Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния проблемы и постановка задач исследования 12
1.1 Обзорный анализ работ по проблеме надежности электроснабжения и нормативам гололедно-ветровых нагрузок 12
1.1.1 Анализ работ по определению показателей надежности ВЛ в гололедном регионе 12
1.1.2 Нормативы гололедно-ветровых нагрузок В Л, принятые в России и других странах 24
1.2 Обзор способов плавки гололеда, применяемых в сетях напряжением 35 кВ и выше 31
1.3 Аргументация и формулировка задач исследования 45
Глава 2. Научно-обоснованный норматив гололедной нагрузки в районных сетей электроснабжения 6-Ю кВ 47
2.1 Характеристика физико-географических и синоптических условий возникновения гололедообразований в регионе Северного Кавказа 47
2.2 Параметры распределения гололедной нагрузки ВЛ 6-10 кВ.. 58
2.3 Определение научно-обоснованного норматива гололедной нагрузки ВЛ 6-Ю кВ 69
2.4 Выводы 74
Глава 3. Научно-обоснованный норматив ветровой нагрузки для ВЛ 6-Ю кВ в гололедный период 76
3.1 Характеристика физико-географических и синоптических условий возникновения ветровых нагрузок в гололедный период по Северному Кавказу 76
3.2 Параметры распределения ветровой нагрузки В Л 6-10 кВ при гололеде 81
3.3 Определение научно-обоснованного норматива ветровой нагрузки ВЛ 6-Ю кВ при гололеде 91
3.4 Взаимосвязь гололедной и ветровой нагрузок в районных сетях электроснабжения ВЛ 6-Ю кВ 96
3.5 Выводы 103
Глава 4. Показатели надежности сетей электроснабжения 6-10 кВ в гололедном периоде. Взаимосвязи между временем отказов и гололедно-ветровыми нагрузками 106
4.1 Параметры распределения времени отказов В Л 6-10 кВ при гололедно-ветровых авариях 106
4.2 Взаимосвязи между временем отказов В Л 6-10 кВ и гололедно-ветровыми нагрузками 118
4.2.1 Взаимосвязь между временем отказов ВЛ t, ч. и нагрузками от гололеда Ь, мм 118
4.2.2 Взаимосвязь между временем отказов ВЛ t и скоростями ветра V м/с 123
4.2.3 Взаимосвязь между толщинами стенки гололеда, Ь, мм и скоростями ветра V, м/с 129
4.3 Математическое ожидание ущерба предприятия М^ в гололедном регионе 134
4.4 Показатели надежности сетей электроснабжения 6 - 10 кВ в гололедном регионе 138
4.5 Выводы 145
Глава 5. Защита районных сетей электроснабжения 6 - 10 кВ от гололедно-ветровых нагрузок 148
5.1 Пассивные способы борьбы с гололедом 148
5.2 Активные способы борьбы с гололедом 152
5.3 Выводы 166
Глава 6. Рекомендации по использованию результатов исследований 171
6.1 Способы циклической плавки и профилактического нагрева для В Л 6-10 кВ 171
6.2 Плавка гололеда на В Л 6 - 10 кВ с реактором 179
6.3 Способы защиты В Л 6 - 10 кВ в гололедных регионах России 183
6.4 Перспективы развития сетей электроснабжения 6 - 10 кВ промышленных и сельскохозяйственных предприятий Ростовской области 187
Заключение 191
Литература 194
Приложения 202
- Обзор способов плавки гололеда, применяемых в сетях напряжением 35 кВ и выше
- Определение научно-обоснованного норматива гололедной нагрузки ВЛ 6-Ю кВ
- Определение научно-обоснованного норматива ветровой нагрузки ВЛ 6-Ю кВ при гололеде
- Взаимосвязи между временем отказов В Л 6-10 кВ и гололедно-ветровыми нагрузками
Введение к работе
Актуальность темы. В диссертационной работе проводится теоретическое обобщение и разрабатываются научно-методические основы системного подхода к решению актуальной научной проблемы - повышение надежности функционирования сельских распределительных электрических сетей в гололедных регионах России и имеет важное народно-хозяйственное значение. Воздействие стихийных гололедно-ветровых нагрузок вызывает массовое одновременное разрушение рабочих и резервных воздушных линий и приводит к серьезному материальному ущербу и нарушению непрерывных технологических процессов.
