Воздушные линии

Одной из причин перерывов в электроснабжении потребителей в осенне-зимний период являются аварийные отключения ВЛ при интенсивном гололедообразовании. После одной из тяжелых аварий в Сочинских электросетях «Кубаньэнерго» (декабрь 2001 г.), сопровождавшейся массовым обрывом проводов, тросов и падением опор, было принято решение об изменении критериев проектирования ВЛ. Расчетные климатические нагрузки (по скорости ветра и толщине стенки гололеда) для выбора проводов, тросов, для разработки конструкции опор и расстановки их по трассе были увеличены: от повторяемости – один раз в 10–15 лет до повторяемости – один раз в 25 лет. Это требование было зафиксировано в ПУЭ 7-го издания.

Такое решение неизбежно приводит к повышению стоимости вновь сооружаемых ВЛ из-за увеличения их металлоемкости (используются более тяжелые опоры, сокращаются пролеты между ними). Альтернативой могло бы стать использование для предотвращения гололедообразования специального провода, предложенного в патенте Николая Николаевича Тиходеева и Александра Алексеевича Филиппова (ОАО «НИИПТ»).

ГОЛОЛЕД НА ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВЛ
Провода для предотвращения гололедообразования без отключения потребителей

Николай Тиходеев, д.т.н., академик РАН
Александр Филиппов , к.т.н.,

Александра Новикова,
ОАО «НИИПТ»,
г. Санкт-Петербург

В настоящее время во многих электросетевых предприятиях РФ, с целью предотвращения аварийного длительного простоя ВЛ в осенне-зимний период, проводится мониторинг образования гололеда и организована его плавка. Плавка гололеда обычно проводится с отключением ВЛ, так как плавка за счет повышения рабочего тока в большинстве случаев неосуществима, в том числе и из-за опасности пережога проводов на участках без гололеда. Практически все устройства плавки гололеда включаются после образования значительных гололедных отложений. В промежутке времени от начала образования гололеда до его плавки часто происходят тяжелые аварии с обрывами проводов и тросов, падением опор.

ЗАРУБЕЖНАЯ ПРАКТИКА

Кроме использования проводов специальной конструкции (с Z-образным сечением составляющих наружного повива), за рубежом предлагаются способы предотвращения образования гололеда, применение которых возможно только на коротких участках ВЛ.

Например, японский патент [JP 63294207] рассчитан на предотвращение гололеда вблизи анкерных опор. Способ состоит в том, что на провод наматывается проволока и в начале образовании гололеда производится разрыв в шлейфе основного провода, поэтому ток линии протекает по намотанной проволоке, что приводит к повышению температуры провода и замедлению процесса образования гололеда.

В другом японском патенте [JP 1012809] предлагается монтировать на проводе ВЛ разъемный трансформатор тока. Его первичной обмоткой является провод линии, а к вторичной обмотке подсоединена проволока, намотанная на провод ВЛ. Ток, наведенный в петле из проволоки, повышает температуру провода.

В американском патенте [US2005/0167427A1] делается попытка предотвращения образования гололеда на проводах ВЛ длиной 10–100 км путем использования проводов специальной конструкции [1]. Для этого на поверхность провода наносятся два слоя: полупроводящий толщиной 1–2 мм и сверху проводящая оболочка. Независимый источник напряжения включается между верхней оболочкой и проводом ВЛ. Источником тепла являются потери в полупроводящем слое. Автор оценивает мощность потерь значением 5 Вт/10 км. По-видимому, при этом не учитывалось влияние скорости ветра на температуру провода. По данным [2], при скорости ветра 3 м/с для повышения температуры провода на 5 °С необходима мощность порядка 30 кВт/10 км.

РОССИЙСКОЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ

В ОАО «НИИПТ» разработан способ предотвращения гололеда за счет использования проводов специальной конструкции. Способ защищен патентом на изобретение № 2316866 «Устройство для предотвращения образования гололеда на воздушной линии», зарегистрированным 10.02.2008 (патентообладатель – ОАО «НИИПТ», срок действия до 05 июля 2026 г.) [3].

Сущность изобретения состоит в том, что на участках ВЛ, на которых возможно опасное гололедообразование, используется провод, состоящий из двух изолированных между собой групп проволок. Принцип работы устройства во время предотвращения образования гололеда поясняет рис. 1.

Рис. 1. Схема подогрева провода ВЛ без отключения потребителей

1 и 2 – провод специальной конструкции; 3, 4 – участки ВЛ для предотвращения образования гололеда; 5 – независимый источник.

