Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Показатели надежности и техническое обслуживание воздушных линий электропередачи 11
1.1 Причины технологических нарушений и отказов воздушных линий электропередачи 11
1.2 Регламентированные методы оценки технического состояния воздушных линий электропередачи и их совершенствование 32
1.3 О некоторых общих проблемах эксплуатации воздушных линий электропередачи .. 43
1.4 Выводы 48
Глава 2 Повышение надёжности воздушных линий электропередачи по кВ путём совершенствования их конструкции 49
2.1 Статистика отказов ВЛ 110 кВ в ОАО «Тюменьэнерго» ... 49
2.2 Совершенствование конструкций и технологии монтажа фундаментов В Л 51
2.3 Повышение грозоупорностиВЛ 110 кВ 63
2.4 Общая характеристика отключений ВЛ ПО кВ по невыясненным причинам . 74
2.5 Выводы .81
Глава 3 Исследования причин перекрытия изоляции воздушных линий электропередачи 83
3.1 Классический механизм перекрытия загрязнённой и увлажнённой изоляции 83
3.2 Модификация механизма перекрытия изоляции при загрязнении и увлажнении .92
3.3 Практический пример определения зависимости вероятности отключений линий от метеорологических условий ...99
3.4 Анализ процессов адсорбции-десорбции влаги на поверхности изолятора 110
3.5 Связь отключений ВЛ с режимом электропередачи ... 116
3.6 Полевые регистрации локальных перенапряжений 125
3.7 Выводы 129
Глава 4 Многофакторный анализ немотивированных отключений воздушных линий электропередачи 110 кВ и разработка мероприятий по снижению их числа . 131
4.1 Хронометрический анализ немотивированных отключений В Л . 131
4.2 Признаки отключений В Л вследствие вмешательства птиц 133
4.3 Смешанные и другие причины отключений ВЛ .. 143
4.4 Разработка рекомендаций по выяснению причин немотивированных отключений В Л 147
4.5 Рекомендации по снижению числа немотивированных отключений ВЛ 153
4.6 Выводы 154
Заключение 155
Список литературы 157
Приложение А. Вклад соискателя в опубликованные научные разработки, принадлежащие соавторам, коллективно с которыми они были написаны 168
Приложение Б Акты (копии) о внедрении научных положений и выводов диссертации 170
Приложение В. Протокол (копия) высоковольтных испытаний демонтированных с ВЛ гирлянд изоляторов 172
Приложение Г. Протокол (копия) обследования ВЛ 181
- Регламентированные методы оценки технического состояния воздушных линий электропередачи и их совершенствование
- Совершенствование конструкций и технологии монтажа фундаментов В Л
- Классический механизм перекрытия загрязнённой и увлажнённой изоляции
- Признаки отключений В Л вследствие вмешательства птиц
Введение к работе
Актуальность темы. Уровень надёжности транспорта электрической энергии по воздушным линиям электропередачи (ВЛ) ограничивается их неплановыми отключениями, которые возникают вследствие отказов отдельных конструктивных элементов ВЛ, нарушений технологии изготовления, монтажа и эксплуатации и внешних воздействий. Проблемам надёжности ВЛ были посвящены исследования таких организаций как НИИПТ, ВНИИЭ, ЛПИ, ОРГРЭС, РОСЭП и СибНИИЭ, а также ведущих специалистов Мерхалёва С.Д., Соломоника Е.А., Гутмана И.Ю., Руцкого В.М., Новиковой А.Н., Тимашовой Л.В., Гайворонского А.С. и др. Несмотря на огромный вклад указанных организаций и специалистов в решение задач обеспечения надёжности ВЛ, они остаются в поле внимания исследователей. К таким задачам можно отнести, например, борьбу с грозовыми отключениями ВЛ, особенно двухцепными, с выпучиванием и разрушением фундаментов опор, перекрытиями загрязнённой и увлажнённой изоляции и перекрытиями изоляции ВЛ по невыясненным или немотивированным причинам. Решение перечисленных проблем и вопросов весьма актуально.
Объектом исследования являются ВЛ преимущественно класса напряжения 110 кВ, и в отдельных вопросах - 220 кВ.
Предметом исследования являются процессы, влияющие на отключения ВЛ: грозовые перенапряжения, морозное пучение и разрушение фундаментов опор, загрязнение и увлажнение изоляции, локальные перенапряжения и орнитологические факторы - «птичьи отключения».
Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами и планом работы академии. Работа выполнялась в соответствии: с научными направлениями исследовательского комитета В2 «Воздушные линии» СИГРЭ и технического комитета № 11 «Воздушные линии электропередачи» МЭК, а также с научной целевой комплексной темой «Разработка мероприятий по повышению надёжности работы оборудования в условиях пониженных температур» (гос. регистр. № 0188.0004.137).