Решению важной проблемы повышения надежности электроснабжения предприятий сельского хозяйства, расположенных в гололедных районах посвящены работы научных школ Сельэнергопроекта, МЭИ (Технический университет), МГАУ им. В.П. Горячкина, ИГД им. А.А. Скочинского, СПбГТУ, ЮРГТУ (НПИ), а также ряда других известных организаций и университетов. Значительный вклад в решение различных аспектов этой проблемы внесли доктора технических наук В.В. Алексеев, В,В. Бургсдорф, И.А. Будзко, И.Ф. Бородин, А.А. Глазунов, А.Ф. Дьяков, А.Л. Западинский, Е.И. Забудский, А.С. Засыпкин, И.И. Левченко, Т.Б. Лещинская, Ю.П. Миновский, Г.И. Разгильдеев, Ю.А. Судник, Н.Н. Сырых, В.И. Славкин, В.И. Тарушкин, Ф.Х. Усманов, В.И. Щуцкий и ряд других специалистов. В странах мирового сообщества нет единой методики нормирования климатических условий.
Научная концепция диссертации. Основываясь на работах выдающихся ученых И.А. Будзко, В.В. Бургсдорфа, Ф.Х. Усманова и др. в области проблемы повышения надежности электроснабжения в гололедных районах России решена научно-техническая задача создания комплекса технических и технологических средств, разработанных на основе изучения объективно существующих закономерностей гололедообразования с учетом ветровых нагрузок.
Данная работа выполнена в Московском государственном агроинженерном университете и Южно-Российском государственном университете экономики и сервиса (г. Шахты). Работа выполнялась в соответствии с Федеральной программой «Топливо и энергия. Энергосбережение России». (Постановление Правительства РФ № 1265 от 6.12.93) комплексной целевой программы «Топливо и энергия» - Приказ № М-36-04 от 7.02.94 Госкомвуза РФ.
Автором разработан вариант комплексного решения проблемы, согласно которому в результате исследования физико-географических и синоптических условий возникновения стихийного процесса гололедообразования с использованием методов математической статистики и теории вероятностей по каждому гололедному региону могут быть определены законы и основные показатели распределений и установлены научно-обоснованные нормативы гололедно-ветровой нагрузки.
Цель исследования. Определение нормативов и разработка комплекса технических и технологических средств по борьбе с гололедно-ветровыми нагрузками в сельских распределительных электрических сетях на основе изучения объективно существующих закономерностей гололедообразования с учетом ветровых нагрузок.
Объектом исследования является система закономерностей климатических, технических и технологических средств, обеспечивающая надежное электроснабжение в гололедных районах при минимальных затратах.
Предметом исследования является минимизация отрицательного воздействия физико-географических и климатических явлений на надежность электроснабжения путем создания технических и технологических средств борьбы с гололедом с определением научно-обоснованных нормативов гололедно-ветровых нагрузок.
В диссертации решена научно-техническая задача, связанная с повышением надежности сельских распределительных электрических сетей 6 - 10 кВ в гололедных районах России с получением объективно существующих закономерностей гололедообразований путем установленных автором объективно-существующих закономерностей гололедообразований с учетом ветровых нагрузок.
7 Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
Определение научно-обоснованных нормативов гололедно-ветровых нагрузок на основе установления методами математической статистики и теории вероятностей закономерностей и основных показателей распределений в стихийном процессе гололедообразования, с использованием которых может быть обеспечено повышение надежности районных сетей электроснабжения 6 - 10 кВ в гололедных регионах России.
Установление взаимосвязи между временем отказов и гололедно-ветровыми нагрузками в районных сетях электроснабжения 6 - 10 кВ с определением уравнений связи и коэффициентов корреляции.
Установление показателей надежности в гололедный период с определением параметров потока отказов и среднегодовых коэффициентов готовности для районных сетей электроснабжения 6 - 10 кВ при активном и пассивном резервировании в гололедном регионе.
Определение математического ожидания ущерба (с учетом вероятности аварийных простоев) для предприятия, расположенного в гололедном регионе России.
Разработка новых активных способов борьбы с гололедом: установление зависимости допустимой длины пролетов ВЛ от удельных гололедно - ветровых нагрузок; циклическая плавка гололеда, профилактический нагрев и плавка с реактором на проводах ВЛ 6-10 кВ* электрическим током; усиление механической части элементов ВЛ к применение усиленных проводов марок АС, АСУ, СИП и другие в гололедном районе.
Для решения поставленных задач использованы методы теоретической электротехники, математического анализа, математического моделирования, методы математической статистики и теории вероятностей.
8 Основные научные положения, выносимые на защиту, разработанные лично соискателем.
Нормативы гололедно-ветровых нагрузок, полученные методами математической статистики и теории вероятностей с установлением закономерностей и основных показателей распределений, с использованием которых может быть обеспечено повышение надежности сетей* электроснабжения 6 - 10 кВ в гололедных районах России.
Взаимосвязи между временем отказов и гололедно-ветровыми нагрузками выявленные в сетях электроснабжения 6 - 10 кВ с определением уравнений связи и коэффициентов корреляции.
