 |
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ 35-750 кВ
Комплекс работ и предложений
Анализ состояния эксплуатируемых воздушных линий на базе статистических
методов позволяет получить достоверную информацию о надежности электрических сетей и установить причинно-следственную связь между природно-климатическими воздействиями, условиями эксплуатации конструкций
и уровнем их надежности.
Наши московские авторы рассматривают данные по влиянию различных факторов на элементы ВЛ, акцентируют внимание на основных аспектах, повышающих
аварийность линий, и дают рекомендации по ее снижению.
Рамзия Каверина,
начальник центра инжиниринга воздушных линий
Феликс Коган,
д.т.н., заместитель директора по электрической и гидроэнергетической части
главный специалист Филиал ОАО «Инженерный центр ЕЭС» – «Фирма ОРГРЭС», г. Москва
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ СОСТОЯНИЯ ВЛ
Надежность работы ВЛ обусловлена совокупностью ряда факторов. Выявить истинные причины отказов ВЛ и наметить пути совершенствования ВЛ можно только на основании статистических данных
о повреждаемости их элементов. Отказы являются единственным
критерием проверки правильности практических решений и теоретических предпосылок.
Анализ возникших проблем с передачей электроэнергии в России
показывает, что в последнее время массовые повреждения ВЛ вызваны в определяющей мере старением основных фондов. В настоящее
время в эксплуатации находится около 500 тыс. км линий 35–500 кВ
на металлических, железобетонных и деревянных опорах. Основная
масса ВЛ была построена в 60–70 годах прошлого столетия. При их
проектировании исходили из срока службы 30 лет. Долговременность
защиты от коррозии, износа от знакопеременных нагрузок, старение
материалов были рассчитаны на эти же сроки. Доля линий со сроком
эксплуатации более 30 лет растет, так как новое строительство и
реконструкция ВЛ с 1991 года проводятся в малых объемах.
Протяженность ВЛ на металлических опорах составляет 25%,
на железобетонных – 57% и на деревянных – 18% от общей протяженности линий. Протяженность ВЛ 35–500 кВ по напряжениям
и количеству цепей приведена в табл. 1.
Средний срок эксплуатации ВЛ на различных опорах на 1 января
2006 года составляет (лет):
- металлических – 41,6;
- железобетонных – 30,1;
- деревянных – 41,4.
Приведенные данные по срокам эксплуатации указывают на масштабное старение высоковольтных линий, что ведет к недопустимому их износу. Например, по данным института «Энергосетьпроект»,
износ ВЛ составляет 36%, что привело к увеличению числа отказов
за последние 10 лет в 1,6 раза.
В 1996 году было зафиксировано 2344 отказа ВЛ 35–500 кВ,
в 1998 – 3797, в 2000 – 3687, в 2003 – 3706 отказов. Данные за последние годы сейчас находятся в обработке, но ориентировочно
составляют около 3730 отказов в год.
Фирма ОРГРЭС с 50-х годов ведет анализ причин технологических нарушений в работе энергосистем, который позволил
классифицировать отказы ВЛ, и в частности аварии, вызванные нарушением работоспособности отдельных элементов ВЛ. Этот анализ
показывает, что значительное число отказов ВЛ является следствием
повреждения проводов, изоляторов, а также отключений из-за
грозовых перенапряжений. Опоры являются достаточно надежным
элементом линий электропередачи, однако разрушения опор имеют
наиболее тяжелые последствия и приводят к большим затратам,
связанным с восстановлением ВЛ и недоотпуском электроэнергии.
Распределение отказов по элементам ВЛ приведено в табл. 2.
НАДЕЖНОСТЬ ОПОР И ФУНДАМЕНТОВ ВЛ
Анализ причин отказов ВЛ, проведенный исследовательскими
учреждениями (Донбасская академия строительства и архитектуры,
московские ОРГРЭС, ВНИИЭ, институт «Энергосетьпроект»), показывает, что интенсивность отказов зависит от срока службы ВЛ.