Идея работы заключается во внедрении наиболее эффективных мер повышения надёжности ВЛ и в объяснении причин немотивированных отключений ВЛ с привлечением наиболее комплекса явлений и признаков, в том числе, ранее не использовавшихся для этой цели.
Целью работы является разработка научных положений, технических средств и рекомендаций, позволяющих повысить надёжность
воздушных линий электропередачи класса напряжения 110 кВ. Для достижения этой цели в работе ставились и решались следующие взаимосвязанные научно-технические задачи:
совместно с изготовителем разработать аппараты для защиты ВЛ 110 кВ от атмосферных перенапряжений в регионах с высоким удельным сопротивлением грунтов, оптимизировать места установки и оценить эффективность работы защитных аппаратов;
опробовать конструктивные и технологические решения по усилению фундаментов опор и выбрать наиболее эффективные из них;
провести статистическую обработку оперативной информации и выявить значимые корреляционные связи отключений ВЛ с метеорологическими, орнитологическими, режимными и прочими факторами;
разработать математическую модель конденсационного увлажнения поверхности изоляции;
провести расчёты локальных перенапряжений при вариации параметров коммутируемой нагрузки на отпаечных подстанциях;
разработать рекомендации по выяснению причин немотивированных отключений ВЛ 110 кВ и по снижению их числа.
Методы исследования. В процессе выполнения исследований применялись: анализ и обобщение данных из литературных источников, методы теоретических основ электротехники и теории электрических сетей, методы математической статистики и теории вероятностей, расчёты по универсальным и специализированным компьютерным программам.
На защиту выносятся:
-
Результаты внедрения защитных аппаратов ОПН-Лир и ОПН-Лит на ВЛ 110 кВ, ранее отличавшихся низкой грозоупорностью.
-
Результаты исследований и практического опробования конструктивных и технологических решений фундаментов опор, направленных на предотвращение их морозного пучения и разрушения.
-
Корреляционные связи немотивированных отключений ВЛ с метеорологическими условиями.
-
Математическая модель конденсационного увлажнения изоляции ВЛ.
-
Результаты расчётов локальных перенапряжений, возникающих при коммутациях нагрузки на отпаечных подстанциях.
-
Орнитологические и другие признаки отключений ВЛ, вызванные вмешательством птиц.
7 Рекомендации по выяснению причин немотивированных отключений В Л ПО кВ и по снижению числа немотивированных отключений В Л ПО кВ.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена проведением высоковольтных испытаний в аттестованных испытательных лабораториях с применением поверенных измерительных приборов и стандартных методов высоковольтных испытаний, использованием для расчётов лицензированного программного обеспечения.
Обоснованность выводов и рекомендаций работы подтверждена публикациями и обсуждениями результатов исследований на международном симпозиуме и российских научно-технических конференциях, а также массовой практической реализацией полученных результатов.
Научная новизна работы характеризуется следующими новыми научными положениями:
установлено, что наибольшая вероятность перекрытия гирлянд стеклянных изоляторов имеет место при скорости ветра около 2 м/с;
предложена математическая модель конденсационного увлажнения поверхности изоляторов, которая, в отличие от модели инерционного осаждения капелек тумана, обосновывает возможность перекрытия изоляции в отсутствие тумана и объясняет максимум в зависимости вероятности перекрытия изоляции от скорости ветра;
при расследовании причин перекрытия изоляции ВЛ необходимо учитывать влияние локальных перенапряжений, которые могут иметь место, например, при коммутации нагрузки отпаечных подстанций;
при выяснении причин немотивированных отключений ВЛ необходимо анализировать дополнительные признаки, указывающие на вмешательство птиц, в том числе мигрирующих в осеннее-зимний период;
рекомендован порядок выяснения причин немотивированных отключений и мероприятия по снижению их числа.
Теоретическая значимость работы заключается в развитии представлений о механизме перекрытия изоляции В Л в районах с лёгким загрязнением, в части количественной оценки увлажнения изоляции по конденсационному механизму и учёта возможных локальных перенапряжений.
