Воздушные линии

Проблема аварийных отключений ВЛ, вызванных перекрытиями изоляции по невыясненным причинам, имеет давнюю историю и остается актуальной по сегодняшний день. Согласно опыту эксплуатации, доля аварийных отключений ВЛ по невыясненным причинам (ОНП) может достигать 50% и более. Как правило, такие отключения происходят в утренние или ночные часы, в условиях хорошей погоды и сопровождаются успешным автоматическим повторным включением (АПВ). При этом причины перекрытия изоляции однозначно не идентифицируются и чаще всего остаются невыясненными.
В материале сибирских авторов представлены результаты исследований ОНП применительно к ВЛ 110 кВ в Тюменской области, целью которых являлось выяснение возможных причин отключений и разработка мероприятий по их предотвращению.

АВАРИЙНЫЕ ОТКЛЮЧЕНИЯ ВЛ 110 кВ
Перекрытия изоляции по невыясненным причинам

Александр Гайворонский, к.т.н., заведующий испытательным центром филиала ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» – СибНИИЭ
Сергей Котов, инженер, филиал ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» – СибНИИЭ
г. Новосибирск
Василий Боровицкий,
к.т.н., заместитель главного инженера ОАО «Тюменьэнерго»

Вплоть до начала 70-х годов прошлого века основной причиной ОНП, происходящих в утренние и ночные часы, считалось загрязнение изоляции. С появлением работ Кайзера, ряда других исследований [1–3] эти отключения стали объяснять уже «комбинированным полевым и птичьим загрязнением» и собственно «действиями птиц». Однако до настоящего времени убедительные доказательства в пользу той или иной версии о причинах ОНП отсутствуют. Зачастую отключения по причине загрязнения изоляции и «птичьи отключения» трудно отделить, поскольку по сезонным, временным и некоторым другим признакам они почти совпадают.

Был проведен анализ статистических данных по аварийным отключениям ВЛ 110 кВ одного из территориально обособленных подразделений Ишимского ТПО филиала ОАО «Тюменьэнерго» – Тюменские распределительные сети, выборочное обследование наиболее проблемных ВЛ 110 кВ, стендовые испытания изоляторов, демонтированных с ВЛ, а также экспериментальные исследования электрической прочности линейной изоляции при совместном воздействии рабочего напряжения и различных внешних факторов.

АВАРИЙНЫЕ ОТКЛЮЧЕНИЯ ВЛ

Для анализа использовались сводные данные по аварийным отключениям ВЛ 110 кВ Ишимского ТПО за период с 2008 по 2012 гг., относящиеся к 49 линиям общей протяженностью 1692 км. Суммарное число аварийных отключений ВЛ 110 кВ за рассматриваемый период составило 149, поток отказов (удельное число отключений ВЛ) – 1,8 отключения на 100 км в год. Основные причины аварийных отключений (из разряда установленных причин) – это падение деревьев и снижение габарита до древесно-кустарниковой растительности (23,5%), а также грозовые воздействия (8,7%) и действия сторонних лиц (5,4%). Доля отключений, вызванных перекрытиями изоляции по невыясненным причинам, – 53,7%.

Количественные характеристики ОНП

Суммарное число ОНП за рассматриваемый период составило 80 (53,7%), средний поток отказов – 0,9 отключения на 100 км в год, коэффициент успешности АПВ – 0,91. Распределение числа ОНП и потока отказов по линиям очень неоднородное. Доля отдельных линий в общем числе ОНП достигает 10–18%, а поток их отказов – 2–5 отключений на 100 км в год. Средние отраслевые показатели по удельному числу отключений ВЛ 110 кВ составляют 3,5–14,4 отключений на 100 км в год [4].

Сезонные и временные признаки ОНП

Сезонными и временными признаками ОНП являются время года (месяц) и время суток (час), когда происходит отключение. Они соответствуют основным природным циклам, которые в той или иной степени могут влиять на причину отключения.

Распределение ОНП по времени года и времени суток показано на рис. 1. В распределении ОНП по времени года выделяются 2 максимума: весенне-летний (апрель–июнь) и осенний (август-сентябрь). В распределении ОНП по времени суток выделяется утренний максимум с 4 до 8 часов. Большая часть отключений (около 75%) происходит в период с апреля по сентябрь и почти 50% отключений происходят с 4 до 8 часов. Наглядное представление о временных признаках ОНП дает карта времени, показанная на рис. 2, на которую нанесены все события ОНП в координатах (месяц, час), а также линии восхода и захода солн­ца. Обращает внимание существенное отличие карты времени ОНП при наличии и отсутствии осадков на момент отключения (рис. 2). Так, ОНП без осадков происходят в основном в утренние и ночные часы, ОНП с осадками – в основном в дневные, вечерние и реже в утренние, ночные часы.