Показатели надежности, установленные по вероятности безотказной работы восстанавливаемых систем, с определением параметров потока отказов и коэффициентов готовности для сетей электроснабжения 6 - 10 кВ в гололедном регионе.
Математическое ожидание ущерба (с учетом вероятности аварийных отказов при гололеде) определено для предприятия, расположенного в гололедном регионе России.
Зависимость длины пролетов В Л 6-Ю кВ от удельной гололедно-ветровой нагрузки, соответствующей установленным научно-обоснованным нормативам для гололедного региона. Новые способы плавки гололеда электрическим током: циклическая плавка, профилактический нагрев и плавка с реактором для В Л 6-Ю кВ.
Научная новизна и основные научные результаты
1. Определены нормативы гололедно-ветровых нагрузок методами математической статне гики и теории вероятностей с установлением закономерностей и основных показателей распределений в стихийном процессе гололедообразования, при использовании которых может быть
9 обеспечено повышение надежности сетей электроснабжения 6 — 10 кВ в гололедных регионах России.
Выявлены взаимосвязи между временем отказов сетей электроснабжения 6-10 кВ и гололедно-ветровыми нагрузками с определением уравнений связи и коэффициентов корреляции, использование которых позволяет уточнить имеющиеся карты гололедного районирования методом экстраполяции.
Установлены показатели надежности сетей электроснабжения 6-10 кВ при активном и пассивном резервировании с учетом вероятности безотказной работы восстанавливаемых систем, определением параметров потока отказов и коэффициентов готовности в гололедный период, отсутствующие в доступной литературе.
Впервые определено математическое ожидание ущерба для предприятия, расположенного в гололедном регионе России.
Установлена зависимость длины пролетов ВЛ от удельной гололедно-ветровой нагрузки, соответствующей научно-обоснованным нормативам. С использованием в проектировании этой зависимости достигается повышение надежности ВЛ 6-Ю кВ. Предложены новые способы плавки гололеда для ВЛ 6-Ю кВ: циклическая плавка, профилактический нагрев и плавка с реактором.
Достоверность научных положений и выводов, а также полученных результатов обеспечивается: применением комплекса современных апробированных методов исследования; использованием современных вычислительных методов математической статистики; корректностью используемого математического аппарата; представительным объемом' статистического материала; положительными результатами использования научно-обоснованных нормативов гололедно-ветровых нагрузок для В Л 6-10 кВ в гололедном регионе. Вероятность результата Р(В) — 0,99
10 считается достаточным критерием надежности при числе наблюдений п = 410, показателе достоверности 5 = 2,58 и показателе точности Ps = 5%.
Практическая ценность и использование результатов.
Практическая ценность работы состоит в том, что разработаны: методики определения нормативов гололедно-ветровых нагрузок; рекомендации по: определению длины пролетов ВЛ 6-10 кВ в гололедном районе; усилению механической части опор и проводов; количественным показателям надежности сетей электроснабжения и способам активной и пассивной защиты В Л 6-\0 кВ, включая плавку гололеда электрическим. током.
С использованием результатов работы достижимо повышение надежности сетей электроснабжения напряжением 6 и 10 кВ в гололедных районах России.
Результаты диссертационной работы использованы: в Западных электрических сетях ОАО «Ростовэнерго» утверждены 17.01.02 ведомственные «Методические рекомендации по плавке гололеда р> сетях электроснабжения 6-Ю кВ, предназначенные для ИТР-энергоснабжающих и производственных объединений, обслуживающих сети электроснабжения 6-Ю кВ подвергающиеся воздействию гололедно-ветровых нагрузок; в ОАО «Ростовуголь» утверждены 19.01.02 ведомственные «Технические рекомендации по определению нормативов гололедно-ветровых нагрузок и показателей надежности шахтных сетей электроснабжения 6-Ю кВ в Восточном Донбассе, предназначенные для инженерно-технических работников обеспечивающих эксплуатацию сетей электроснабжения 6-10 кВ при воздействии гололедно-ветровых нагрузок; - в ЮРО АГН на заседании президиума (Протокол № 4 от 05.03.02) утверждено «Техническое руководство по определению нормативов ф гололедных нагрузок в сетях электроснабжения 6-Ю кВ Восточного ^ Донбасса» и рекомендовано для использования в практике проектирования, монтажа и эксплуатации сетей электроснабжения 6-10 кВ как в Восточном
Донбассе, так и в других гололедных регионах России; - в «Шахтинвестпроекте РФ» утверждено 01.03.02 ведомственное «Техническое руководство» предЕіазначенное для инженерно-технических работников, занимающихся проектированием и эксплуатацией промышленных сетей электроснабжения 6-10 кВ в гололедном регионе; - в Ростовском управлении Госгортехнадзора России использованы, # теоретические разработки и практические рекомендации при согласовании мероприятий по ежегодной подготовке к работе в осенне-зимний период (ОЗП) сетей электроснабжения 6-\0 кВ; - в ОАО «Кавэлектромонтаж» использованы предложенные способы усиления деталей ВЛ 6-10 кВ (пасынки, провода марки АС, АСУ и др.).
