ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ 35-750 кВ
Комплекс работ и предложений

Надежность работы воздушных линий обусловлена совокупностью ряда факторов. Выявить истинные причины отказов и наметить пути совершенствования ВЛ можно только на основании статистических данных о повреждаемости элементов ВЛ. Отказы – единственный критерий проверки правильности практических решений и теоретических предпосылок.
В прошлом номере журнала («Новости ЭлектроТехники» № 4(46) 2007) московские авторы рассмотрели данные по отказам опор и фундаментов ВЛ. Сегодня они обращают внимание на другие элементы ВЛ.

Рамзия Каверина,
начальник центра инжиниринга воздушных линий
Феликс Коган,
д.т.н., заместитель директора по электрической и гидроэнергетической части

Леонид Яковлев,

главный специалист
Филиал ОАО «Инженерный центр ЕЭС» – «Фирма ОРГРЭС», г. Москва

НАДЕЖНОСТЬ ПРОВОДОВ И ГРОЗОЗАЩИТНЫХ ТРОСОВ

Как показывает распределение отказов по элементам ВЛ, выход из строя проводов и грозозащитных тросов составляет от 40 до 55% от общего количества всех нарушений.
Основные причины повреждения проводов и грозозащитных тросов – превышение гололедных нагрузок, износ от действия вибрации, пляски и коррозии. Отказы, связанные с потерей несущей способности проводов, носят износовый характер и увеличиваются примерно на 3–5% в год. С 1955 года их количество возросло в 2,8 раза. Исключение составляют 70–80-е годы, когда количество отказов несколько снизилось из-за массового ввода в эксплуатацию новых линий, на которых износовый фактор не успел сказаться.
Применение в расчетах повышенного среднеэксплуатационного тяжения в проводах (30% от разрывного усилия в проводе вместо 25%, принятых в зарубежной практике), а также использование проводов и грозозащитных тросов с повышенной несущей способностью потребовало проектирования усиленной вибрационной защиты с применением гасителей вибрации нового поколения и протекторов, устанавливаемых на проводах в местах подвески. Такие мероприятия при проектировании ВЛ с повышенным тяжением не были предусмотрены, что привело к большим потерям при эксплуатации.
Остановимся на наиболее характерных повреждениях и отказах проводов и грозозащитных тросов на линиях электропередачи России. Наиболее часто повреждаются провода на переходах ВЛ через водные преграды в местах установки в роликовых подвесах. Защита от вибрации на переходах выполняется в виде двух гасителей Стокбриджа и защитных муфт, устанавливаемых с зазорами между проводом и внутренней полостью 2–3 мм. Работа такой конструкции оказалась совершенно неэффективной, и она спровоцировала интенсивный износ провода и самих муфт (рис. 1).
На тридцати обследованных переходах ВЛ использование этих устройств приводило к разрушению провода и самих муфт после 8–10 лет эксплуатации, а в северных районах – после 3–5 лет.
В настоящее время разработан поддерживающий зажим типа ПОН – глухая лодочка, оборудованная ограничителем выхода провода из зажима при аварийных ситуациях за счет шпоночного устройства, работающего на срез. Данное устройство защищает опору от разрушения из-за нагрузок аварийного режима (рис. 2).
Глухое крепление провода в лодочке прошло опытную проверку на нескольких переходах, где показало высокую эффективность.
Критическое положение сложилось с надежностью проводов в северных районах России. Так, например, за зимний период 1998–1999 гг. в Северных сетях «Тюменьэнерго» имело место около 60 нарушений энергоснабжения из-за обрыва проводов ВЛ различных классов напряжения, причем подавляющее количество аварий было зафиксировано при понижениях температуры за – 40O С и соответственно при повышенных тяжениях. Осмотры показали, что абсолютно все обрывы произошли в местах, где провод был уже ослаблен усталостными разрушениями от вибрации, причем как в алюминиевых, так и в стальных повивах. Все разрушения имели место вблизи поддерживающих зажимов, гасителей вибрации, а иногда в точках выхода провода из соединительных зажимов. Именно в этих местах знакопеременные механические напряжения от вибрации имеют наибольшую величину.
Аналогичная картина складывается на проводах и тросах, эксплуатируемых в более благоприятных климатических условиях, например, на проводах с повышенной несущей способностью типа АЖС и стальных тросах, которые, как правило, смонтированы с повышенным тяжением (рис. 3).
Большую опасность для ВЛ представляет отложение гололеда, изморози и мокрого снега на проводах с точки зрения как статических, так и динамических нагрузок в виде колебаний различных типов. Гололедные нагрузки, в том числе и сверхрасчетные, обычно формируются при атмосферном процессе, действующем одновременно на территории одной-трех энергосистем. Аварии при гололедно-ветровых нагрузках парализуют систему энергоснабжения потребителей на территории нескольких областей вследствие массовых обрывов проводов, разрушения арматуры, изоляции и поломок опор ВЛ. При гололедных отложениях менее нормативных могут возникнуть колебания, в том числе пляска при одностороннем отложении гололеда и низкочастотная вибрация при цилиндрической форме изморози (рис. 4, 5).
Борьба с обледенением проводов в течение многих лет оставалась важной задачей, которая решалась различными способами. Их усматривали главным образом в повышении прочности элементов ВЛ или полной ликвидации гололеда (плавке). При этом практически не использовались способы активной борьбы за уменьшение его количества.
Исследования массовых аварий и отказов из-за гололеда показали, что невозможно оптимально спроектировать линию, рассчитав и определив только геометрические параметры ВЛ по прочности без использования различных способов и устройств, позволяющих ограничивать величину гололедообразований.
Приведенные примеры показывают, что ошибки, совершенные на стадии проектирования, привели к невосполнимым потерям при эксплуатации ВЛ. Необходимо было разработать конструктивные решения подвесок проводов и тросов с использованием арматуры второго поколения и современной защиты от вибрации и пляски проводов. В этом направлении в России сделан технический прорыв, позволяющий успешно вести борьбу за надежность проводов и грозозащитных тросов. Так, разработаны унифицированные конструкции:

• для защиты одиночных проводов от всех видов колебаний и гололеда – ограничители типа ОГК;
• для защиты от пляски расщепленной фазы на два и более провода – гасители пляски типа ГПП и ГПР;
• для защиты от вибрации – гасители вибрации типа ГВУ.

НАДЕЖНОСТЬ АРМАТУРЫ

Основной причиной нарушения работоспособности арматуры являются дефекты изготовления, монтажа, ремонта, которые составляют 50% от общего числа повреждений. Второе место среди причин повреждений занимают знакопеременные нагрузки – 33,4%.
С первой причиной, приводящей к нарушению работоспособности линейной арматуры, необходимо бороться путем повышения контроля при ее изготовлении, монтаже и эксплуатации.

Повреждения линейной арматуры от действия знакопеременных нагрузок носят усталостный характер. Основными факторами, приводящими к усталостным повреждениям линейной арматуры, являются вибрация и пляска проводов и грозозащитных тросов.
На ВЛ с повышенной вибрацией происходит разрушение гасителей вибрации: прогибы тросиков, сбрасывание грузов, уход гасителей в пролет и т.д.
Пляска является одной из наиболее опасных разновидностей колебаний для арматуры. Анализ случаев пляски проводов на ВЛ 35–750 кВ показывает, что до 90% случаев пляски приводят к нарушению режима работы ВЛ или к повреждению их элементов, причем только в 30% случаев нарушения ограничиваются кратковременными отключениями, а в остальных случаях перебои в работе линии длятся от нескольких часов до нескольких суток. В процессе пляски провода и линейная арматура испытывают действия значительных циклических (пульсирующих) поперечных и продольных нагрузок, величина которых достигает 1–4 т. Следствием длительного воздействия таких нагрузок является разрушение подвесной и сцепной арматуры, повреждения дистанционных распорок, защитной арматуры, проводов и грозозащитных тросов.

В первую очередь от циклических нагрузок разрушаются узлы, имеющие жесткую конструкцию и несущие большую нагрузку. Для предупреждения данных нарушений в настоящее время разрабатываются предложения по методике испытаний линейной арматуры на воздействие вибрации и малоцикловых нагрузок, которые возникают при пляске проводов, в соответствии с зарубежными нормами, и в частности с нормами СИГРЭ. Арматура, создаваемая в странах Западной Европы, США, Канады, по сравнению с отечественной, запроектированной для аналогичных расчетных условий, значительно менее металлоемка, а по прочности и износоустойчивости имеет показатели значительно выше и, следовательно, более надежна (нормированная прочность зарубежной арматуры составляет 95% от разрывной прочности провода, а отечественной – 90%). Достаточная надежность при этом обеспечивается за счет технологических норм на всех стадиях строительного производства и эксплуатации.