Практическая значимость результатов работы заключается в повышении надёжности В Л 110 кВ за счёт снижения числа отказов фундаментов опор, грозовых и немотивированных отключений,
Реализация работы. Защитные аппараты ОПН-Л смонтированы на двух выбранных В Л 110 кВ ОАО «Тюменьэнерго», опыт эксплуатации в течение нескольких грозовых сезонов подтвердил высокую эффективность применения защитных аппаратов. На ряде линий проведена реконструкция фундаментов опор с применением крестовидных свай. Суммарный ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения этих решений составит более 850 тыс. руб. при сроке окупаемости капитальных вложений около 2 лет.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на 7-м семинаре Общественного Совета специалистов Сибири и Дальнего Востока по диагностике электрических установок, Хабаровск, 2012; на 4-й и 5-й Российских конференциях с межд. участием «Линии электропередачи: проектирование, строительство, опыт эксплуатации и научно-технический прогресс, Новосибирск, 2010 и 2012; на восемнадцатом международном симпозиуме по технике высоких напряжений, Сеул, Ю.Корея, 2013.
Личный вклад. Постановка научно-исследовательских задач и их решения, научные положения, выносимые на защиту, основные выводы и рекомендации диссертации принадлежат автору. Личный вклад в работах, опубликованных в соавторстве, показан в Приложении А диссертации и составляет не менее 50 %.
Публикации. Содержание работы изложено в 14 научных трудах, в том числе, в 2 статьях периодических изданий по перечню ВАК.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы из 107 наименований и четырёх приложений. Содержание изложено на 167 страницах машинописного текста, который поясняется 61 рисунком и 20 таблицами.
Регламентированные методы оценки технического состояния воздушных линий электропередачи и их совершенствование
Отечественными нормативными документами [2 - 4] предусматриваются следующие виды работ по оценке технического состояния ВЛ: очередные и внеочередные осмотры, профилактические проверки и обследования.
В состав осмотров и проверок входит:
комплексная проверка трассы и охранной зоны ВЛ;
различные виды проверок состояния опор и оттяжек;
различные виды проверок фундаментов;
проверка проводов, грозозащитных тросов и арматуры;
проверка изоляторов;
проверка заземляющих устройств;
наблюдения за образованием гололёда.
Осмотры без подъёма на опоры должны производиться не реже 1 раза в год, верховые осмотры с выборочной проверкой состояния проводов и тросов в зажимах и дистанционных распорках - не реже 1 раза в 6 лет. Визуальная проверка фарфоровых и стеклянных изоляторов производится при всех видах осмотров, а выборочная инструментальная проверка их электрической прочности должна проводиться не реже 1 раза в 6 лет.
Необходимость проведения обследования определяется результатами осмотров и профилактических проверок. В зависимости от объёма и сложности проводимых работ, обследования могут выполняться предприятием электрических сетей или сторонними специализированными организациями.
Рекомендуемая периодичность проведения обследований в зависимости от характеристики среды (СНиП 2.013.11 - 85) составляет: 25 лет для слабоагрессивной среды;
- (15 - 20) лет для среднеагрессивной среды;
- (7 - 10) лет для сильноагрессивной среды.
Специализированные организации целесообразно привлекать к следующим работам по оценке технического состояния элементов ВЛ:
испытания конструкций и других элементов;
проведение поверочных расчётов элементов;
определение структуры и расчётного сопротивления металлоконструкций опор при отсутствии проектной документации;
определение фактической прочности железобетонных стоек и фундаментов неразрушающими методами;
проведение механических испытаний опор;
проведение испытаний линейной изоляции;
определение фактической прочности проводов, грозозащитных тросов и линейной арматуры.
обнаружения значительных отступлений от проекта при наличии массовых дефектов и повреждений;
увеличения по сравнению с проектом нагрузок на опоры, увеличения пролётов, замены проводов и тросов на большие сечения, изменения расчётных ветровых и гололёдных нагрузок.
При необходимости в процессе обследования производится оценка качества материалов конструкций с целью определения или уточнения их марок и выявления соответствия свойств материалов требованиям действующих норм, проекту, а также уточнения расчётных характеристик.
На базе установленного фактического технического состояния элементов ВЛ при необходимости проводят разработку конкретных рекомендаций по ремонту, усилению или реконструкции обследуемых объектов.
Подготовительные работы включают: ознакомление с нормативной и технической документацией на ВЛ, сбор исходных данных по обследуемой ВЛ, составление программы, определяющей порядок, объем обследования и перечень работ, комплектование необходимыми приборами, инструментами и приспособлениями, получение и применение при необходимости индивидуальных средств защиты.