Рис. 1. Распределение ОНП по времени года (а) и времени суток (б)

а)	б)

Рис. 2. Карты времени ОНП:
а) все события ОНП;
б) события ОНП без осадков на момент отключения;
в) события ОНП с осадками на момент отключения

а)
б)
в)

По временным признакам ОНП можно разделить на два типа.

ОНП I типа представляют собой классический тип утренних отключений, или, как их еще называют, отключений на заре: они начинаются незадолго до восхода солнца (в пределах 1–2 часов) и заканчиваются вскоре после него. Пик этих отключений наблюдается в июне, в августе и сентябре. Доля утренних отключений в общем числе ОНП составляет 35%.

ОНП II типа не имеют явных отличительных признаков по времени года или суток. В той или иной степени они наблюдаются в течение всего года с февраля по декабрь, происходят в основном в дневные и ночные часы, реже – в утренние или вечерние.

Погодные условия на момент ОНП

Как показал анализ атмосферных условий на момент ОНП, часть из них могла быть вызвана грозовыми воздействиями. Доля грозовых отключений в общем числе ОНП составила 30%, и они были исключены из последующего анализа. Статистические параметры распределения атмосферных условий на момент ОНП приведены в табл. 1.

Таблица 1. Атмосферные условия на момент ОНП

Можно констатировать, что ОНП I типа происходят, как правило, в хорошую безветренную погоду без осадков. Доля событий ОНП с осадками в виде дождя в этих случаях не превышает 20%, то есть они не являются определяющими. Температура воздуха на момент ОНП – положительная (от 3 до 30 °С), каких-либо температурных аномалий (перепадов температуры) на момент отключений не наблюдается.

Отключения II типа, напротив, чаще всего совпадают с теми или иными осадками. Доля ОНП с осадками в этих случаях составляет около 70%. В основном это осадки в виде дождя, снега. Температура воздуха на момент ОНП – от минус 15 до плюс 30 °С. Скорость ветра не превышает 4–5 м/с, в редких случаях достигает 12–14 м/с.

Для большинства ОНП как первого, так и второго типа характерна высокая относительная влажность воздуха (более 80%). Вместе с тем значительная часть ОНП (около 40%) происходила при умеренной относительной влажности воздуха (менее 80%). На рис. 3 показана корреляция между температурой точки росы и фактической температурой – на момент ОНП. Как следует из приведенных данных, условия образования росы в большинстве случаев ОНП не выполнялись. При этом необходимо отметить, что точки на графике расположены достаточно близко к граничной линии, отделяющей зону росы. Поэтому, учитывая погрешность определения атмосферных условий на трассе ВЛ по данным удаленной метеостанции, возможность образования росы на момент ОНП нельзя полностью отвергать.

Рис. 3. Корреляция между температурой точки росы и фактической температурой воздуха на момент ОНП

Локализация мест ОНП на ВЛ

Локализация мест ОНП, где происходят наиболее частые перекрытия изоляции, в той или иной степени присутствует на всех проблемных ВЛ. Пример распределения мест ОНП на ВЛ показан на рис. 4. На отдельных участках ВЛ длиной 10–20 км может происходить от 35 до 50% всех отключений. Обращает внимание концентрация отключений на заходах ВЛ на ПС и вблизи отпаек ВЛ. Практически все ВЛ 110 кВ Ишимского ТПО выполнены на ж/б опорах типа ПБ-21, ПБ110-5. В изолирующих подвесках провода используются гирлянды стеклянных изоляторов 8×ПС-6А и 8×ПС-70Д, а также полимерные изоляторы типа ЛК-70/110. Какая-либо явная избирательность числа ОНП по типам опор и линейной изоляции (стекло, полимер) не прослеживается.

Рис. 4. Пример распределения мест ОНП на ВЛ 110 кВ «Ишим – Казанка-2» с заходом на ПС «Каратаевка», «Лариха», «Гагарино» и отпайкой на ПС «Памятных»

ВОЗМОЖНЫЕ ПРИЧИНЫ ОНП

В качестве основных рабочих версий возможных причин ОНП рассматривались загрязнение изоляции и действия птиц. Исходные положения, принятые при разработке рабочих версий, заключались в следующем.
Изоляция ВЛ 110 кВ, находящаяся в нормальном техническом состоянии, имеет значительный запас электрической проч­ности по отношению к номинальному фазному напряжению: не менее чем в 1,7 раза в загрязненном и увлажненном состоянии и не менее чем в 3 раза в сухом состоянии. Перекрытие линейной изоляции с таким запасом электрической прочности возможно только в двух случаях, а именно: в случае повышения напряжения на ВЛ в 1,7–3 раза по какой-либо причине либо в случае такого же ослабления изоляции (снижения ее электрической прочности) в 1,7–3 раза.