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе при чтении лекций и выполнении курсовых и дипломных работ по направлению 65.45.00. «Электротехника, электромеханика и Ф электротехнологии».
Обзор способов плавки гололеда, применяемых в сетях напряжением 35 кВ и выше
В сетях 35 кВ и выше применяются следующие способы плавки-гололеда электрическим током: способ короткого замыкания, встречного включения фаз, схема пофазного обогрева постоянным током [НО].
Для предупредительного нагрева применяются схемы: перераспределения нагрузок, изменения схем коммутации сети, прогрев токами наложения, применением проводов специальной конструкции с изолированной жилой для обогрева. Эффективность всех видов плавки зависит от скорости нарастания гололедообразований.
Характеристика скорости нарастания гололедно-изморозевых отложений и учет продолжительности их нахождения на проводах имеют серьезное практическое значение для разработки мероприятий по борьбе с обледенением. Они нужны для правильного планирования сроков плавки гололеда электрическим током, которая должна быстро (0,5 - 1,0 ч) применяться в районах интенсивного нарастания гололедно-изморозевых отложений. Полная характеристика протекания гололедных явлений с момента образования до естественного опадания осадков с проводов позволяет судить о возможной продолжительности гололедного периода, в течение которого в сетях должна проводиться борьба с гололедом. Эта скорость различна в разных районах и зависит главным образом от скорости ветра и содержания переохлажденной влаги в атмосфере. В Донбассе скорость образования 100 г/час является обычной, а в отдельных случаях наблюдается даже скорость отложений порядка 200-300 г/час.
Основным эксплуатационным мероприятием по предупреждению гололедных аварий воздушных линий признана плавка гололеда электрическим током. По плавке гололеда в энергосистемах на В Л 35 кВ и выше Россия занимает ведущее место [5, 58]. В решениях Всесоюзных научно-технических совещаний по плавке гололеда отмечалась целесообразность разработки методов плавки гололеда на ВЛ в районных распределительных сетях. Наряду с плавлением гололеда находит применение профилактический нагрев, препятствующий отложению гололеда на проводах В Л в сетях 35 - 220 кВ. Рабочие токи линий электропередач обычно не достаточны для целей плавки (Іп 3 1Н) или предупредительного нагрева (/„.„ = 1,6 1Н), и вследствие этого необходимы специальные мероприятия по повышению токовой нагрузки линий. Наиболее известны схемы плавки гололеда, разработанные для В Л 35 кВ и выше: коротким замыканием, встречным включением фаз, перераспределением нагрузок, токами наложения с вольтодобавочными трансформаторами, постоянным током и схемы плавки гололёда на тросах [65-67].
В работах Г.И. Денисенко разработаны схемы плавки гололёда для ВЛ высокого и сверхвысокого напряжения по расщепленным фазам с изолирующими распорками и способы одновременной передачи электроэнергии переменным и постоянным током по общим линиям передач. Известны схемы плавки гололеда на ЛЭП 35 - ПО кВ с помощью реактора, исследованные Г.Б. Якушей, и конструкции выпрямителей для плавки постоянным током в сетях 110 - 220 кВ, разработанные Р.В. Шнеллем [119]. Большие работы по защите от гололеда контактной сети, линий электропередач и автоблокировки проводятся в системе МПС России [4]. Действие Руководящих указаний по плавке гололеда на воздушных линиях электропередачи [ПО] ограничено указанием: «...Настоящие указания распространяются на воздушные линии электропередачи напряжением 35 кВ и выше».
В западных сетях Ростовэнерго, обслуживающих регион Восточного Донбасса, из общего количества В Л 6384 км доля линий электропередачи напряжением 6 и 10 кВ составляет 40 % - 2550 км.
Решение проблемы повышения надежности электроснабжения по В Л 6 - 10 кВ в гололедном районе связано с применением активных методов борьбы с гололедом, и в первую очередь с плавкой гололеда электрическим током.
Известные схемы плавки гололеда разработаны для сетей напряжением 35 кВ и выше. Необходимость защиты В Л 6-10 кВ, составляющих 40% от общего количества линий электропередач требует определения возможности использования известных в сетях 35 кВ и выше схем плавки, а также разработки специальных несимметричных схем и циклических режимов плавки для сетей электроснабжения напряжением 6 - 10 кВ в гололедных районах.