С целью выявления факторов, требующих особого внимания при обследовании, следует установить наличие изменения нормативных требований и условий работы ВЛ, произошедших после проектирования (строительства):
изменение климатических нагрузок (районов по ветру и гололёду);
изменение условий загрязнения атмосферы, влияющих на выбор изоляции и интенсивность коррозии элементов ВЛ;
уточнение геологических и гидрологических условий по трассе ВЛ; появление пересечений ВЛ с новыми инженерными сооружениями;
уточнение характеристик грозовой активности в районе трассы ВЛ;
изменение требований к ширине просеки в связи с увеличением высоты основного лесного массива;
уточнение мест налипания гололёда на проводах и тросах ВЛ, оборудование устройствами по борьбе с пляской и вибрацией проводов и другие мероприятия, не предусмотренные первоначальным проектом;
уточнение воздействия окружающей среды на ВЛ (гнездование птиц, организация зон отдыха, национальных лесопарков, заповедников и заказников, изменение категории лесов и др.);
изменение других нормативных требований и условий на трассе.
Методика проведения обследования ВЛ имеет целью решение следующих задач:
- установление причин возникновения дефектов и повреждений;
- определение влияния условий эксплуатации на работу элементов ВЛ прогнозирование состояния элементов во времени;
- выявление элементов, лимитирующих надёжность ВЛ;
- обоснование видов, объёмов и сроков ремонтных работ.
Объем обследования ВЛ. для определения объёма работ по обследованию устанавливают однородные зоны прохождения В Л по параметрам:
- метеорологические характеристики района прохождения ВЛ - ветровой и гололёдный районы, высотная отметка, продолжительность увлажнения, относительная влажность и температура воздуха (определяется в соответствии с региональными картами районирования по ПУЭ, а также с использованием данных метеорологических станций и фактических наблюдений);
- степень загрязнённости атмосферы (концентрация и химический состав загрязнений определяется по данным специализированных организаций);
- характеристики грунта;
- однородность типов и марок элементов ВЛ, подлежащих обследованию.
Установление однородных зон эксплуатации производится перед первым обследованием и используется в каждом последующем. Зоны эксплуатации рекомендуется нанести на трассу (профиль) ВЛ. В пределах однородной зоны эксплуатации ВЛ достаточным для оценки технического состояния элементов является обследование 10 % протяжённости В Л, но не менее двух-трёх опор каждого типа. В том случае, если заключение о техническом состоянии обследованных опор в пределах зоны различны, обследуют все конструкции в зоне. Сплошное обследование ВЛ проводится также в случаях, если определение однородных зон ВЛ не выполнено и при решении вопроса о необходимости реконструкции.
Оценка условий эксплуатации. При обследовании проводов, тросов, линейной изоляции, арматуры необходимо учитывать степень загрязнения атмосферы и использовать карты уровней изоляции [36].
Совершенствование конструкций и технологии монтажа фундаментов В Л
О некоторых общих проблемах фундаментов мы уже рассказывала в первой главе. В ОАО «Тюменьэнерго» к ним нужно добавить ещё специфические для этого региона проблемы. Аварийное состояние опор ВЛ вызвано комплексным воздействием различных природных факторов и эксплуатационных нагрузок, как статических (вес проводов, горизонтальное тяжение), так и динамических, возникающих при ветровых нагрузках и приводящих к низкочастотным колебаниям системы «провод - гирлянда изоляторов - конструкция опоры -свайный фундамент». Наиболее серьёзный ущерб ВЛ в тюменском регионе наносит повреждение фундаментов опор из-за морозного пучения, а также разрушение бетона свай из-за резких перепадов температур и воздействия агрессивной среды в местах разлива нефти, обводнения с примесями химических компонентов, используемых в процессе нефтедобычи (рисунок 2.2).
Морозное пучение свайных фундаментов. Для погружения свай в грунт до заданной глубины применяется буроопускной способ погружения с использованием лидерных скважин и дозабивкой последнего метра сваи в ненарушенный грунт. При этом между стенкой скважины и поверхностью сваи возникает зона неуплотнённого грунта. Под воздействием смерзания - оттаивания грунт на глубину его промерзания уплотняется в зоне от границы сезонного промерзания и выше. По мере увеличения площади соприкосновения уплотнённых грунтов в зоне промерзания, усиливается действие касательных сил морозного пучения, и, как показывает опыт эксплуатации, через (5 6) лет в пучинистых грунтах начинается выход сваи - до 5 см за сезон (рисунок 2.3).
При выдавливании сваи из ненарушенного грунта (из зоны дозабивки) величина её ежегодного выхода растёт за счёт сил, приложенных к торцу сваи и возникающих при расширении замерзающей жидкости в водонасыщенных грунтах, которые заполняют пространство лидерной скважины. Величина этих сил во много раз превышает вертикальную составляющую касательных сил морозного пучения и может превышать 50 тс на сваю. В результате ежегодный выход свай увеличивается до 20 25 см и более, фундамент теряет несущую способность, что может привести к падению опор под воздействием ветровых нагрузок. На протяжении целого ряда лет сотрудники «Тюменьэнерго» совместно с проектными организациями работают над проблемой морозного пучения фундаментов опор, и в настоящее время применяются опробованные методы и технологии для ее решения.
