ОПРЕДЕЛЕНИЕ КЛИМАТИЧЕСКИХ НАГРУЗОК НА ВОЗДУШНЫЕ ЛИНИИ
Современный подход

Недоучет климатических нагрузок при проектировании конструкции ВЛ может приводить к аварийным ситуациям на ВЛ и, как следствие, к перерыву в электроснабжении потребителей.
По заказу ФСК ЕЭС специалисты ВНИИЭ разработали методические подходы к определению климатических нагрузок на ВЛ, с целью повышения надежности и живучести ВЛ и улучшения качества электроснабжения потребителя. Базовые принципы, методы и параметры, которые содержатся в новом документе, представляет авторский коллектив: Лариса Владимировна Тимашова, Владимир Андреевич Луговой и Сергей Викторович Черешнюк.

Лариса Тимашова, к. т. н., зав. отделом
Владимир Луговой, зав. сектором
Сергей Черешнюк, старший научный сотрудник
Отдел высоковольтных линий и электрооборудования подстанций, ОАО «ВНИИЭ», г. Москва

Климатические нагрузки, влияющие на работу ВЛ, – это давление ветра на провода и опоры, а также масса и размеры гололедных отложений, действующие в различных сочетаниях. Согласно СНиП 2.01.07-85* [1] и ГОСТ 27751-88 [2] строительные конструкции должны быть спроектированы с достаточной надежностью (способностью сохранять заданные эксплуатационные качества в течение определенного срока службы), с учетом степени ответственности проектируемого объекта.
Для повышения надежности линий электропередачи необходимо совершенствовать подход к учету климатических нагрузок. Современные требования и рекомендации, выработанные в нашей стране и за рубежом, легли в основу «Руководящих указаний по определению климатических параметров и нагрузок с разной обеспеченностью в зависимости от ответственности ВЛ», подготовленных ВНИИЭ по заказу ФСК ЕЭС.

Климатические нагрузки по требованиям ПУЭ-7
Нормативные климатические нагрузки

Ветровая и гололедная нагрузки и ветровая нагрузка при гололеде по ПУЭ 7-го издания [3] определяются по данным наблюдений метеостанций с учетом влияния рельефа и орографии местности, микроклиматических особенностей и опыта эксплуатации ВЛ на заданной территории.
Для получения достоверных климатических параметров в соответствии с требованиями математической статистики должны использоваться наблюдения метеостанций продолжительностью не менее 30 лет. На данный момент накоплены длинные ряды наблюдений (иногда более 50 лет), что позволяет более обоснованно оценивать параметры климатических характеристик.
В соответствии с методическими указаниями [5], значения максимальных годовых климатических характеристик ряда должны быть приведены к условной ВЛ с проводом диаметром 10 мм, подвешенным на высоте 10 м. По полученным значениям ряда строят интегральные кривые распределения и находят параметры климатических характеристик с заданной вероятностью непревышения (повторяемостью). Исходя из найденных параметров определяются нормативные климатические нагрузки на ВЛ с учетом диаметра провода, высоты подвеса провода (нагрузка на провода), с учетом центра тяжести проводов, тросов и средних точек зон конструкций опор ВЛ (нагрузка на опоры).
Ветровая нагрузка определяется по скорости ветра, м/с (ветровому давлению, Па), гололедная – по толщине стенки гололеда, мм.
Для определения ветровой нагрузки при гололеде на конструкции опор и провода различных диаметров по каждому району по данным наблюдений выявляется максимальная скорость ветра при гололеде с повторяемостью 1 раз в 25 лет и вычисляется условная толщина стенки гололеда (b_у).

• по ответственности (g_nw);
• по надежности (g_f);
• регионального (g_p);
• по условиям работы (g_d).

После введения коэффициентов к нормативной нагрузке увеличивается период повторяемости получаемой расчетной нагрузки, так как фактически расчетная нагрузка будет повторяться уже не 1 раз в 25 лет, как нормативная, а в n раз реже. Так, по расчетам, произведенным для 3-го района по 56 метеостанциям Омской, Новосибирской, Курганской, Брянской, Орловской областей и Алтайского края, получено, что для повторяемости нормативной нагрузки 1 раз в 25 лет период повторяемости расчетных гололедных нагрузок может изменяться от 1 раза в 48 лет до 1 раза в 110 лет (вероятность непревышения 0,979–0,991). Для ветровых нагрузок эти колебания составляют от 1 раза в 36 лет до 1 раза в 50 лет (вероятность непревышения 0,972–0,980), для ветровых нагрузок при гололеде – от 1 раза в 33 года до 1 раза в 87 лет (вероятность непревышения 0,970–0,989). ПУЭ последнего, 7-го издания предъявляет более совершенные требования к расчету климатических нагрузок, чем ПУЭ предыдущего, 6-го издания, что видно при рассмотрении актов технологических нарушений в работе электрических сетей.
Так, в таблице 1 приведены оценки климатических нагрузок при авариях на ВЛ 110 кВ, 220 кВ и 500 кВ, спроектированных по ПУЭ-6 (повторяемость 1 раз в 10 лет для ВЛ 110 и 220 кВ и 1 раз в 15 лет для ВЛ 500 кВ), а также расчетные климатические нагрузки (ветровая, гололедная и ветровая при гололеде), полученные по ПУЭ-6 и 7. Видно, что при аварии величина гололедных нагрузок и ветровых нагрузок при гололеде значительно превышает значения, рассчитанные по ПУЭ–6, и в то же время сопоставима, а в некоторых случаях значительно ниже расчетных нагрузок, определенных по требованиям ПУЭ-7. То есть нагрузки, зафиксированные в актах технологических нарушений, не привели бы к авариям, если бы указанные линии проектировались в соответствии с ПУЭ-7.

