Воздушные линии

Стратегические приоритеты очередного этапа реформирования электросетевого комплекса России обозначены: инновации, системная надежность и энергоэффективность. Достижение поставленных целей планируется за счет повышения доступности сетевой инфраструктуры, установления единой технической политики и требований к надежности, преодоления высокого износа оборудования.
Одним из направлений в реализации поставленных целей является снижение аварийности и повышение надежности воздушных линий электропередачи (ВЛ) разных классов напряжения. Сегодня это стало возможным благодаря прогрессивным техническим решениям, таким как высокотемпературные провода, изолирующие траверсы, грозозащитная аппаратура, узкобазовые конструкции металлических опор [1].
Наши новосибирские авторы считают, что к перечисленным инновационным решениям следует добавить еще одно, а именно применение полимерных композитных материалов (ПКМ) для производства опор ВЛ.

КОМПОЗИТНЫЕ ОПОРЫ ВЛ
Эффективность и основные проблемы применения

Феликс Бык, к.т.н., доцент,
Владимир Левин, к.т.н., доцент,
кафедра автоматизированных электроэнергетических систем Новосибирского государственного технического университета
Геннадий Данилов, заместитель генерального директора по науке,
Дориан Голдобин, к.т.н., начальник отдела проектирования и сервиса,
ЗАO «ФЕНИКС-88», г. Новосибирск

Проблема обоснования эффективности инновационного продукта (изделия) обусловлена двумя главными причинами.

Во-первых, отсутствием достаточных экспериментальных данных об изменениях характеристик инновационного изделия в процессе его применения по назначению при вариации внешних условий.

Во-вторых, ограниченными возможностями для сравнения эффектов от применения инновационного изделия и базовых изделий в связи с отсутствием адекватных методик.

Перспективы применения композитных опор для строительства новых, реконструкции и ремонта действующих ВЛ требуют комплексного анализа, определения закономерностей и учета специфических особенностей, определяющих в конечном итоге соотношение суммарных эффектов и потерь. В рамках этой актуальной задачи авторами был проведен аналитический обзор широкого круга открытых источников информации, что позволило с позиций системного подхода определить наиболее рациональные пути её решения.

Сложная система требует декомпозиции, то есть разбиения её на элементы и исследования каждого из них в отдельности, а также во взаимосвязи друг с другом. Была предложена следующая совокупность элементов: свойства материала, эксплуатационные характеристики изделия (опоры и её комплектующих), резервы конструкции, области применения изделия. Такая структура анализа представлялась авторам достаточной, для того чтобы получить необходимые результаты, то есть сформулировать цели и задачи и обозначить их приоритетность.

СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ ПКМ

Одним из современных, постоянно прогрессирующих направлений повышения эффективности силовых конструкций (тех, что испытывают значительные электрические, механические, тепловые, химические и прочие нагрузки) является использование нового класса материалов – ПКМ. Это определяется постоянно увеличивающейся за последние годы номенклатурой конструкций из ПКМ.

На сегодняшний день наиболее известными ПКМ, применяемыми в электротехнической промышленности, являются материалы на основе армирования стеклянными, углеродными или базальтовыми волокнами. С точки зрения массового производства изделий из композитных материалов (например, стоек опор ВЛ) целесообразно обратить внимание на особенности и отличие композитных материалов с различным химическим составом волокон и с разной технологией изготовления. В табл. 1 приведены сравнительные характеристики основных видов ПКМ, используемых в электроэнергетике [2].

Таблица 1. Сравнительные характеристики волокон ПКМ

Как следует из таблицы, волокна ПКМ по своим физическим характеристикам имеют сопоставимую альтернативу применения, однако по стоимости производства наиболее выгодно выделяется стекловолокно (Е-стекло).

В настоящее время стекловолокно – наиболее распространенный вид ПКМ. Объемы его производства в мире в докризисный период достигали 2800–3500 тыс. тонн в год с ежегодным ростом 8–10%. Уникальные физико-химические свойства стекловолокна делают его пригодным в качестве заменителя традиционных материалов для производства опор ВЛ – стали, железобетона, дерева (табл. 2).

