CC BY
10
5. РД 34.35.113. Руководящие указания по про-тивоаварийной автоматике энергосистем (основные положения) |Текст| / ВНИИЭ, Энергосеть-проект, ЦДУ ЕЭС СССР НИИПТ,- М,- СПб., 1986.
6. СТО 59012820.29.240.001-2011. Автоматическое противоаварийное управление режимами энергосистем. Противоаварийная автоматика энергосистем. Условия организации процесса. Условия создания объекта. Нормы и требования [Текст]:
Стандарт ОАО «СО ЕЭС» / ОАО «СО ЕЭС»,- М„ 2011.
7. Инструкция по предотвращению развития и ликвидации нарушений нормального режима электрической части Единой энергетической системы России |Текст| / РАО «ЕЭС РОССИИ», ОАО «СО ЕЭС»,- М„ 2006.
8. Черновец, А.К. Расчет переходных процессов при лавине напряжения в сетях 35—110 кВ [Текст] / А.К. Черновец, C.B. Кузнецов, В.Ф. Атек-сандров // Электрические станции,— 1985. N° 10.
УДК 621.315.17
Ю.В. Соловьев, Г.Н. Самарин
АНАЛИЗ УСЛОВИЙ РАЗВИТИЯ ДЕФЕКТОВ В ПОЛИМЕРНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ОБОРУДОВАНИЯ ВЛ 6-35 КВ С ИЗОЛИРОВАННЫМИ ПРОВОДАМИ ПРИ ГОЛОЛЕДНО-ВЕТРОВЫХ НАГРУЗКАХ
Анализ состояния и опыт эксплуатации воздушных линий (ВЛ) 6—35 кВ показывают нарастающую тенденцию к переходу от традиционных технических решений к инновационным с применением новых технологий и материалов в конструкциях оборудования. Ранние разработки и решения в области оценки технического состояния не всегда могут учесть особенности функционирования современного оборудования в условиях длительной эксплуатации. Широкое внедрение ВЛ 6—35 кВ с оборудованием на полимерной основе, в частности с изолированными проводами, отсутствие полноценного опыта эксплуатации, нормативной базы, неизученность условий и механизмов зарождения и развития дефектов в оборудовании при комплексном воздействии эксплуатационных факторов вносят дополнительные трудности в эксплуатацию распределительных сетей в России, что и стало предпосылкой для проведения широкомасштабных исследований, о некоторых результатах которых уже сообщалось ранее [1]. В продолжение этого в рамках данной статьи предлагаются результаты анализа условий развития дефектов в полимерных конструкциях оборудования ВЛ 6—35 кВ с изолирован-
ными проводами при воздействии различных по природе эксплуатационных факторов.
Анализ раннего зарубежного опыта эксплуатации ВЛ 6—35 кВ с изолированными проводами [2] выявил значительное число повреждений проводов вплоть до их обрыва вследствие превышения предела тяжения при ветровых нагрузках в результате вибрации. Проведенные исследования на моделях позволили установить связь между характером изменения аэродинамического сопротивления изолированных проводов и их тяжениями в условиях ветровых нагрузок [1]. Анализ полученных зависимостей обосновал важность корректного выбора рабочих тяжений изолированных проводов для обеспечения максимальных виброрассеяний за счет снижения изгибной жесткости конструкции провода, которая зависит от свойств материалов токопро-водящейжилы и защитной оболочки [1]. Исследование аэродинамики изолированных проводов показало, что их идеально круглая форма сечения, площадь которого больше по сравнению с традиционными проводами (за счет наличия защитной оболочки), приводит кувеличению коэффициента аэродинамического сопротивления до 1,8. В результате изолированный провод ис-
пытывает перегрузки до ^ = 9,8 м/с — ускорение свободного падения), а частота вибраций достигает уровня 70 Гц. За счет внутреннего демпфирования вследствие трения между проволоками токопроводящей жилы вибрация провода будет снижена. Однако по мере истирания поверхностей (фреттинг-коррозия) алюминиевых проволок сталеалюминевых проводов с защитной оболочкой будет происходить увеличение внутренних зазоров между проволоками, в результате чего эффективность внутреннего демпфирования снизится. Побочный эффект от фрет-тинг-коррозии будет заключаться в удалении поверхностной пленки оксида алюминия. В результате будет происходить локальная питтинг-коррозия алюминия, приводящая к снижению ресурсных показателей проводов в разы. Динамические знакопеременные нагрузки на провода дополнительно создают условия для образования дефектов в защитной оболочке. Напряженно-деформированное состояние полимерного материала защитной оболочки возникает в локальных областях перенапряжения, окружающих неоднородности и дефекты структуры, с образованием трещин и последующим нарушением целостности защитной оболочки. Это создает дополнительные предпосылки для возникновения коррозии токопроводящей жилы.