Согласно статистике аварийных отключений, все ОНП происходили в нормальном эксплуатационном режиме работы ВЛ. Следовательно, коммутационные перенапряжения или квазистационарные повышения напряжения на ВЛ могут не приниматься во внимание для объяснения причин ОНП. Возможные коммутации в узлах нагрузки при наличии отпаек на ВЛ также несущественны. Как показано в [5], возникающие при этом коммутационные перенапряжения имеют весьма ограниченную кратность (в пределах 1,2–1,5 UФМ) и неопасны для изоляции ВЛ 110 кВ. Таким образом, причины ОНП могут быть связаны только с ослаблением изоляции, вызванным теми или иными внешними воздействиями.

Версия «птичьих отключений»

Характеристики ОНП, установленные в результате статистического анализа аварийных отключений ВЛ 110 кВ, хорошо согласуются с известными признаками «птичьих отключений» [1]. Прежде всего это относится к сезонным и временным признакам ОНП I типа. Отключения происходят в утренние часы незадолго до восхода солнца, что характерно для «птичьих отключений». Пик отключений наблюдается в июне, затем в августе – сентябре, весенний пик отключений выражен слабо. Аналогичные закономерности отмечались в [3] применительно к ВЛ 110 кВ в Калининградской области, где пик отключений приходился на июль-август, а отключения в весенний период почти отсутствовали. Другие характеристики ОНП I типа также соответствуют «птичьим отключениям». Как правило, отключения происходят в хорошую погоду без осадков, с успешным АПВ. Отмечается локализация мест отключений на определенных участках ВЛ, проходящих в лесостепной зоне по открытой местности, где опоры служат идеальным местом для присаживания птиц в период охоты, гнездования и ночевки.

Действия птиц, которые могут вызывать перекрытия изоляции ВЛ, связаны с гнездованием и присаживанием на опоры. При строительстве гнезд на опорах птицы используют различные, в том числе проводящие, предметы (куски проволоки, ветки деревьев, траву и др.). При случайном внесении в изоляционный промежуток между проводом и опорой эти предметы частично шунтируют изоляцию, что может приводить к ее перекрытию. Присаживание птиц на опоры, как правило, происходит на краю траверсы над проводом (это свободное и наиболее удобное место на опоре). Во время присаживания и (или) взлета с опоры птица выбрасывает струю проводящего помета в направлении провода, что также может приводить к перекрытию изоляции.

В ходе экспериментальных исследований, выполненных в рамках данной работы, были определены условия перекрытия изоляции ВЛ по струе птичьего помета и при внесении в изоляционный промежуток на опоре инородных проводящих предметов (кусков проволоки, веток деревьев и др.). На фото 1, 2 показан ряд фрагментов испытаний, в которых имитировались перекрытия изоляции по стеблю травы и струе птичьего помета.

Фото 1. Фотографии разрядов, иллюстрирующие процесс перекрытия изоляции при падении стебля травы с траверсы

Фото 2. Фотографии разрядов, иллюстрирующие процесс перекрытия изоляции по струе птичьего помета

Согласно полученным данным, внесение инородных проводящих предметов в изоляционный промежуток на опоре может приводить к существенному ослаблению изоляции вплоть до ее перекрытия. Однако условия такого перекрытия оказываются весьма ограниченными. Для перекрытия изоляции ВЛ 110 кВ при рабочем напряжении 64 кВ длина проволоки или другого проводящего предмета должна быть сопоставима с расстоянием от провода до траверсы и отличаться от него в меньшую сторону не более чем на 9 см. Сопротивление инородных проводящих предметов не должно превышать при этом 500 кОм. Указанные условия относятся к предельному (наиболее неблагоприятному) случаю вертикального падения проволоки точно над проводом. Выполнение таких условий с учетом большой длины проволоки, ветки (~140 см) представляется крайне маловероятным. Таким образом, опасность перекрытий изоляции, вызванных действиями птиц при строительстве гнезд на опорах, можно не принимать во внимание.