Обваловка грунтом фундаментов опор. Метод обваловки фундаментов опор на высоту, исключающую оттаивание зоны сезонного промерзания грунта, применяется на ВЛ, находящихся вблизи карьеров, в которых ведется разработка и намыв грунта (рисунок 2.4,а).
Установка термостабилизаторов - сезонно-охлаждающих устройств (СОУ) вблизи свай фундамента. Стабилизация температурного режима веч-номерзлых грунтов обеспечивает устойчивость грунтовых и свайных оснований объектов (рисунок 2.4,6). Использование СОУ, в которых в качестве хладагента используется газообразный аммиак, позволяет остановить процесс морозного пучения свайных фундаментов, однако акты вандализма ограничивают применение этой технологии на неподконтрольных территориях.
В настоящее время существуют проекты и технические решения для поверхностных фундаментов всех используемых типов опор и оттяжек, разработанные институтом «Уралэнергосетьпроект» (г. Екатеринбург). Поверхностные фундаменты применяются на местности с ровным рельефом (без косогоров, склонов и т.п.). Монтаж такого фундамента не требует применения сваебоя и может быть выполнен даже в летнее время, но требует большего количества материалов по сравнению с монтажом типовых фундаментов. В настоящее время в энергокомпании действует долгосрочная программа перевода фундаментов опор воздушных линий электропередачи, подверженных морозному пучению, на поверхностный тип установки на лежнях.
Усиление фундаментов крестовыми сваями. Для предотвращения аварийности на линиях электропередачи из-за потери устойчивости или разрушения свайных фундаментов в конце 80-х годов прошлого века по заданию ОАО «Тюменьэнерго» в институте «Энергосетьпроект» была разработана конструкция металлической лопастной сваи открытого профиля крестовидного сечения. За последующий период исследований и опытного применения крестовидных свай предприятиями Ноябрьских и Северных электрических сетей ОАО «Тюменьэнерго» было установлено, что эксплуатационная надёжность и функциональная долговечность фундаментов опор ВЛ, укреплённых такими сваями, значительно повысились.
Анализ результатов исследований и опытного внедрения крестовидных свай выявил их преимущества по следующим показателям:
- несущей способности в различных типах грунтов;
- устойчивости к воздействию сил морозного пучения;
- устойчивости против криогенного разрушения;
- технологичности погружения в различные типы грунтов.
Опыт применения фундаментов из свай крестовидного сечения подтверждает эффективность их применения в северных регионах с распространением многолетней мерзлоты, а также в грунтах с глубоким сезонным промерзанием и интенсивным морозным пучением по сравнению с железобетонными сваями сплошного квадратного сечения и трубчатыми металлическими сваями кольцевого сечения.
В отличие от свай сплошного сечения при погружении крестовидных свай в различные типы грунтов, в том числе во влажные и водонасыщенные, перемещения, разжижения и размывания грунта не происходит, так как лопасти свай прорезают грунт без образования уплотнённой зоны и нарушения структуры окружающего грунта. При этом прочность закрепления сваи в грунте значительно повышается, так как при воздействии нагрузки на сваю в работу вовлекается дополнительный объем грунта, расположенный вокруг ствола и между лопастями. Величина этого объёма зависит от сил трения, развивающихся по боковой поверхности лопастей при их защемлении, которые у крестовидных свай значительно выше, чем у свай сплошного и замкнутого сечения.
Кроме того, при устройстве фундаментов из свай сплошного сечения по кустовой схеме их несущая способность значительно снижается из-за создания так называемого «кустового эффекта». Это объясняется нарушением естественной структуры грунта вследствие образования плотного грунтового ядра под торцами свай при их заглублении, раздвигающего грунт в прилегающей зоне с образованием зазора по боковой поверхности. При забивке свая раздвигает грунт и вытесняет его верхнюю часть в стороны, разрушая окружающий грунтовый массив. Степень нарушения грунта около боковой поверхности сваи повышается с увеличением влажности. При этом вокруг сваи образуется зона повышенного порового давления, что приводит к дополнительному разупрочнению грунта и к снижению бокового трения вследствие обводнения ствола сваи, что приводит к резкому снижению несущей способности по боковой поверхности. При близком взаимном расположении свай в кусте структура грунта между сваями полностью нарушается, снижая их несущую способность. Если сваи забиты на близком расстоянии, то при их работе в составе куста напряжённые зоны, в том числе и в плоскости нижних концов, накладываются друг на друга, что приводит к увеличению осадки фундамента. В результате неравномерной деформации фундамента возникают наклоны, перекосы, разрушение сооружений и другие аварийные ситуации.