Из известных и применяемых в сетях 35 кВ и выше способов плавки целесообразно исследовать возможность применения в сетях электроснабжения по В Л 6 - 10 кВ следующих способов: плавки коротким замыканием, встречным включением фаз, повторно-кратковременными токами, плавки с применением специальных реакторов и плавки постоянным током.
Кроме известных способов перспективны несимметричные схемы плавки в более широких пределах изменяющие сопротивление цепи плавки и более полно учитывающие особенности ВЛ 6 - 10 кВ [86].
Способ плавки гололеда коротким замыканием является наиболее простым, дешевым и удобным. Недостаток этого способа состоит в необходимости отключения линии на время плавки. Однако для резервированных ВЛ 6 -10 кВ при плавке на одной линии питание может осуществляться по резервной линии.
Способ встречного включения применяется для увеличения тока плавки и длины обогреваемых линий. На линию подается не фазное, а линейное напряжение. Этот способ также достаточно прост и обеспечивает надежное проведение плавки. Способ плавки токами наложения не применим в сетях 6 -10 кВ вследствие сложности исполнения и необходимости повышения напряжения в сети в период плавки до 20 кВ, что не соответствует уровню изоляции, ВЛ6-10кВ[5г6?1
При плавке коротким замыканием линия электропередачи подключается к источнику питания и замыкается накоротко на конце. Этот способ признан наиболее простым, дешевым и удобным в исполнении способом плавки гололеда. Недостаток способа плавки трехфазным коротким замыканием состоит в необходимости отключения линии на время плавки.
Ток плавки зависит от нескольких расчетных параметров: скорости ветра, величины, формы и вида гололеда, температуры и состояния окружающей атмосферы и времени плавки гололеда.
Способ встречного включения (рис. 1.2) применяется для повышения силы тока и длины обогреваемых линий по сравнению со способом короткого замыкания. На линию подается не фазное, а линейное напряжение. При встречном включении нагрузка между подстанциями распределяется неравномерно. Большую часть активной мощности берет на себя трансформатор, напряжение которого оказывается упреждающим во времени.
Необходимая сила тока в линии при плавке по способам короткого замыкания и встречного включения обеспечивается выбором надлежащего напряжения, подводимого к обогреваемой линии и ее длины. Способы короткого замыкания и встречного включения просты, наглядны и обеспечивают надежное проведение плавки. Их основным недостатком является необходимость выключения оплавляемой линии из работы, что препятствует применению этих способов при одиночных линиях с односторонним питанием.
Определение научно-обоснованного норматива гололедной нагрузки ВЛ 6-Ю кВ
Чем меньше показатель точности, тем надежнее результаты исследования. Полученное нами значение Р$ = ±1,7% указывает на достаточную надежность результатов наблюдений. Вариационный ряд показателей гололедообразования представлен графически (рис. 2.2) в виде кривой распределения, построенной по экспериментальным данным, собранным в таблице 2.8, где для размещения по оси абсцисс выбраны 7 значений средних толщин стенок гололеда Ьу мм и соответствующие им значения частот Ps для размещения по оси ординат. Для экспериментальной кривой распределения по тем же экспериментальным данным, среднему арифметическому М и среднему квадратическому отклонению а построена соответствующая ей кривая нормального распределения. Наибольшая высота кривой нормального распределения в точке М, соответствующей по оси абсцисс среднему арифметическому экспериментального ряда, определяется по формуле [46]: где К - классовый промежуток, К = 5; п - число наблюдений, п = 520; о - среднее квадратическое отклонение, о ± 6,8 мм. Вправо и влево от вертикали, проходящей через точку М, ординаты нормальной кривой будут симметрично уменьшаться. Ординаты кривой нормального распределения вычислены по формуле: y = h-H, где h - числовой коэффициент, взятый в зависимости от d - коэффициента, выражающего абсциссу в долях сигмы. Абсциссы, соответствующие ординатам нормальной кривой, вычисляются по формуле: х = M±d- а Результаты вычисления абсцисс и ординат кривой нормального распределения толщин стенок гололеда приведены в таблице 2.8. Графически кривая нормального распределения представлена на рисунке 2.2. Полного совпадения экспериментальной кривой и кривой нормального распределения в действительности никогда не наблюдается, поэтому для количественной оценки степени расхождения кривых необходимо вычислить показатель асимметрии и показатель эксцесса. Для вычисления показателей асимметрии и эксцесса способом сумм воспользуемся полученными ранее при определении статистических характеристик суммами вторых, третьих и четвертых степеней центральных отклонений: х2 = 965; х3 = 68 и х4 - 4303.