Результаты испытаний подтвердили принципиальную возможность перекрытия изоляции ВЛ 110 кВ по струе птичьего помета при рабочем напряжении 64 кВ. Следует отметить, что ранее это было показано также в [1], но на относительно коротких изоляционных промежутках длиной до 100 см. Минимально необходимые условия перекрытия по струе помета заключаются в следующем:

• длина струи должна составлять не менее 140 см, при этом она должна сохранять цельность и сквозную проводимость на длине не менее 120–130 см;
• погонное сопротивление струи должно быть не более 250 кОм/м.

Указанные условия не противоречат известным данным по характеристикам струи птичьего помета для крупных хищных птиц (типа канюка) [1]. Дополнительные условия касаются расположения струи. Она должна проходить непосредственно над проводом или достаточно близко к нему, на расстоянии не более 10 см. В принципе такие условия также выполнимы. Как правило, птицы садятся на концы траверс (в месте крепления гирлянды) и их посадка направлена вдоль линии. Струя помета, которую птица выбрасывает при взлете, будет направлена в этом случае от траверсы к проводу. Таким образом, следует признать, что перекрытие изоляции ВЛ 110 кВ по струе птичьего помета вполне вероятно.

В ходе обследования наиболее проблемных ВЛ 110 кВ Ишимского ТПО были зафиксированы многочисленные следы жизнедеятельности птиц, в т. ч. на тех участках ВЛ, где ранее отмечались ОНП. Присутствие птиц подтверждается большим количеством гнезд, обнаруженных в стойках ж/б опор, а также присаживанием птиц на опоры и их скоплением на определенных участках ВЛ. Анализ фотоматериалов с мест перекрытий изоляции на ВЛ указывает на то, что электрический разряд во всех случаях происходил по воздуху, минуя гирлянду. На фотографиях перекрытых гирлянд изоляторов видны следы оплавления электрической дугой на траверсе, шапке верхнего изолятора и на проводе, на расстоянии 1–2 м от поддерживающего зажима. Такой характер перекрытия полностью соответствует перекрытию по струе птичьего помета. Кроме того, во многих случаях на изоляторах перекрытых гирлян д, траверсе опоры наблюдаются следы птичьего помета (фото 3).

Фото 3. Фотографии мест перекрытия со следами птичьего помета на гирляндах изоляторов ВЛ 110 кВ

Версия загрязнения изоляции

Согласно существующим представлениям [6–8], отключения ВЛ по причине загрязнения изоляции возникают в условиях, когда температура воздуха лежит в пределах от минус 5 °С до плюс 10 °С, относительная влажность воздуха – от 90 до 100%, скорость ветра – от 0 до 5 м/с. Наибольшую опасность представляют туман, морось и изморозь, причем подавляющее число перекрытий происходит при тумане. Максимум отключений наблюдается при обострении метеорологических процессов в осенне-зимний период. Отключения возникают в ночные и утренние часы (в период между заходом и восходом солнца), что связано с образованием локальных туманов в условиях общего повышения относительной влажности и снижения температуры воздуха в это время суток. В дневное время регистрируется незначительное количество отключений из-за загрязнения изоляции. Чаще всего они связаны с таянием изморози на поверхности изоляторов при температуре воздуха, приближающейся к 0 °С. Отключениям по причине загрязнения изоляции присуща серийность. Как правило, они происходят с успешным АПВ (от 50 до 90% по разным данным).

Перечисленные выше признаки отключений по причине загрязнения изоляции не вполне согласуются с характеристиками ОНП. По сезонным и временным признакам они близки к ОНП I типа, но не характерны для ОНП II типа, которые происходят в разное время года и в основном в дневные часы. Погодные условия на момент ОНП также не вполне отвечают условиям перекрытия загрязненной изоляции. Значительная часть ОНП происходит при высокой относительной влажности воздуха (свыше 80%), однако условия выпадения росы при этом не выполняются. Отключения II типа чаще всего совпадают с осадками в виде дождя, снега. Туман, морось, изморозь, представляющие наибольшую опасность для перекрытия загрязненной изоляции, отмечаются в редких случаях (не более 5%). Отключениям по причине загрязнения изоляции должна быть присуща некоторая серийность, однако в отношении ОНП она не прослеживается.

Как показали стендовые испытания гирлянд изоляторов, демонтированных с ВЛ 110 кВ, все изоляторы имеют низкую степень загрязнения. Удельная поверхностная электрическая проводимость изоляторов при естественном загрязнении не превышает 0,13–0,3 мкСм, что значительно ниже допустимой величины 5 мкСм для условий эксплуатации в районах с I (легкой) степенью загрязнения. При этом электрическая проч-ность изоляторов в условиях увлажнения при естественном загрязнении составляет не менее 280–360 кВ, что в 2,5–3,3 раза превышает допустимое значение 110 кВ по ПУЭ 7-го изд. [9]. Запас электрической прочности изоляции по отношению к номинальному напряжению ВЛ 110 кВ составляет не менее 420%.