Аппроксимация данных метеонаблюдений

В практике климатологических исследований для аппроксимации эмпирических функций распределения экстремальных значений метеорологических величин широко применяются следующие типы распределений:
I предельное Гумбеля

II предельное Фишера-Типпетта

III предельное Вейбулла

двухэкспоненциальное трехпараметрическое

где a, b, g, b, c – параметры распределений.

В Методических указаниях 1990 года [5] для аппроксимации эмпирических рядов рекомендуется использовать II предельное распределение. ВНИИЭ было проведено сопоставление кривых I, II, III и биномиального распределений с эмпирическими кривыми, полученными при обработке данных наблюдений 143 метеостанций по ветру и 46 метеостанций по гололеду за период 25–55 лет [4, 6].
Анализ показал, что распределение II в области вероятностей 0,98–0,998 значительно завышает климатические величины, а распределение III занижает их. Ряды климатических величин достаточно надежно аппроксимируются распределением I, поэтому при аппроксимации эмпирических кривых распределения для вероятностей 0,96 и выше необходимо использовать распределение данного типа. Таким образом, в новых Руководящих указаниях, разработанных в 2005 году, предложено применять первое предельное распределение и в исключительных случаях – второе.

Табл. 1. Оценка климатических нагрузок, Н, по актам технологических нарушений в работе электрических сетей и расчетные нагрузки по ПУЭ-6 и ПУЭ-7

СИГРЭ и ПУЭ-7: сравнение рекомендаций по расчетным нагрузкам

• для ВЛ 220 кВ и ниже – 0,98 (повторяемость 1 раз в 50 лет);
• для ВЛ 330 кВ и выше – 0,9933 и 0,998 (повторяемость 1 раз
• в 150 и в 500 лет);
• в некоторых случаях для ВЛ 110, 220 кВ – 0,9933 и 0,998 (повторяемость 1 раз в 150 и в 500 лет);
• для протяженных ВЛ, чтобы уменьшить возможный риск, вероятность непревышения должна быть увеличена.

Табл. 2. Сравнение расчетных ветровых нагрузок, определенных по рекомендациям СИГРЭ, с расчетными нагрузками по ПУЭ-7

Табл. 3. Сравнение расчетных гололедных нагрузок, определенных по рекомендациям СИГРЭ, с расчетными нагрузками по ПУЭ-7

Табл. 4. Степень риска для ВЛ

Надежность и степень риска расчетных нагрузок

Вероятность (p) того, что в течение года нагрузка не превзойдет расчетную величину, равна:

p = 1 – j = 1 – 1 / Т,

где Т – повторяемость (расчетных) нагрузок;

Надежность принятых расчетных нагрузок ВЛ (Р) – вероятность того, что ни в одном году за период n лет нагрузка не превзойдет заданную величину, будет равна:

P = pⁿ = (1 – 1 / T)ⁿ.

Степень риска принятых расчетных нагрузок (R) – вероятность того, что нагрузка будет больше заданной величины хотя бы раз за n лет, определяется как:

Для ВЛ при сроке службы n = 40 и 50 лет степень риска (R) и надежность (P) принятых расчетных нагрузок для требуемой вероятности (р) – повторяемости (Т) представлены в таблице 4.
С увеличением периода повторяемости климатических нагрузок уменьшается вероятность появления нагрузок, превышающих заданные величины, т.е. снижается степень риска.
Определим надежность и степень риска принятых расчетных гололедных нагрузок по ПУЭ-7. Если учесть, что средний период повторяемости расчетных гололедных нагрузок составляет 77 лет, то надежность принятых расчетных гололедных нагрузок за срок службы линии, равный 40 годам, составит 0,59, а степень риска – 0,41. Таким образом, за 40-летний период эксплуатации ВЛ гололедные нагрузки, превышающие расчетные, могут возникнуть с вероятностью 41%.

Повышение надежности ВЛ

«Руководящие указания по определению климатических параметров и нагрузок с разной обеспеченностью в зависимости от ответственности ВЛ», созданные ВНИИЭ по заказу ФСК ЕЭС, разработаны с учетом:

• гармонизации с международными рекомендациями по учету климатических нагрузок на ВЛ (МЭК, СИГРЭ);
• современных отечественных разработок в области учета климатических нагрузок, аппроксимации рядов наблюдений с использованием I предельного распределения Гумбеля, использования опыта эксплуатации ВЛ;
• обеспечения преемственности с действующей в настоящее время нормативно-технической документацией и перехода от нагрузок с повторяемостью 1 раз в 25 лет к нагрузкам требуемой повторяемости, в том числе по картам регионального районирования;
• создания возможности проектирования линии электропередачи в зависимости от её ответственности с учетом требований заказчика.

Следующий шаг:

определение нагрузок с учетом длины ВЛ

• при длине ВЛ < 100 км климатические нагрузки принимаются согласно соответствующему уровню надежности ВЛ (фактически это нагрузки, принимаемые в точке по данным наблюдений метеостанции);
• при длине ВЛ > 100 км период повторения принятых климатических нагрузок должен быть увеличен пропорционально длине ВЛ для обеспечения требуемой надежности (так, например, для ВЛ протяженностью 1000 км климатические нагрузки должны быть приняты с повторяемостью в 10 раз выше изначально принятой для этого уровня надежности ВЛ).

В настоящее время ОАО «ВНИИЭ» разрабатывает «Методические указания по определению климатических нагрузок на ВЛ с учетом её длины».

Литература