При заглублении лопастных свай крестовидного сечения по кустовой схеме нарушения грунта не происходит, так как лопасти прорезают грунт подобно лезвиям с их одновременным обжатием. При этом в пределах свайного куста образуется армированная лопастями грунтовая зона повышенной прочности, представляющая собой единую систему, воспринимающую нагрузку от сооружения как монолитное основание.
Результаты исследования показали, что удельное сопротивление по боковой поверхности сваи от действия осевой нагрузки по глубине уменьшается и при определённой длине сваи может достичь нулевого значения. При этом нижний конец сваи не будет оказывать давление на грунт. Таким образом, в результате распределения при достаточной длине сваи нагрузка передаётся на грунт основания только боковой поверхностью и не вызывает деформации грунтов, находящихся под её нижним концом. В связи с этим крестовидные сваи благодаря повышенному сопротивлению по боковой поверхности могут обеспечить требуемую несущую способность при минимальной длине. Высокая прочность защемления в грунте обеспечивает устойчивость крестовидных свай от деформации при воздействии вдавливающих и выдёргивающих нагрузок, а также интенсивного морозного пучения.
Классический механизм перекрытия загрязнённой и увлажнённой изоляции
Одной из целей координации изоляции является выбор и поддержание уровня изоляции в нормальном эксплуатационном режиме при воздействии на изоляцию загрязнения и увлажнения, характерных для района расположения электроустановки. Для предотвращения перекрытий необходимо либо усиливать изоляцию, либо своевременно выполнять профилактические мероприятия по повышению её электрической прочности. Основным параметром, по которому производится выбор уровня изоляции линейной изоляции, является удельная эффективная длина пути утечки - отношение эффективной длины пути утечки изоляционной конструкции к наибольшему линейному напряжению трёхфазной электроустановки [73, 74].
Согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ) [75], степень загрязнения (СЗ) - это показатель, учитывающий влияние загрязнённости атмосферы на снижение электрической прочности изоляции электроустановок. Определение СЗ должно производиться в зависимости от характеристик источников загрязнения (вид выбросов в атмосферу, объем выпускаемой продукции) и расстояния от них до электроустановки. В случае, когда не удаётся определить СЗ по этим данным, необходимо прибегнуть к картам степеней загрязнения, которые представляют собой географические карты, районирующие территорию по СЗ.
Стоит отметить, что в главе 1.9 ПУЭ седьмого издания были введены четыре СЗ вместо семи степеней загрязнения атмосферы (СЗА) и изменены минимальные значения удельной эффективной длины пути утечки. Удельная поверхностная проводимость слоя загрязнения должна приниматься (не менее): для 1 -й СЗ - 5, 2-й СЗ - 10, 3-й СЗ - 20 и 4-й СЗ - 30 мк См.
К районам с 1 -й СЗ относятся территории, не попадающие в зону влияния источников промышленных и природных загрязнений (болота, высокогорные районы, районы со слабозасолёнными почвами, сельскохозяйственные районы).
В США и ряде других стран степень загрязнения нормируется по эквивалентной плотности солевого осадка (ESDD): очень слабая - до 0,03; слабая -(0,03 - 0,06); средняя - (0,06-0,1) и очень сильная - более 0,1 мГ/см".
Приведённое в последнем столбце таблицы 3.1 значение коэффициента использования, было определено по таблицам 1.20 и 1.21 [75]. Для районов с первой СЗ в ПУЭ установлены минимальные значения удельной эффективной длины пути утечки Хэ = 1,6 см/кВ. Исходя из этих требований, получили, что требуемые величины длин пути утечки и числа изоляторов L = 1,6-126-U « 222 см; тПС-70Е= (222/30,3) 7; тПСд-70Е= (222/41,1) 6.
Легко увидеть, что применяемые изолирующие подвески обладают некоторым запасом пути утечки по отношению к наибольшему рабочему напряжению Кзап 1,09 для гирлянд 8 ПС70Е и Кзап 1,29 для гирлянд 7 ПСД-70Е.
«Классический» механизм перекрытия внешней изоляции при увлажнении её загрязнённой поверхности довольно подробно изложен, например, в [35,38]. Согласно представлениям, развитым в данных работах, процесс образования и развития поверхностных частичных разрядов развивается следующим обра-зом.При увлажнении загрязнённого изолятора, находящегося под рабочим напряжением, происходит перераспределение напряжённости электрического поля вследствие интенсивного подсыхания увлажнённого слоя загрязнения в области наибольшей плотности тока, т.е. вблизи стержня (рисунок 3.2).