Эффект «круглой формы» сечения изолированного провода создает предпосылки для увеличения динамических нагрузок на провода в результате гололедообразования (при сложившемся мнении производителей о том, что гололед на изолированных проводах не образуется). Отложение гололеда на изолированных проводах способствует началу интенсивной синхронизации частоты отрыва вихрей с одной из собственных частот колебаний провода. Важно отметить, что эффект «круглой формы» сечения проводов до сих пор не учтен в существующих методиках оценки величины допустимых механических нагрузок на провода [3].
Таким образом, гололедно-ветровые нагрузки приводят к снижению механической прочности изолированных проводов, изменению свойств материалов конструкций токопроводящей жилы и защитной оболочки, образованию трещин, коррозии. Разработка моделей дефектов для оценки ресурсных показателей изолированных проводов в этих условиях достаточно актуальна.
Предложена модель, которая, опираясь на элементы обобщенной структурно-кинетической теории разрушения полимеров, описывает характер и динамику изменения свойств дефекта в зависимости от структурных свойств и превращений в материале защитной оболочки провода. При построении модели использовано универсальное соотношение для определения скорости роста трещины разрушения в общих условиях механического нагружения полимерного материала [4]:
&(/,с*,Г) =
2Уу0 ехр хвЬ Уу0 ехр
кТ(и)
У„
кТ(Н)
(ст
>ст0<ст<с,;
(1)
,ст0 <ст<стк;
Ц-УдСТ кТ(Н)
0,384/—,ст>стк,
где а0 — безопасное напряжение; а — текущее напряжение; ак — критическое напряжение разрыва; X — удлинение связи; у0 — частота тепловых колебаний кинетических единиц, участвующих в разрыве связей; ¿7— высота потенциального барьера; Уа — флуктуационный а
рушения; к — постоянная Больцмана; Г(/,/) — абсолютная температура в области вершины тре-а
Юнга; р — плотность материала.
Универсальность соотношения (1) дает возможность использовать его для описания динамики роста дефекта в полимерной конструкции защитной оболочки провода при любой конфигурации трещины и ее расположения в материале.
Анализ механизма развития трещины при нагружении полимерной защитной оболочки с учетом двух стадий процесса накопления повреждений позволил определить ресурсный показатель конструкции как сумму времен процессов разрыва связей на флуктуационной и атермиче-ской стадиях в полном интервале напряжений от
аа
2/о/оеХР|~и (Щ-УЛ*
ехр " а
УУ0 а*
кТ
+ 2,63 Ц*-Л1Е
1А4
I
а = Р = хЛ; х = (0,79;0,71);
/о=1 + Е^--ехр[-2яа(ст-ст0)], (2)
я=,2я + 1
где р — коэффициент концентрации напряжений в вершине трещины, соответствующий начальной ее длине /0; п — номер связи разрыва. Из соотношений (1) и (2) следуют зависимости для оценки предельных параметров дефектов — начальной длины микротрещины и относительной
критическои длины трещины:
-2л п2
к ' /0 = г'Ър1 • Переход к относительным единицам позволил установить связь между ресурсным показателем полимерной конструкции защитной оболочки провода и динамическими свойствами дефектов (рис. 1):
I I
-_!-„— ехр
-аст
1-1
/о
1
аст
1-ехр
-аст
Полученные соотношения обосновывают следующую зависимость ресурсного показателя полимерной конструкции от характеристик начальной стадии роста трещины разрушения:
4 =
21,
о
астЕ
где Е0 = У у0 ехр
о
и_
кТ
- + аст I — на-
чальная скорость трещины. Полученная зависимость справедлива и для случаев нагружения, когда механизм разрушения остается термо-флуктуационным и имеют место факторы, усложняющие характер процесса разрушения (влияние окружающей среды, неизотермические условия нагружения, циклическая механическая нагрузкаит. д.). Исследования циклических механических нагрузок при гололедно-ветровых воздействиях на провода внесли в модель ряд уточнений:
режим нагружения не меняет в корне термо-флуктуационной природы процесса разрушения;
энергетический барьер при циклическом на-гружении вследствие более высоких концентраций напряжений снижается в большей степени, чем при статических нагрузках;
на динамику развития дефектов и ресурсные показатели существенно влияют релаксационные процессы и локальные разогревы.