Таблица 2. Физико-химические свойства стекловолокна

ОПОРЫ ИЗ ПКМ

Наиболее востребованным для изготовления опор ВЛ является комплекс следующих свойств стекловолоконных ПКМ:

• высокая удельная прочность: применение высокопрочных полиуретановых смол в комбинации с технологией намотки стекловолокна позволяет достичь максимального соотношения «прочность–конструкционный вес»;
• высокая упругость: способность поглощать гораздо больше энергии упругой деформации, чем сталь, и выдерживать более высокие механические нагрузки;
• высокая защищенность от воздействий окружающей среды: материал не подвержен коррозии и гниению, гидрофобен, не гигроскопичен, инертен ко всем химическим веществам и стоек к ультрафиолетовому излучению;
• высокие изоляционные свойства: имеет характеристики на уровне лучших керамических изоляторов (пробивная напряженность ≥ 30 кВ/мм), которые не ухудшаются со временем в силу гидрофобности материала;
• устойчивость к высоким температурам и возгоранию;
• широкий диапазон рабочих температур: низкий коэффициент теплового расширения, возможность работать в климатических зонах с большими перепадами температур;
• высокая экологическая безопасность, поскольку материал не выделяет опасные вещества в окружающую среду;
• окраска в процессе производства позволяет избежать необходимости окрашивать опоры в течение всего периода их эксплуатации и идеально вписать их в окружающую среду;

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

В Положении о технической политике ФСК ЕЭС в разделе «Воздушные линии электропередачи» [3] отмечается, что одной из основных задач электросетевого строительства является достижение максимальной компактности ВЛ. Этот же документ рекомендует применение для ВЛ высокого напряжения полимерных консольных изолирующих траверс. Основные положения (Концепция) технической политики в электроэнергетике России до 2030 г. предусматривают при создании сетей нового поколения снижение металлоемкости ВЛ и подчеркивают необходимость при проектировании ВЛ обеспечить оптимальное использование земель и лесных угодий.

При этом компактность – не единственный эффект, который возникает при совместном применении композитных стоек, изолирующих траверс, в том числе со встроенными линейными защитными аппаратами, и других комплектующих для опор ВЛ. К другим преимуществам комплексного применения для опор ВЛ комплектующих из ПКМ, позволяющего оптимизировать их конструкцию, следует отнести:

• снижение металлоемкости;
• снижение аварийности за счет исключения обрыва проводов и повреждения опор;
• повышение пропускной способности за счет возможности сближения проводов и уменьшения волнового сопротивления;
• снижение напряженности электрического и магнитного полей под проводами ВЛ;
• увеличение длины габаритного пролета и сокращение количества опор за счет возможности увеличения высоты подвеса проводов как минимум на длину гирлянды;
• уменьшение высоты стойки при неизменном габаритном пролете и уменьшение материалоемкости ВЛ за счет возможности уменьшения высоты расположения траверс на опоре;
• повышение надежности и безопасности ВЛ за счет взаимного резервирования изоляторов консоли и тяги.

РЕЗЕРВЫ КОНСТРУКЦИИ

Анализ сложной системы направлен на выявление ее скрытых резервов с целью создания условий для их максимального включения в работу.

Опора ВЛ представляет собой систему, подверженную в процессе функционирования комплексному влиянию механических, электрических, тепловых, химических и прочих воздействий. При проектировании такая система проходит проверку на сочетание расчетных воздействий с учетом допустимых сверхнормативных отклонений. На этом этапе формируется надежность будущей конструкции. Особое внимание уделяется воздействию гололедно-ветровых нагрузок, а также вопросам обеспечения необходимого уровня грозоупорности ВЛ.

Механические испытания опытных образцов композитных опор 110 и 220 кВ с изолирующими траверсами, выпущенных ЗАО «ФЕНИКС-88», в 2012 г. успешно прошли на полигоне ОРГРЭС в Хотьково (фото 1). Без особых сложностей могут быть созданы и различные варианты конструкций композитных опор на 35 кВ за счет использования аналогичного модульного принципа компоновки стойки опоры и применения различных вариантов изолирующих траверс.

Фото 1. Испытания опоры 220 кВ на полигоне ОРГРЭС

Грозоупорность ВЛ 110–220 кВ на композитных опорах может быть обеспечена применением тросовой защиты по всей длине ВЛ с организацией заземляющих спусков по телу опоры, использованием конструкции металлической лестницы для подъема на опору. Альтернативный вариант – применение изолирующих траверс с встроенными ОПН. Для комбинированной ВЛ, где металлические или железобетонные опоры чередуются с опорами из ПКМ, задача обеспечения грозоупорности может существенно упроститься.

Для опор из ПКМ подходит практически любое конструктивное решение, применимое для железобетонных и деревянных опор. Также известны предложения о новых вариантах конструкций опор со специальным изолирующим оголовником, удовлетворяющие в полной мере всем инженерным требованиям к опоре ВЛ [4]. Достаточная вариативность таких предложений позволяет рассчитывать на возможность выбора оптимальной конструкции для любых условий применения.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Российская сетевая инфраструктура нуждается в масштабном обновлении и модернизации. На сегодняшний день процент износа ВЛ в секторе опор в отдельных регионах страны достигает 60–80% в зависимости от класса напряжения.