Первоначально подсыхает небольшое пятно, где плотность тока наибольшая. Ток обтекает подсушенное место, при этом плотность тока в направлении, перпендикулярном пути тока утечки, увеличивается, и в этом направлении происходит образование подсушенной кольцевой зоны. Резко возрастает неравномерность распределения напряжённости в области подсушенной кольцевой зоны, и создаются условия для электрического пробоя воздушного промежутка над ней. В результате происходит так называемый поверхностный частичный разряд (ПЧР), шунтирующий подсушенную кольцевую зону. При достаточно сильном загрязнении изолятора частичный разряд приобретает дуговой характер с падающей вольтамперной характеристикой. Этот частичный разряд принято называть частичной дугой.
При условии, что производная тока утечки по времени имеет положительную полярность, частичная дуга удлиняется, достигает некоторого критического значения, после чего неизбежно перекрывается межэлектродный промежуток изолятора и происходит отказ в его работе. Аналогичным образом происходит перекрытие всей гирлянды изоляторов.
Поскольку изоляция линии - это совокупность множества параллельно подключённых гирлянд изоляторов, находящихся в одинаковых условиях увлажнения, после успешного автоматического повторного включения вновь создаются условия для перекрытия этой же или другой гирлянды изоляторов.
Уравнения (3.1) - (3.4) позволяют выразить удельную поверхностную проводимость увлажнённого слоя загрязнения через постоянные величины, характерные для установившегося слоя загрязнения, и через величины, зависящие от условий эксплуатации: удельную массу влаги тв, массу частиц электролита на единицу поверхности (удельную плотность электролита) тэчи температуру слоя загрязнения.
Например, взяв в качестве электролита хлорид натрия, а в качестве нерастворимого диэлектрического компонента (нейтрального вещества) - каолин, и, считая а, = 0,022 С"1; рэч = 2160 мг/см3; рн = 2630 мг/см3; рЭр= 1100 мг/см3 (среднее значение), получим wu = 0,375. Значение и пв общем случае зависит от температуры, однако диапазон изменения невелик, и в расчетах принято значение 18 С.
Автор [79] рассчитал все указанные зависимости в программе MathCAD и получил зависимости удельной проводимости слоя загрязнения при его увлажнения до насыщения от удельной плотности электролита при фиксированной температуре Т и удельной массе нерастворимых частиц на единицу площади піц, приведённые на рисунках 3.3 и 3.4.
Из [35, 38, 76, 77] следует, что наиболее опасными видами увлажнения для внешней изоляции, работающей в открытой атмосфере и подвергающейся вследствие этого загрязнению, являются туманы. Именно они чаще всего вызывают так называемых «отключения ВЛ на заре» в тёплый период времени года. В этот период года утренний туман, образующийся вследствие остывания утреннего воздуха над холодной поверхностью Земли, увлажняет поверхность изоляторов до такой степени, что её сопротивление становится в несколько тысяч раз меньше сопротивления в сухом состоянии. Увлажнение, в свою очередь, вызывает уже описанный процесс образования частичных дуг с большой амплитудой тока и перекрытие изоляции ВЛ.
Зависимость напряжения перекрытия одиночного изолятора от удельной поверхностной проводимости слоя загрязнения (рисунок 3.6) имеет монотонно падающий характер [35].
Признаки отключений В Л вследствие вмешательства птиц
В 1.3 уже перечислялись четыре признака птичьих отключений, установленные автором [51] для районов Средней Азии. Одним из общих признаков можно назвать временной. Он и обуславливает необходимость проведения хронометрического анализа массива статистических данных по отключениям ВЛ с неустановленной причиной. Добротный пример хронометрического анализа утренних отключений В Л 110 кВ дал Г. Кайзер [100]. На рисунке 4.3 в координатах «время года - время суток» им приведены 1902 случая однофазных отключений в сетях по неизвестной причине, которые наблюдались с 1956 по 1967 год в Баварской сети. Изучаемый сетевой район был выбран для анализа неслучайно, т. к. загрязнение атмосферы в этом районе отсутствует.
Если в статистических данных отбросить незначимые данные и выделить генеральную совокупность, то можно доказать, что все однофазные отключения по неизвестной причине возникали из-за перекрытия по струе птичьего помёта сидящих на траверсе канюков. Эта птица в состоянии струёй помёта (длиной свыше 1,6 м) вызвать перекрытие изоляционного промежутка между траверсой и проводом или зажимом на промежуточной опоре. Существующие взаимосвязи между отключениями ВЛ и канюками были подтверждены и оценены посредством корреляционных вычислений с привлечением климатических, орнитологических и экологических факторов, а сам процесс перекрытия изоляции линии 110 кВ был воспроизведён в лабораторных условиях.