Например, эта зависимость для ВЛ 35–330 кВ на металлических
опорах, которые в основном были сооружены в 60–70 годы в южной
части СССР, иллюстрируется графиком на рис. 1.
Опоры ВЛ этого периода (до введения СНиП 11-В, 3-62, который
в настоящее время отменен) характеризуются тем, что конструкции
опор выполнялись в основном сварными из кипящей стали, имеющей повышенную склонность к трещинообразованию и хрупкому
разрушению при отрицательной температуре. Имелся и ряд других
недостатков: например, стыки между сварными секциями закрывались односторонними накладками, защита от коррозии выполнялась
только лакокрасочными покрытиями.
Параметр потока отказов для таких конструкций за первые 4
года эксплуатации понижался, а между 4–12 годами (8 лет) повышался (период приработки конструкций ВЛ), а затем между
12 – 25 годами (13 лет) стабилизировался. В дальнейшем параметр
потока отказов из-за износа и старения элементов ВЛ возрастал
вплоть до момента проведения капитального ремонта или реконструкции ВЛ.
После введения СНиП 11-В, 3-62 и унификации опор их конструкция была пересмотрена. Начали применяться стали повышенного
качества (спокойной плавки), оцинкованные детали, изменилась
конструкция стыка (двойные накладки) и т. д.
 Интересны цифры потока отказов ВЛ с 1958 по 2003 год. По
статистическим данным, с 1958 по 1976 год прошлого столетия
средний срок эксплуатации не превышал 25 лет, и поэтому в этом
интервале не наблюдалось характерное повышение потока отказов.
В период с 1976 по 1982 год поток отказов резко понижается. Эти
годы характеризуются массовым вводом в эксплуатацию новых
линий (до 15 тыс. км в год против 1,5–2,0 тыс. км в год в прежние
годы). Затем с 1982 по 1992 год аварийность вновь повышается
до уровня 1976 года и продолжает постепенно расти вплоть до
нынешнего века. С 2000 года поток отказов начал стабилизироваться, так как с этого времени оживился процесс ремонта и
реконструкции ВЛ.
Параметр потока отказов в последнее время для металлических
опор составляет 0,0129, для железобетонных опор – 0,0105, для
деревянных опор – 0,11.
Сейчас можно сделать следующие выводы:
- повреждаемость опор носит износовый характер, ее величина определяется нормами проектирования, материалом, из которого изготовлены опоры, уровнем обслуживания при эксплуатации, качеством оценки технического состояния и проведения необходимых ремонтов;
- период до капитального ремонта металлических опор, запроектированных по действующим СНиП и ПУЭ, составляет порядка 30–35 лет;
- уровень отказов опор еще не стабилизировался и превышает установившийся уровень 60–70 годов в 1,9–2,0 раза.
При этом утверждения о более высокой несущей способности
опор, создаваемых в странах Западной Европы, США, Канады, по
сравнению с отечественными, запроектированными для аналогичных климатических условий, не состоятельны. Опоры ВЛ и порталы
ОРУ, изготовленные за рубежом, значительно менее металлоемки и,
следовательно, менее прочны (даже с учетом применения высокопрочных сталей). Достаточная надежность при этом обеспечивается
за счет применения мощной антикоррозионной защиты, в первую
очередь цинкования и комбинированных покрытий, а также строгого
соблюдения технологических норм на всех стадиях строительного
производства и эксплуатации.
Возникший в последние годы вид отказов ВЛ – от вандализма –
довольно сильно снизил надежность металлических опор. Эксплуатацией часто высказываются предложения создавать опоры ВЛ,
которые могли бы воспринимать заданную нагрузку даже при демонтаже нескольких элементов. Однако задача проектировщика – разработать максимально экономичную конструкцию при соблюдении
требований действующих нормативных документов, т.е. добиться
минимума затрат при необходимой прочности. Многократное же
резервирование и введение дополнительных элементов исключительно для обеспечения устойчивости сооружения при несанкционированном вмешательстве в его работу приведет лишь к увеличению
стоимости ВЛ и едва ли предотвратит аварии и отказы.