При способе сумм необходимое для вычислений показателей асимметрии и эксцесса среднее квадратическое отклонение вычисляется без учета классового промежутка (условно принимается К = 1) и без поправки на малое число наблюдений по формуле: Показатель асимметрии: Показатель эксцесса: Ошибки показателей: а) асимметрии т = ± у " = 0,11. б) эксцесса тЕ = ± 2; ms = ±0,22 (2.9) Отношение показателей асимметрии и эксцесса к их ошибкам: Так как отношение асимметрии и эксцесса к их ошибкам меньше трех, то на основании правила трех сигм (правило тройной ошибки) можно сделать заключение, что асимметрия и эксцесс не имеют в данном случае существенного значения и что изучаемый признак подчиняется закону нормального распределения. Закон нормального распределения характеризуется плотностью вероятности вида: где а - среднее квадратическое отклонение величины х; М - математическое ожидание. В точке х = М ордината кривой достигает максимального значения у = Каждой числовой характеристике случайной величины х соответствует её статистическая аналогия [\в]. Для основной характеристики положения -математического ожидания случайной величины, такой аналогией является среднее арифметическое статистического ряда случайной величины: М = 17,7мм и аналогично о = ±6,8 мм. Согласно методу моментов если теоретическая кривая f(x) зависит от двух параметров, то эти параметры выбираются так, чтобы математическое ожидание и дисперсия теоретического распределения совпадали с соответствующими статистическими характеристиками М и о. Выполняя эти два условия, получаем выражение закона нормального распределения удобное для расчетов с помощью табл. 3 из [16]
Определение научно-обоснованного норматива ветровой нагрузки ВЛ 6-Ю кВ при гололеде
Определение расчетных климатических условий для расчета и выбора конструкций ВЛ должно производиться в соответствии с требованиями ПУЭ на основании карт климатического районирования с уточнением по материалам многолетних наблюдений гидрометеорологических станций и энергосистем за скоростью ветра в зоне трассы ВЛ.
Начиная с ноября 1978 г, со вводом в действие 5-го издания ПУЭ - 76 максимальные нормативные скоростные напоры для высоты до 15 м от земли принимались по таблице П-5-1 для В Л от 6 до 330 кВ с повторяемостью 1 раз в 10 лет не ниже q0 = 40 даН/м , но с обязательным применением снижающего коэффициента 0,25: qr = 0,25 q0, даН/м . Предусматривался также (в п. 6 П-5-34) снижающий коэффициент 0,5 для скорости ветра V= 0,5 VM, м/с. Значения скоростных напоров ветра при их уточнении на основании обработки фактически замеренных скоростей определяются по формуле: где q0 - максимальный нормативный скоростной напор ветра, даН/м2; VM - скорость ветра на высоте 10 м над поверхностью земли, м/с.
Обследованный регион относился к III ветровому району России со скоростным напором ветра qM= 50 даН/м и скоростью ветра VM= 29 м/с при повторяемости 1 раз в 10 лет для В Л 6-10 кВ. Расчет ВЛ по нормальному режиму работы (по п. 6 И-5-34) необходимо было производить для следующего сочетания климатических условий [10]: провода покрыты гололедом, температура минус 5С, скоростной напор, ветра 0,25qM = 12,5 даН/м (скорость ветра V= 0,5 VM= \5 м/с с округлением до целого числа). В районах с толщинами стенок гололеда 15 мм и более скоростной напор ветра при гололеде должен был быть не менее 14 даН/м , а скорость ветра не менее 15 м/с. Во всех случаях скоростной напор ветра при гололеде следовало принимать не более qM 30 даН/м (скорость ветра VM 22м/с).
Вместе с тем, правила рекомендуют принимать для отдельных районов России, где отмечены или где можно ожидать повышенных скоростей ветра при гололеде, а также сочетания значительных скоростей ветра с большими, размерами гололедно-изморозевых отложений с удельной объемной массой менее 0,9 г/см3, нормативные значения скоростного напора ветра и толщин стенок гололеда в соответствии с данными о фактически наблюдаемых размерах гололеда и скорости ветра при гололеде без упоминаний о снижающих коэффициентах. Нормативная ветровая нагрузка Р, даН/м, на 1 м провода, покрытого гололедом, действующая перпендикулярно к проводу, определяется по формуле [\02]: где a - коэффициент, учитывающий неравномерность скоростного напора ветра по пролету ВЛ, при 50 даН/м2 а = 0,78; Kt - коэффициент, учитывающий влияние длины пролета на ветровую нагрузку, равный Kt =1,1 при длине пролета 100 м; Сх - коэффициент лобового сопротивления, принимаемый Сх= 1,2 равным для всех диаметров проводов, покрытых гололедом; q - нормативный скоростной напор ветра в рассматриваемом режиме (по п. 6 II - 5 - 34), q = 0,25 qM = 12,5 даН/м ; F - площадь диаметрального сечения провода при гололеде с учетом, нормативной толщины стенки гололеда Ън = 30 мм и условно принятым диаметром провода марки АС - 95 d = 13,5 мм, F м : где (р - угол между направлением ветра и осью линии, (р - 90, sin 90 = 1. Нормативная ветровая нагрузка на провода марки АС- 95 В Л 6-10 кВ, находившихся в Ш-м ветровом районе и Ш-м районе по гололеду принималась в соответствии с ранее действовавшими ПУЭ.