Как правило, это регионы с тяжелыми природно-климатическими условиями: повышенной влажностью, резкими перепадами температур, сверхнормативными гололедно-ветровыми нагрузками. Примером могут служить Якутия и Сахалин, где на ВЛ 110–220 кВ преимущественно используются деревянные опоры со сроком службы 40 лет и более. Сложные условия эксплуатации ВЛ усугубляются труднодоступной местностью, по которой проходят их трассы. Это значительно затрудняет оперативное обслуживание и замену поврежденных опор, а значит, и время восстановления электроснабжения, что в целом удорожает эксплуатацию ВЛ. В то же время именно в экстремальных условиях строительства и эксплуатации ВЛ в полной мере могут проявиться уникальные свойства материала и резервы конструкции опор из ПКМ, например такие как:

• минимальные трудозатраты при монтаже (фото 2) и демонтаже: достаточно использовать простые и облегченные монтажные механизмы (особенно актуально в труднодоступной и удаленной местности);
• высокая надежность, допускающая работу в сложных природно-климатических условиях;
• минимальные транспортные затраты, обусловленные компактностью и облегченностью конструкции опор, возможностью быстрой доставки всего комплекта в отдаленные и труднодоступные районы;
• минимум земляных работ и отказ от массивных фундаментов;
• возможность многократного использования комплекта опор;
• устойчивость к разрушениям при транспортировке и монтаже (демонтаже).

Фото 2. Монтаж опоры 110 кВ в «Тюменьэнерго»

Таким образом, на текущий момент в России есть всё необходимое для создания высокоэффективных и надежных компактных ВЛ нового поколения. Отечественная промышленность готова для производства основных элементов ВЛ из полимерных композитных материалов. Однако внедрение и освоение новаций сдерживается в силу исторических традиций и известного консерватизма, существующего в российском сетевом комплексе, а отсутствие опыта и статистики не дает возможности убедиться в их экономической и технической эффективности.

Имеющиеся в этой части результаты, которые в основном отражают достижения в применении стеклопластиковых стоек канадского производства, позволяют выявить приоритетное направление для использования опор из ПКМ на ВЛ разных классов напряжения. Зарубежный опыт показывает, что достаточно высокую удельную стоимость композитных опор компенсирует механическая прочность в сочетании со снижением их конструкционного веса. Снижение расходов на их установку и транспорт компенсирует до 25% стоимости. Кроме этого, за счет снижения затрат на текущее обслуживание и ремонт в сочетании с длительным сроком эксплуатации значительно увеличивается экономическая эффективность полного жизненного цикла ВЛ с опорами из ПКМ.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

В общем случае требуется рассмотреть три области применения опор из ПКМ и определить условия, где можно ожидать максимального проявления указанных выше положительных свойств. К их числу относятся:

• восстановление ВЛ после аварии, т.е. замена поврежденных невосстанавливаемых опор на быстромонтируемые опоры аварийного резерва (фото 3);
• реконструкция действующих ВЛ (замена опор с высоким процентом износа на новые);
• строительство новых ВЛ различного класса напряжений.

Фото 3. Замена бетонной опоры на опору из ПКМ в «Тюменьэнерго»

Количественная оценка и прогнозирование потребности в каждом из перечисленных направлений применения композитных опор по классам номинального напряжения является чрезвычайно сложной задачей, требующей учета многих факторов с их изменением во времени и с привязкой к конкретной территории. Для того чтобы оценить уровень сложности задачи, достаточно обозначить лишь несколько компонентов информации, которую необходимо привлекать для ее решения: уровни повреждаемости опор ВЛ в электрических сетях разных классов напряжения, процент изношенных опор, срок службы которых достиг или превысил нормативный, планы и схемы перспективного развития электрических сетей территорий по классам номинального напряжения и т.п.

Очевидно, что эффективность применения быстромонтируемых ремонтных опор в качестве аварийного резерва определяется следующими неоспоримыми преимуществами:

• высокая скорость монтажа опоры позволяет сократить время и затраты на устранение аварии, т.к. требуется минимальное количество необходимых технических средств и трудозатрат. Силами малочисленной бригады из 3–5 человек, оснащенной минимальным набором оборудования, можно в сжатые сроки установить опору;
• малые габариты и вес конструкции дают возможность одной бригаде осуществлять доставку и монтаж нескольких комплектов аварийных опор;
• высокая степень сохраняемости аварийного запаса опор и уменьшение площади для их складирования сокращают издержки сетевого предприятия на содержание данного резерва.