В распределении однофазных отключений по времени года и суток для рассматриваемой сети выделяются два основных типа, которые чётко коррелируют с биологическими циклами (сон, охота, высиживание птенцов, отлёт перелётных особей, зимовка оседлых птиц и т.д.) и поведением канюков. Отключения типа I начинаются летом примерно с июня и продолжаются до конца сентября - начала октября. Они возникают примерно через 1,5 часа после захода солнца, учащаются под утро и прекращаются ко времени восхода солнца. Таким образом, эти отключения ограничиваются ночным периодом. Своего максимума в частоте повторения они достигают в июле и августе.
Отключения ВЛ, принадлежащие к типу II, начинаются уже весной, примерно в марте и продолжаются почти целый год. Они происходят исключительно в период незадолго до и после восхода солнца («отключения на заре»). Чаще всего они случаются в апреле.
Кроме хронометрического анализа Г. Кайзер продемонстрировал возможности многофакторного анализа. Так он отметил, что между видом и размером растительного покрова на трассах ВЛ, на которых часто происходили отключения, и распределением отключений по времени года и суток наблюдаются взаимосвязи.При этом различают три типичных ландшафта. Наиболее частые отключения по неизвестной причине наблюдались в местностях с малым количеством деревьев и кустарников в сочетании с сельскохозяйственной «монокультурой». Отключения по этой причине на некоторых ВЛ возникают в 35 раз чаще, чем отключения из-за грозы.
Область распространения канюка покрывает почти всю территорию Европы, и во все странах отключения ВЛ имеют типичные распределения по времени суток. Только на британских островах этих отключений нет, потому что канюк на них почти уничтожен.
Общий свод признаков «птичьих» отключений выглядит следующим образом.
- Строгая корреляция с восходом солнца.
- Периодически находят останки птиц.
- Ограниченная географически территория.
- Значимая корреляция с сезонными периодами (высиживание птенцов и охота) в рассматриваемом регионе.
- Уязвимость определённого типа опор и узла подвески (двухцепные опоры с двумя металлическими траверсами, преимущественно с нижней траверсы).
- АПВ всегда успешные.
Как видим, число признаков больше перечисленных в 1.3 и они персонифицированы на конкретный вид птиц, т.е. на канюка.
Однако в ряде случаев и этого количества признаков может не хватить, точнее, возникает необходимость привлечь для подтверждения птичьей версии дополнительные аргументы. Примером может послужить анализ группы необычных отключений, связанных с перекрытием изоляции ВЛ 220 кВ в регионе Южного Забайкалья [101]. Перекрытия изоляции В Л имели место:
- по времени года - преимущественно в ноябре (31%) и в декабре (22,5%);
- на равнинных участках в степных и холмистых зонах;
- только на промежуточных опорах;
- преимущественно на ВЛ с железобетонными опорами и на фазах, смонтированных на длинных траверсах;
- по времени суток - преимущественно с 3-00 до 8-00 часов (70%);
- преимущественно в безветренную погоду.
Характер следов перекрытия во всех случаях был одинаковым: нижняя опорная точка дуги обнаруживалась на проводе или на лодочке; верхняя - на шапке первого изолятора. Следы оплавления на других изоляторах отсутствовали. Почти все отключения сопровождались успешным АПВ.
Собственно, необычными мы сочли отключения ВЛ, случившиеся в ноябре и декабре. В других регионах России эти месяцы - достаточно благополучные в части отключений ВЛ. Рассмотрим подробнее возможные причины перекрытий. Метеорологические условия при некоторых отключениях В Л в эти месяцы приведены в таблице 4.1.
Видно, что только условия, перечисленные в строке 3, могли быть привлечены для объяснения перекрытия изоляции по увлажнённой, но достаточно чистой поверхности. Именно такие случаи упоминаются [39] и анализировались нами в третьей главе. Однако в других случаях увлажнения поверхности изоляторов быть попросту не могло из-за отрицательной температуры воздуха.
Следующей была отвергнута версия о локальных высокочастотных перенапряжениях. Они могли возникать только на одной (и не самой проблемной) из линий, имевшей отпайку на тяговую подстанцию электрифицированной железной дороги. На этом участке дорога питается переменным током с напряжением в системе «два провода - рельс» (ДПР) 28,5 кВ. В самой сети ДПР действительно могут возникать достаточно большие провалы напряжения и перенапряжения, соответственно при трогании с места и торможении тяжёлых грузовых составов (рисунок 4.4).
