем проведения тепловизионного контроля или электронно-оптическими приборами, а также путем фоторегистрации цифровыми фотокамерами с большой разрешающей способностью (6–15 мегапикселей).
Надежные данные о техническом состоянии полимерных изоляторов могут быть получены путем проведения лабораторных нагрузочно-разгрузочных испытаний изоляторов, демонтированных с ВЛ.

Путем длительных наблюдений за отказами изоляторов на ВЛ 500 кВ установлено, что надежность подвесных изоляторов из фарфора и стекла снижается при увеличении на них среднеэкс- плуатационных длительно действующих нагрузок.
Показателем надежности изоляторов является вероятность их безотказной работы Q, определяемая по формуле:

Q = 1 - q

где q – среднегодовой уровень отказов, т.е. количество отказавших изоляторов в течение одного года, отнесенное к количеству проверенных изоляторов в течение года.
Оценка технического состояния производится путем длительных наблюдений за отказами и сбора данных об отказах изоляторов на ВЛ отдельно для каждой линии электропередачи или ее участка с учетом типа гирлянды, типа изолятора, времени его установки.
По этим данным производится статистическая обработка потока отказов изоляторов на ВЛ. Расчеты производятся по формуле:

где F (t) – вероятность отказов изоляторов к определенному моменту времени, отн. ед.;
n_j, – количество отказавших изоляторов от начала эксплуатации к моменту времени t;
N – общее количество установленных однотипных изоляторов в однотипных гирляндах на одной ВЛ или ее участке.
На вероятностной бумаге распределения Вейбулла строятся «кривые жизни» (рис.1) – зависимость вероятности отказов изоляторов от времени эксплуатации для каждого типа изоляторов и каждой ВЛ отдельно. По изломам на кривой жизни определяются характерные периоды жизненного цикла изолятора:

• в периоде приработки уровни отказов изоляторов во времени снижаются;
• в периоде нормальной работы уровни отказов изоляторов остаются постоянными во времени;
• в периоде износа уровни отказов изоляторов возрастают во времени.

где F(t^u) – вероятность отказов изоляторов к моменту начала процессов износа;
в период процессов износа по формуле:

Если расчеты показывают, что основная совокупность подвесных изоляторов, установленных на ВЛ, находится в периоде износа, то на основе экономических оценок может быть принято решение об их замене.
Для оценки возможного снижения механической прочности всего массива изоляторов под воздействием длительно приложенных эксплуатационных нагрузок необходимо проведение лабораторных испытаний на растяжение (на достаточной выборке подвесных изоляторов).

Линейная арматура относится к элементам ВЛ, подверженным в процессе эксплуатации как статическим, так и динамическим нагрузкам.
В климатических районах с сильными и длительными ветрами повреждения сцепной арматуры характеризуются разрушениями усталостного характера. При этом наблюдается износ деталей шарнирных соединений, пластическая деформация и даже их полное разрушение.
Усталостные повреждения линейной арматуры в процессе эксплуатации ВЛ могут носить накопительный характер и проявляться после достаточно длительной эксплуатации ВЛ. В некоторых случаях процессы износа элементов линейной арматуры могут протекать интенсивно и становятся постоянным источником отказов ВЛ.
Обследования линейной арматуры следует производить в лабораторных условиях на поддерживающих и натяжных гирляндах изоляторов, демонтированных с ВЛ в полном комплекте.
При проведении полевых обследований целесообразно уточнить места демонтажа гирлянд изоляторов в комплекте с арматурой, предназначенных для лабораторных обследований.

Оценку технического состояния линейной арматуры необходимо проводить на основе результатов осмотров, обмеров арматуры, демонтированной с ВЛ. При этом необходимо выявить наиболее поврежденные элементы арматуры в гирляндах изоляторов. Особо следует выделить узлы крепления гирлянд изоляторов к опорам ВЛ и узлы сопряжения цепей изоляторов гирлянды к поддерживающим зажимам.
В случае выявления локальных износов линейной арматуры, необходимо расчетным путем определить степень снижения прочности отдельных элементов арматуры. Следует провести измерения остаточной толщины защитных покрытий и стальных элементов, подвергшихся коррозии.

По результатам анализа проведенных лабораторных испытаний могут быть даны надежные рекомендации о проведении ремонтных работ ВЛ по срокам и объемам.
Для прогнозирования ожидаемых отказов, связанных с воздействием гололедно-ветровых нагрузок, в вероятностные расчеты надежности ВЛ наряду с данными о темпах коррозионного износа элементов опоры вводятся также значения максимальных гололедно-ветровых нагрузок с заданной вероятностью их непревышения.
В общем виде блок-схема для проведения математического моделирования темпов старения опор ВЛ показана на рис. 2.