На основе установления закона нормального распределения и интегральной функции распределения скоростей ветра при гололеде по величине и повторяемости определен научно-обоснованный норматив скорости ветра при гололеде VH = 17м/с, с использованием которого в практике проектирования и эксплуатации В Л 6-10 кВ не требуется применение снижающих коэффициентов Vp — 0,5Vcr и Wp= 0,25 W0 и может быть обеспечено повышение надежности сетей электроснабжения.
Изменения величины и повторяемости нормируемой ветровой нагрузки при периодических переизданиях ПУЭ подтверждают целесообразность разработки и принятия в качестве норматива значения скоростей ветра/ полученных в результате установления закона нормального распределения скоростей ветра при гололеде для региона Северного Кавказа.
Расчет периодов повторения Т, выражаемых числом лет, в течение которых значение норматива скоростей ветра при гололеде V, м/с не будет превышено более одного раза, выполнен по формуле [6,j09]: Т= 1/(1- F j), где F(V) - интегральная функция распределения скоростей ветра при гололеде.
Результаты расчета приведены в таблице 3.11 и охватывают зависимость скоростей ветра V (от 2 до 32 м/с) и соответствующей им повторяемости Т, в годах (от 1 до 83 лет).
Учитывая требуемую действующими ПУЭ 2003 повторяемость 1 раз в 25 лет для ВЛ 6-10 кВ, устанавливаем по данным таблицы 3.11 научно обоснованный норматив скорости ветра при гололеде Уц = 29 м/с и ветровое давление Wr = 52 даН/м . Нормативная погонная ветровая нагрузка для ВЛ 6-10 кВ с условным проводом марки АС-95 при научно-обоснованных нормативах скорости ветра Ун = 29 м/с (Wr = 52 даН/м ) и толщине стенки гололеда Ьн — 30 мм, будет равна по данным фактических наблюдений без учета снижения ветрового давления на коэффициент 0,25: Со введением в действие седьмого издания ПУЭ 2003 основой для районирования по ветровому давлению Wo. Па являются максимальны скорости ветра Vo м/с с 10-минутным интервалом осреднения скоростей на. высоте 10 м повторяемостью 1 раз в 25 лет, которые соответствуют карте районирования территории России по ветровому давлению. Гололедный регион Донбасса по данным ПУЭ-2003 (Рис. 2.5.1) расположен в IV районе по ветровому давлению z Wo - 800 Па (или 80 даН/м ) и Vo = 36 м/с. Нормативное ветровое давление при гололеде Wp с повторяемостью 1 раз в 25 лет определяется по формулам (ПУЭ-2003): Wr = 0,25 W0 = 200Па (20даН/м2), скорость ветра при гололеде Vr= 0,5 V0= 18 м/с. Эти формулы используются при отсутствии региональных карт и данных наблюдений. Для ВЛ до 20 кВ, включая ВЛ 6 и 10 кВ, в соответствии с ПУЭ 2003,-минимальное значение нормативного ветрового давления при гололёде должно приниматься не менее Wr = 200 Па (20 даН/м ).
Взаимосвязи между временем отказов В Л 6-10 кВ и гололедно-ветровыми нагрузками
Наличие связи между толщинами стенок гололеда Ь и временем отказа t при наблюдениях (п = 400 гололедных аварий) в сетях электроснабжения региона Северного Кавказа установлено по уравнению связи и величине коэффициента корреляции г, характеризующего линейную зависимость между изучаемыми параметрами. Наиболее удобными способами вычисления коэффициента корреляции г являются способы сумм и округления, при которых применяются особые приемы разноски вариантов для подсчета частот [46]. При определении связи между толщинами стенок гололеда и временем отказа независимой переменной являются толщины стенок гололеда Ь, отдельные значения которых сведены в ряд У, а соответствующие им значения времени отказа / сведены в ряд X. Взаимосвязанные пары наблюдений приведены в таблице 4.6. Результаты распределения вариантов по классам приведены в таблице 4.7. Суммы частот Рь и Pt в таблицах 4.6 и 4.7 равны числу пар наблюдений п = 400. Одним из способов для первичной оценки связи между толщинами стенок гололеда и временем отказов ВЛ при гололедных авариях является способ графического изображения результатов наблюдений, представленный в таблице 4.6. Здесь по оси ординат Y отложены средние значения толщин стенок гололеда Ь, мм: 3, 8, 13, 18, 23, 28, 33, сгруппированные в 7 классов с классовым промежутком Кь = 5 (табл. 4.6 и 4.7).