ЗАВИСИМОСТЬ ОТКАЗОВ ОТ МАТЕРИАЛА ОПОРЫ
Следует отметить, что в начальном периоде эксплуатации
повреждаемость металлических опор в 1,5 раза ниже, чем железобетонных опор. Однако если железобетонные опоры в течение
15–20 лет после приработки конструкций находятся в периоде
стабильного состояния и их повреждаемость остается примерно
на одном уровне, то металлические опоры к этому сроку находятся
под влиянием износового фактора. В результате их повреждаемость сравнивается.
Основная причина значительной начальной разницы в повреждаемости между металлическими и железобетонными опорами
заключается в сильной зависимости несущей способности последних от качества заделки их в грунте.
Часто железобетонные опоры под действием внешних нагрузок приобретают крен, что создает дополнительный изгибающий
момент в стойке опоры, вызванный значительной собственной
массой конструкции, способствующей дальнейшему увеличению
наклона. От этого несущая способность железобетонных опор резко снижается, что приводит к их разрушению. Доля изгибающего
момента от вертикальных нагрузок достигает в гололедных районах
порядка 35%, а при слабой заделке опор 50% и более. Отказы железобетонных опор из-за гололедно-ветровых нагрузок превышают
те же значения для металлических опор в 1,9 раза. К сожалению, в
эксплуатации этому фактору уделяется мало внимания.
Другая причина пониженной надежности железобетонных опор
в период приработки – большое число скрытых дефектов. К таким
дефектам в первую очередь следует отнести обрывы арматуры,
отклонения от проектного армирования, несоответствие классов
бетона и стали расчетным, пустоты и раковины в теле бетона и др.
Отказы по этим причинам составляют 35,5%.
Наличие трещин в стойках опор в настоящее время не сказывается на надежности, так как процесс коррозии арматуры не достиг
критического значения. Судя по опыту применения железобетонных
опор в Калининградской области (с 1932 года), влияние коррозии
арматуры начинает сказываться после 50–60 лет эксплуатации.
Поэтому ремонт по закрытию трещин является актуальным, так как
в дальнейшем это скажется на надежности опор.
Крен металлических конструкций из-за неудовлетворительного
закрепления в грунте наблюдается весьма редко. Основная причина разрушения металлических опор – это превышение реальных
нагрузок и воздействий, а также коррозионный износ элементов
при длительной эксплуатации. К вышесказанному необходимо
добавить, что преобладают отказы износового характера при
сверхрасчетных нагрузках. Об этом свидетельствует тот факт, что
в тех случаях, когда причиной отказов являлся только ураганный
ветер, металлические опоры имели срок эксплуатации 10–15 лет,
а отказы конструкций, которые эксплуатировались менее 10 лет,
не превышали 15% от общего числа отказов.
К наибольшему числу отказов ВЛ 35–500 кВ в расчете на 100 км
трассы приводят повреждения деревянных опор. При практически
одинаковых внешних воздействиях высокий уровень повреждаемости ВЛ на деревянных опорах может быть объяснен низким
сроком службы (7–15 лет) из-за значительной потери прочности
вследствие загнивания и невозможности своевременного его
устранения.
В табл. 3 приведено распределение отказов ВЛ в зависимости
от вида опор. Указанные недостатки опор и других элементов ВЛ
можно предотвратить только на основе современной диагностики
их технического состояния.
Диагностика является неотъемлемой частью технического
перевооружения. Существующая система диагностики состояния
оборудования электрических сетей не эффективна, что связано
как с отсутствием на объектах электрических сетей технических
средств, так и с недостаточностью нормативно-методической базы
по всему спектру возможных систем диагностики. К решению этого
вопроса, по нашему мнению, необходимо привлечь ОРГРЭС как
организацию, имеющую обширный теоретический и практический
опыт в этом направлении.
МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПОВЫШЕНИЮ НАДЕЖНОСТИ
Актуальность и необходимость технического перевооружения
ВЛ продиктованы физическим и моральным износом электрических сетей, но при этом требованиями повышения их пропускной
способности. Моральный износ вызван техническим старением в
результате научно-технического прогресса, а физический износ –
отработкой ВЛ срока эксплуатации (фото 1, 2, 3). Проблемы морального износа решаются техническим перевооружением, а физического – реконструкцией и капитальным ремонтом. Структура
отказов показывает на очередность проведения мероприятий по
повышению надежности:
- повышение нагрузок от ветра и гололеда на стадии проектирования нового строительства и реконструкции старых сетей. Проведение перерасчета опор старой унификации на нагрузки ПУЭ 7-го издания и создание новой унификации опор;
- повышение качества эксплуатации на основе улучшения диагностики состояния элементов опор и проведения своевременного ремонта. Техническое перевооружение и реконструкция являются основой повышения надежности на стадии эксплуатации;
- К настоящему времени назрела необходимость в коренном обновлении электрических сетей, создании линий нового поколения, отвечающих экономико-экологическим требованиям и современному техническому уровню по долговечности и надежности. Одним из направлений развития является применение новых конструкций и материалов, позволяющих довести срок службы вновь строящихся и реконструируемых линий до 70 и более лет.
Среди новых конструкций для ВЛ рассматривается применение
стальных многогранных оцинкованных опор закрытого профиля,
устанавливаемых на буронабивных, а в пучинистых грунтах – на
шпунто-забивных фундаментах. Многогранные опоры имеют ряд
существенных преимуществ по сравнению с решетчатыми металлическими и железобетонными конструкциями. Они:
- технологичны при изготовлении и монтаже, позволяют в короткие сроки строить и восстанавливать ВЛ;
- долговечны за счет обтекаемой формы, отсутствия мест скопления влаги и невозможности проявления фактора вандализма.
При проведении комплексного технического перевооружения
рекомендуется создание унифицированных опор, за основу конструктивных решений которых предлагается взять многогранные опоры на
базе одного модуля, позволяющего собирать одностоечные и портальные свободностоящие опоры и на оттяжках для ВЛ 35–750 кВ.
Применение унифицированных многогранных стальных опор на
базе модуля для ВЛ напряжением 35–750 кВ позволит:
- снизить расход металла до 20% по сравнению с решетчатыми конструкциями из-за применения в конструкции преднапряженных телескопических и фланцевых стыков, современной технологии гнутья листовой и фасонной стали;
- удешевить стоимость сооружений новых ВЛ на 5–10% по сравнению с ВЛ с решетчатыми конструкциями опор;
- минимизировать объем запаса строительных конструкций для ликвидации аварий на существующих ВЛ, который по количеству типоразмеров сведется к одному модулю с комплектующими деталями, обеспечить создание компактных складов аварийного резерва в любых МЭС или энергосистеме, не требующих полного набора всей номенклатуры установленных опор ВЛ 35–750 кВ;
- сократить время и трудозатраты на ремонтно-восстановительные работы, так как опоры собираются из готовых секций;
- обеспечить доставку опор в труднодоступные места, так как секции опор имеют небольшие вес и габариты;
- исключить затраты, связанные с временной установкой и последующей заменой опор, так как опоры рассчитаны на рабочие ветровые и гололедные нагрузки и устанавливаются для постоянной эксплуатации;
- исключить ущерб от вандализма, который составляет 15% и более от общего количества отказов ВЛ с решетчатыми опорами.
При разработке проектов необходимо уделить основное внимание защите металлоконструкций от коррозии путем применения
метода горячего цинкования при сооружении новых линий и комбинированных покрытий при ремонте старых.
Работы в этом направлении только начаты и необходимо их
форсировать.
В следующем номере журнала авторы рассмотрят такие
элементы ВЛ, как провода, грозозащитные тросы, арматуру,
изоляторы, а также выскажут свои обобщающие предложения
по повышению надежности ВЛ.
| 
|