Провод специальной конструкции используется между участками ВЛ 4 и 3. Группы проволок 1 и 2 справа соединены между собой и с последующим участком 3. Слева группа проволок 1 соединена с проводом предыдущего участка. Основной ток линии проходит с провода предыдущего участка 4 на первую группу проволок 1 и затем на провод последующего участка 3. Для дополнительного подогрева провода используется независимый источник 5, включаемый между изолированными между собой группами проволок 1 и 2. Такая схема создается при возникновении метеоусловий, при которых начинается гололедообразование: небольшая минусовая температура, мокрый снег и пр. Поскольку электроснабжение при этом не прерывается, для предотвращения образования гололеда требуется меньше энергии, чем для плавки гололеда на отключенной ВЛ, т.е. при нагреве холодного провода с муфтой из гололеда.

Мощность, необходимая для предотвращения образования гололеда, зависит от скорости ветра (v), диаметра провода (D) и заданного превышения температуры провода относительно температуры окружающей среды (ΔТ) и определяется по формуле:

P_пред = α · ΔT · D ,

где α = Nu · 0,0244 / D – коэффициент теплоотдачи, Вт/м²;
Nu = 0,245(Re)^0,6 – критерий Нусселя;
Re = v · D · 10⁶ / 13 – критерий Рейнольдса;
0,0244 – коэффициент теплопроводности воздуха, кВт/м·град;
0,245 и 0,6 – параметры для определения критерия Нусселя (табл. 1 в [2]);
13 · 10^–6 – коэффициент кинематической вязкости воздуха в критерии Рейнольдса, м²/с.

При подстановке всех коэффициентов формула для мощности, выделяемой на участке длиной 10 км, приобретает вид:

P_пред = 50 · (v · D)^0,6 · ΔT, кВт.

В табл. 1 рассчитаны значения Р_пред, а также активные потери в проводе при плотности тока 1 А/мм² (Р_ВЛ) [4] для различных марок сталеалюминиевых проводов при одинаковых климатических условиях: v =10 м/с и ΔТ = 2,5 ^оС. Там же определена необходимая дополнительная мощность независимого источника Р_ист = Р_пред – Р_ВЛ.

Таблица 1. К расчету мощности независимого источника, необходимой для предотвращения образования гололеда на стандартных сталеалюминиевых проводах ВЛ длиной 10 км

Параметры	Марка провода
	АС 25/4,2	АС 35/6,2	АС 50/8,2	АС 70/11	АС 95/16	АС 120/27	АС 150/24
D, мм	6,9	8,4	9,9	11,4	13,5	15	17
Рпред, кВт	24	27	30	33	36	39	42
РВЛ, кВт	7,5	9,8	15	21	28	36	45
Рист, кВт	16,5	17,2	15	12	8	3	3
R, Ом	42	37	33	30	28	26	24

Напряжение источника должно выбираться исходя из разрядного напряжения изоляции группы проволок. В качестве изоляционного слоя между группами проволок может быть использован экструдированный сшитый полиэтилен, применяющийся при изготовлении силовых кабелей. При рабочем напряжении 1, 10, 20 и 35 кВ толщина изоляции составляет соответственно 1,0; 3,4; 5,5 и 8,5 мм. Эти кабели изготавливаются по ТУ 16.К71-335-2004 и соответствуют требованиям МЭК 60502-2.

В табл. 1 в последней строке рассчитано общее активное сопротивление группы проволок внутри изоляционного слоя для длины ВЛ, равной 10 км. Эта группа проволок включается в цепь независимого источника. Разрядное напряжение изоляции этой группы проволок принято равным 1 кВ при толщине изоляции 1 мм.

При увеличении длины ВЛ до 100 км достаточно увеличить толщину изоляции до 3,5 мм, что позволяет применить независимый источник на напряжение 10 кВ и при этом не менять сечение изолированной группы проволок.

Для ВЛ или ее участка длиной менее 5 км можно снизить сечение группы проволок с изоляцией вдвое по сравнению с вариантом ВЛ длиной 10 км (табл. 1), т.е. с толщиной изоляции 1 мм, рассчитанной на напряжение 1 кВ.