В этой связи заслуживают внимания недавние исследования [10], в которых обсуждается возможность перекрытия изоляции при ее увлажнении, но без какого-либо существенного загрязнения. Считается, что при определенных условиях слабого увлажнения распределение напряжения по гирлянде изоляторов становится крайне неравномерным, что приводит к перекрытию нескольких первых изоляторов и провоцирует дальнейшее перекрытие всей гирлянды. Однако экспериментальные исследования, приведенные в данной работе, не выявили существенного снижения разрядных напряжений в случаях неравномерного и аномально легкого загрязнения по сравнению с обычным равномерным загрязнением.

При имитации предельных случаев неравномерного загрязнения были получены следующие данные. При загрязнении только верхних 7 изоляторов в гирлянде 8×ПС-70Д с проводимостью 35 мкСм (нижний изолятор оставался сухим) разрядное напряжение снизилось на 5% по сравнению с исходным значением 147 кВ. При загрязнении только верха тарелок изоляторов с проводимостью 35 мкСм (низ тарелок оставался сухим) разрядное напряжение возросло до 255 кВ.

Как уже отмечалось, анализ фотоматериалов с мест перекрытий изоляции на ВЛ указывает на то, что они происходят по воздуху, минуя гирлянду. Следы разрядов на арматуре изоляторов отсутствуют, что нетипично для перекрытия загрязненной изоляции.

ВЫВОДЫ

1. Возможной и наиболее вероятной причиной ОНП, происходящих в весенне-летний и осенний периоды в утренние и ночные часы, следует считать перекрытия изоляции, вызванные действиями птиц. Этот вывод подтверждается совпадением характеристик ОНП с признаками «птичьих отключений», результатами выборочного обследования наиболее проблемных ВЛ 110 кВ, а также экспериментальными исследованиями, показывающими принципиальную возможность перекрытия изоляции ВЛ 110 кВ по струе птичьего помета.
2. Перекрытия загрязненной изоляции в рассматриваемых условиях эксплуатации маловероятны и не могут стать причиной ОНП. Данный вывод основывается на совокупности фактов, свидетельствующих против версии загрязнения изоляции, включая отсутствие значимой корреляции характеристик ОНП с признаками перекрытия загрязненной изоляции (по времени года, суток, погодным условиям на момент ОНП и др.), низкую степень загрязнения и высокие разрядные характеристики изоляторов, демонтированных с ВЛ 110 кВ после эксплуатации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Kaiser G. Der Musebussard als Ursache der einpoligen Frei-leitungsfehler in 110-kV-Hochspannungsnetzen //Elektrotechnische Zeitschrift. Ausg. A; B. 91. VDE Verlag, 1970. S. 313–317.
2. Бочковский Б.Б., Удод Е.И., Шеренцис А.Н. и др. Защита линий электропередачи от перекрытий, вызываемых крупными птицами // Электрические станции. 1983. № 4.
3. Гутман И.Ю., Соломоник Е.А. и др. Опыт эксплуатации ВЛ 110 кВ в районах с комбинированным полевым и птичьим загрязнением // Электрические станции. 1991. № 4.
4. Руководство по защите электрических сетей 6–1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений / Под науч. ред. Н.Н. Тиходеева. 2-е изд. СПб.: ПЭИПК Минтопэнерго РФ, 1999.
5. Боровицкий В.Г., Овсянников А.Г. Отключения отпаечных линий ВЛ 110 кВ. Влияние высокочастотных перенапряжений // Новости ЭлектроТехники. 2012. № 6(78).
6. Пименов П.В. Исследование работы высоковольтной изоляции в условиях атмосферных увлажнений: диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. Новосибирск, 1989.
7. Руководящие указания по выбору и эксплуатации изоляции в районах с загрязненной атмосферой. СЦНТИ – ОРГРЭС, 1975.
8. Мерхалев С.Д., Соломоник Е.А. Выбор и эксплуатация изоляторов в районах с загрязненной атмосферой. Л.: Энергия, 1983.
9. Правила устройства электроустановок. Раздел 1. Общие правила. Глава 1.9. 7-е изд. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2003.
10. Research provides insight into unexplained line outages // INMR. 2011. Vol. 19. № 4. P. 78–86.