В части использования опор из ПКМ для реконструкции ВЛ разных классов напряжения их эффективность повышается за счет:

• упрощения и удешевления логистики и монтажа, то есть снижения затрат на доставку комплектов опор практически в любые труднодоступные места и осуществления замены сразу нескольких физически изношенных опор;
• увеличения долговечности и прочности замененных опор, так как расчетный срок их службы существенно выше, чем традиционных, а также снижения расходов по обслуживанию на весь срок их эксплуатации.

Эффективность строительства новых ВЛ на опорах из ПКМ повышается прежде всего по причине:

• увеличения пропускной способности ВЛ, которое достигается за счет сближения фаз и снижения волнового сопротивления ВЛ; при применении на таких ВЛ проводов с композитным сердечником можно еще больше уплотнить канал передачи энергии по ВЛ;
• уменьшения размера требуемого землеотвода за счет сужения трассы, что особенно важно в местах с высокой стоимостью земли.

Учет указанных выше факторов требует разработки и усовершенствования соответствующих методов и методик технико-экономического обоснования, что позволит определить не только природно-климатические зоны, но и сетевые предприятия, где инновационная значимость опор из ПКМ будет очевидна и таким образом появится первый отечественный опыт их эксплуатации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Применение композитных опор 110–220 кВ в реконструкции и строительстве ВЛ является инновационным решением, которое может быть реализовано в электросетевом комплексе РФ на базе разработанных вариантов конструкций опор с изолирующими траверсами.
2. Относительно высокая стоимость опор из композитных материалов со временем благодаря совершенствованию технологий может быть значительно снижена.
3. Инвестиционная привлекательность опор ВЛ из ПКМ будет возрастать с ростом стоимости черных и цветных металлов.
4. Применение композитных опор модульного типа с изолирующими траверсами на сегодняшний день дает наибольший эффект при использовании их в качестве ремонтного резерва или при применении в районах с особыми условиями. Транспортировка в компактном виде, быстрый монтаж, отсутствие проблем коррозии, экономия металла – это их наиболее очевидные преимущества.
5. Вопросы проектирования и строительства ВЛ 110–220 кВ с применением композитных опор должны быть поддер-жаны разработкой соответствующих типовых проектных решений и другой нормативно-технической документации, в частности, методик оценки краткосрочной и долгосрочной экономической эффективности применения этого инновационного продукта.
6. Использование при проектировании, реконструкции и строительстве ВЛ опор из композитных материалов, возможный рост объемов отечественного производства этого инновационного продукта во многом сдерживаются отсутствием соответствующей нормативно-технической и нормативно-правовой базы, а также недостатками принятых критериев сравнения эффективности различных вариантов строительства ВЛ, отсутствием значимых стимулов для сетевых компаний к осуществлению инновационной деятельности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гунгер Ю.Р., Данилов Г.А., Лавров Ю.А. Надежность, экономичность и экологичность ВЛ 110–220 кВ. Комплекс инноваций // Новости ЭлектроТехники. 2011. № 5(71).
2. Обзор рынка непрерывного базальтового волокна, армирующих изделий и материалов на его основе в СНГ. http://www.infomine.ru/otchets/ru_bazalt.pdf.
3. Положение о технической политике ОАО «ФСК ЕЭС». http://www.fsk-ees.ru/media/File/evolution_technology/techpolicy1.pdf.
4. Семенко О.В., Шевченко С.Н. Опоры с изолирующей головкой (ИГ-опоры) на базе стеклопластиковых модулей RStandardтм. Перспективы применения в сетях ВЛ 6–500 кВ. http://energobud.com.ua/download/mgs7/09_opory_s_izoliruyushhej_golovkoj_ig-opory_na_baze_sp-modulej_rstandard._perspektivy_primeneniya_v_setyakh_vl_6-500_kv.pdf.
5. Бочаров Ю.Н., Жук В.В. Композитные опоры. Перспективы применения для ВЛ 110-750 кВ // Новости ЭлектроТехники. 2012. № 1(73).
6. Власов В.В., Сухар В.М. Опыт разработки, изготовления и проведения испытаний легких одноцепных и двухцепных промежуточных опор из композиционных материалов для высоковольтных линий (ВЛ) 110–220 кВ для проведения аварийно-восстановительных работ и применения в труднодоступной местности // Воздушные линии. 2012. № 3.