Практическую разработку конструкции провода для реализации способа предотвращения образования гололеда рассмотрим на примере ВЛ длиной 10 км с проводом АС70/11, сердечник которого имеет одну стальную жилу диаметром 3,8 мм, алюминиевый повив состоит из 6 проволок такого же диаметра (рис 2а). Сечение стали и алюминия соответственно составляет 11 мм² и 68 мм², наружный диаметр провода равен 12 мм.

Рис. 2. Конструкции сталеалюминиевых проводов (с – стальные проволоки):
а) АС 70/11; б) провод, обеспечивающий подогрев от независимого источника

У разрабатываемого провода, согласно информации Кольчугинского кабельного завода, на изоляционный слой из экструдированного сшитого полиэтилена толщиной 1 мм наносятся проводящие композиции полиэтилена толщиной 0,6 мм, т.е. общая толщина вводимого в провод слоя составляет 2,2 мм. На рис. 2б показано сечение нового провода. По конструктивным соображениям и для обеспечения активного сопротивления группы проволок, в соответствии с табл. 1 внутри изоляционного слоя следует расположить 3 алюминиевых и 4 стальных проволоки диаметром 2 мм. При этом снаружи располагается 20 алюминиевых проволок диаметром 1,92 мм. У нового провода сечение алюминиевых проволок составляет 6,7 мм², стальных –12 мм², а наружный диаметр провода –14 мм.

В предлагаемой конструкции провода мощность, необходимая для предотвращения образования гололеда, из-за увеличения диаметра провода повышается на 10%. Требуемое повышение мощности может быть обеспечено за счет увеличения напряжения независимого источника всего на 5%, что позволяет разрядное напряжение общего изоляционного слоя. Кроме того, наружный слой, скомплектованный из проволок меньшего диаметра, имеет более гладкую поверхность, что обеспечивает меньшую налипаемость снега и меньшее образование гололеда.

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРЕДЛАГАЕМОГО ПРОВОДА

Внедрение в практику проводов специальной конструкции позволит предотвратить образование гололеда на проводах без отключения ВЛ, повысит надежность электроснабжения в осенне-зимний период, снизит затраты энергии на борьбу с гололедом.

Предотвращение образования гололеда на проводах открывает возможность изменить критерии проектирования ВЛ в сторону уменьшения расчетных нагрузок по гололеду, что приведет к снижению стоимости сооружения ВЛ.

В настоящее время, после увеличения нормированных расчетных нагрузок по ветру и гололеду [4], в условиях отсутствия соответствующей унификации опор, при проектировании используются опоры действующей унификации для следующего класса номинального напряжения. На рис. 3 показаны несколько таких примеров для модернизируемых и вновь сооружаемых ВЛ.

Рис. 3. Опоры

– действующей унификации;
– принятые в проектах ВЛ на расчетные климатические нагрузки в соответствии с требованиями ПУЭ-7.

При таком подходе к проектированию используются более высокие опоры, поэтому возрастает стоимость сооружения ВЛ. При этом дополнительным отрицательным фактором является увеличение поражаемости ВЛ разрядами молнии и снижение их грозоупорности.

ПРОГРАММА РАЗРАБОТКИ ПРОВОДА НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ

Работа по внедрению в электросетевое строительство перспективного провода включает следующие этапы:

• разработка технических требований и изготовление опытного образца провода с двумя изолированными между собой группами проволок. В работе может принять участие завод «Севкабель» (Санкт-Петербург);
• проведение испытаний для подтверждения способности предотвратить образование гололеда;
• проведение типовых механических испытаний на сертифицированных стендах;
• разработка схемы подогрева провода без отключения ВЛ;
• разработка технических условий на опытную партию провода с двумя изолированными между собой группами проволок;
• изготовление опытной партии провода нового типа;
• проведение сравнительной эксплуатационной проверки предлагаемого и традиционного способа борьбы с гололедом на ВЛ;
• разработка проекта организации на провода новой конструкции для реализации схемы подогрева проводов без отключения ВЛ с целью предотвращения образования гололеда.

ЛИТЕРАТУРА

1. Энергия за рубежом. Вып. 3, 2005.
2. Ветровые и гололедные воздействия на конструкции горных ВЛ // Сборник научных трудов ЭНИН им. Кржижановского. М.:1980.
3. Тиходеев Н.Н., Филиппов А.А. Устройство для предотвращения образования гололеда на воздушной линии. Патент на изобретение № 2316866, зарегистрирован в Государственном реестре РФ 10 февраля 2008 г.
4. Правила устройства электроустановок (ПУЭ–7). М.:«Энергосервис», 2003.