По оси абсцисс X отложены значения другого свойства - времени отказов ВЛ при гололедных авариях также в виде средних значений t, ч: 3, 8, 13, 18, 23, 28, 33, из 7 классов времени отказов с классовым промежутком К, = 5. В местах пересечений указаны частоты Рь., случаев времени отказов при соответствующих средних значениях классов толщин стенок гололеда. Площадь эллипса с осями АВ и СД охватывает 94% всех пар наблюдений. Зависимость между толщинами стенок гололеда и временем отказов ВЛ в общем виде может быть представлена как .у —f(X) или Ъ =f(t). Предварительный анализ графического размещения взаимосвязанных результатов наблюдений, представленных в таблице 4.6, позволяет предположить, что для выражения вида уравнения связи может быть использовано уравнение прямой, возможно совпадающей с большой осью намеченного нами эллипса. Поэтому вначале обратимся к уравнению прямой, проходящей через две произвольно выбранные точки А и В на большой оси эллипса, и составим уравнение этой прямой: Подстановкой значений в уравнение (4.17) получаем уравнение связи гололедной нагрузки по толщинам стенок гололеда и времени отказов ВЛ 6-Ю кВ при гололедных авариях: где х - значения времени отказов ВЛ t, ч; Y - значения толщин стенок гололеда Ь, мм. Оценка пригодности полученного уравнения связи произведена путем сравнения данных наблюдений с данными, рассчитанными по уравнению 4.18. Результаты сравнений представлены в таблице 4.8. Значения отклонений не превышают 5%. Сумма квадратов отклонений S8 = 4,03 весьма малой величины и, следовательно, данное уравнение связи пригодно для практического использования. Расчет коэффициента корреляции целесообразно выполнить способом округления с применением расчетной таблицы 4.9: следовательно, наличие взаимосвязи между двумя свойствами - нагрузкой от гололеда и временем отказов считается достоверным. Результаты определения взаимосвязи гололедной нагрузки и времени отказов В Л при гололедных авариях: 1) установлены взаимно-связанные результаты наблюдений толщин стенок гололеда Ъ и соответствующих им величин времени отказов ВЛ при 123 гололедных авариях и выполнено распределение вариантов по классам; 2) установлено наличие взаимосвязи между двумя свойствами -гололедом и временем отказов ВЛ с определением величины и подтверждением достоверности коэффициента корреляции г = 0,75 по отношению к его ошибке; 3) установлено уравнение связи гололедной нагрузки и времени отказов В Л и рассчитаны его коэффициенты: у = 0,975 х - 0,3; 3) выполнена оценка пригодности полученного уравнения связи при; максимальном значении отклонений, не превышающем 5%, полученным путем сравнения данных наблюдений с данными, рассчитанными по уравнению связи, что свидетельствует о пригодности данного уравнения для практического использования. Определение взаимосвязи гололедной нагрузки и времени отказов ВЛ с установлением уравнения связи и получением значения коэффициента корреляции г = 0,75 является вкладом в решение проблемы разработки принципиально новых, экономически обоснованных нормативов гололедных нагрузок Ън= 30 мм и времени отказов tH= 20 ч с возможностью установления математического ожидания убытка при гололедных авариях В Л 6-10 кВ. Наличие взаимозависимости между скоростями ветра V и временем отказов ВЛ t с определением коэффициента корреляции и установлением уравнения связи при гололедно-ветровых авариях в сетях электроснабжения 6 - 10 кВ выполнено способом сумм с применением особого приема разноски вариантов для подсчета частот [46]. Расположение взаимосвязанных пар наблюдений приведено в таблице 4.10. Первичная оценка связи между скоростями ветра и временем отказов выполнена с использованием графического изображения результатов наблюдений в таблице 4.10. Здесь по оси ординат У отложены средние значения скоростей ветра V, 5. По оси абсцисс X отложены значения другого свойства - времени отказов ВЛ при гололедных авариях также в виде средних значений /, ч: 3, 8, 13, 18, 23, 28, 33 из 7 классов времени отказов с классовым промежутком Kt- 5. В местах пересечений горизонтальных и вертикальных линий указаны частоты pt случаев времени отказов, пересекающиеся с соответствующими pv средних значений классов скоростей ветра (таблицы 4.10 и 4.11). Намеченный нами контур эллипса с осями АВ и СД охватывает 95%; всех пар наблюдений.