НАДЕЖНОСТЬ ИЗОЛЯТОРОВ

Повреждаемость изоляции на ВЛ составляет 23–31% от общего количества нарушений. Основными причинами повреждения изоляции являются атмосферные перенапряжения – около 60% от всех отказов, связанных с повреждением изоляции. Начиная с 1969 г. повреждаемость изоляции не меняется, что достигнуто за счет технического перевооружения, а именно перехода на стеклянные изоляторы, а также применения современной защиты от знакопеременных нагрузок. Однако в целом уровень повреждения изоляторов высок и вызван отсутствием в гирлянде изоляторов защитной арматуры по распределению напряжений, защиты от внутренних и грозовых перенапряжений, низким качеством изоляторов.
Остановимся более детально на характере работы гирлянды изоляторов. Гирлянда состоит из отдельных изоляторов, вокруг которых образуются емкости. Благодаря наличию емкостей токи, проходящие через собственную емкость изолятора, вызовут разное падение напряжения и будут тем меньше, чем дальше от провода находится изолятор. Аналогичная картина наблюдается на изоляторах, находящихся у заземленного конца гирлянды изоляторов.
Падение напряжения будет меньше на тех изоляторах, которые располагаются дальше от заземленного конца гирлянды изоляторов. Емкость на землю имеет большую величину, чем емкость по отношению к проводу, и это оказывает влияние на характер распределения напряжения по изоляторам. Наибольшее напряжение ложится на изоляторы около провода, наименьшее – на изоляторы в середине гирлянды и несколько повышенное напряжение у заземленного конца. Распределение напряжений в гирляндах изоляторов при контроле измерительной штангой представлено в табл. 1. Видно, что неравномерность распределения напряжений увеличивается с увеличением длины гирлянды, так как при этом увеличивается суммарная емкость гирлянды по отношению к земле. Это приводит к тому, что на ближайших к проводу изоляторах уже при рабочем напряжении может возникнуть корона, создающая радиопомехи и приводящая к интенсивной коррозии. Корона на изоляторах появляется при напряжении порядка 20–25 кВ. На первый изолятор от провода всегда приходится около 20% полного напряжения. Это значит, что при напряжении 150 кВ и выше возникают условия для появления короны. В таких условиях необходимо применять защитную арматуру: металлические кольца, восьмерки или овалы, укрепляемые на конце гирлянды со стороны провода. На рис. 6 приведены кривые распределения напряжений без арматуры и с арматурой в виде колец и восьмерок.
До недавнего времени на защитную арматуру, кроме выравнивания напряжений, возлагалась защита изоляторов от разрушений при перекрытии гирлянды. Если гирлянда не снабжена арматурой, то канал разряда плотнее прилегает к поверхности изоляторов, а возникающая дуга при длительном горении сильно разогревает изолятор в месте касания. Установка в этом случае металлических рогов способствует тому, чтобы дуга горела на безопасном расстоянии от гирлянды. Однако применение быстродействующего отключения линий сократило время горения дуги до сотых долей секунды, что позволило отказаться от применения такой арматуры на линиях 110 кВ и ниже при грозовых и внутренних перенапряжениях.

ВЫВОДЫ

• По количеству причин отказов ВЛ на первом месте стоят провода (52% с учетом грозовых перенапряжений и 37% без их учета), на втором – изоляторы (соответственно 31 и 23%), на третьем – опоры (13 и 9%), на четвертом – арматура (4 и 3%).
• По тяжести отказов, приводящих к неприятным последствиям для линий электропередачи (большие затраты на восстановление и недоотпуск электроэнергии), на первом месте стоят опоры, затем провода, арматура, изоляция.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ПОВЫШЕНИЮ НАДЕЖНОСТИ ВЛ

При проектировании:

• использовать прогрессивные технические решения, современные технологии и материалы, повышающие надежность и долговечность линий электропередачи;
• разработать новые конструкции опор на базе многогранных стоек, позволяющие сооружать новые линии с большим сроком эксплуатации, проводить техническое перевооружение и реконструкцию во всех климатических районах с необходимым уровнем надежности, быстро восстанавливать опоры после аварий, хорошо противостоящих актам вандализма;
• уделить основное внимание применению методов горячего цинкования при изготовлении опор для сооружения новых линий, а также использованию комбинированных покрытий при реконструкции и ремонте;
• использовать буронабивные и забивные свайные основания, которые не нарушают структуру грунта и создают жесткую заделку опор;
• применять эффективные средства защиты от климатических воздействий (многочастотные гасители вибрации, гасители пляски и ограничители гололедообразования);
• использовать конструктивные решения на основе арматуры с улучшенными электромеханическими характеристиками и повышенной надежностью (не менее 95% от разрывной прочности провода);
• учитывать в расчетах среднеэксплуатационное тяжение 25% от разрывного усилия для проводов с повышенной несущей способностью и эксплуатируемых на ВЛ Крайнего Севера.

• обеспечить технический контроль за производством работ и не допускать необоснованных отклонений от проекта, приводящих к снижению надежности и долговечности ВЛ.

• повысить уровень диагностики, так как существующая система диагностики состояния воздушных линий электропередачи неэффективна, что связано как с отсутствием на объектах электрических сетей технических средств в необходимом объеме, так и с недостаточностью методической базы по всему спектру возможных систем диагностики;
• проводить инструментальное обследование элементов линий электропередачи, эксплуатируемых более 30 лет, с целью определения необходимых объемов реконструкции или ремонта;
• считать обязательным восстановление защитных покрытий при коррозионных потерях;
• проводить своевременно ремонт элементов ВЛ.

• при техническом перевооружении и реконструкции ВЛ довести техническое состояние ВЛ до требований ПУЭ 7-го издания и других НД;
• применять современные технологии и материалы;
• учитывать изменения условий эксплуатации;
• использовать специальные механизмы и средства малой механизации, позволяющие повысить производительность труда и уровень техники безопасности.