аа =15
аа = 30
аа
аа
аа
аа
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Г, т
Рис. 1. Зависимость динамических свойств дефектов для полимерной конструкции защитной оболочки провода при механических нагрузках, количественно характеризующихся безразмерным показателем аст
Рис. 2. Динамические свойства дефекта при условии статического растяжения при температуре 20 (/), 50 (2), 70 °С (3) и циклического нагружения (4—6) при тех же температурах
Принятые уточнения в модели позволили выявить самоускоренный характер роста трещины со временем для различных температур и частот циклического нагружения (рис. 2).
Анализ предложенной модели дал возможность обосновать предположение, что простой пересчет на основе классических представлений о природе накопления повреждений не всегда позволяет корректно рассчитать ресурсные показатели при циклических нагрузках. Принятые уточнения в модели значительно снижают погрешность при расчете ресурсных показателей полимерных конструкций в условиях циклических нагрузок. На основе соотношения для оценки динамических свойств дефектов в защитной оболочке провода при воздействии циклических механических нагрузок получена
\
\
бо 30 50
а2, МПа
Рис. 3. Изменение ресурсного показателя защитной оболочки провода (сшитый полиэтилен) при циклическом нагружении провода
расчетная зависимость ресурсного показателя полимерной конструкции защитной оболочки провода (рис. 3).
Проведено исследование на моделях изменения динамических свойств дефектов и ресурсных показателей полимерных конструкций защитной оболочки провода при комбинированном воздействии механических и температурных нагрузок. Анализ термонапряженного состояния защитной оболочки показал, что принципы описания механизмов, принятые за основу в моделях при механических воздействиях, соблюдаются и при комбинированных механических и температурных нагрузках. Получены соотношения для определения скорости роста трещины и ресурсных показателей применительно к случаям установившегося и переходного теплового состояния.
В статье проведен анализ условий зарождения и развития дефектов в полимерных конструкциях оборудования ВЛ 6—35 кВ с изолированными проводами, учитывающий воздействие гололедно-ветровых нагрузок. Исходя из конструктивных особенностей и физики изменения технического состояния изолированных проводов при климатических воздействиях обоснованы предпосылки образования дефектных структур в полимерных конструкциях и материалах защитных оболочек изолированных проводов. На основе построенных адекватных моделей дефектов предложено математическое описание динамики их роста.
Обоснованы ресурсные модели, позволяющие проводить оценку ресурсных показателей исследуемых конструкций и прогнозировать их техническое состояние в условиях эксплуатации. Практи-
ческая реализация предложенных моделей позволяет повысить эффективность эксплуатации ВЛ 6— 35 кВ с изолированными проводами и, в конечном итоге , надежность электроснабжения потребителей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Соловьев, Ю.В. Анализ изменения аэродинамических и прочностных свойств изолированных проводов линий электропередачи в условиях эксплуатационных нагрузок [Текст] / Ю.В. Соловьев, А.И. Таджибаев // Научно-технические ведомости СПбГПУ,- 2010. N° 3,- С. 9-14.
2. Wareing, J.В. In-depth study into the use of CC
|Текст| / P.A. Chetwood, A.S. Ward.— EATL Report 4687, September 1998.
3. CIGRE Technical Brochure.- ТВ273,- 2005. June.
4. Бартенев, Г.М. Прочность и механизм разрушения полимеров |Текст| / Г.М. Бартенев,— М.: Химия, 1984,- С. 280.
УДК 621.31 7.785.016.25
ЯЗ. Шклярский, Ю.Е. Бунтеев, А.К. Радковский, В.А. Кузнецов
ВЛИЯНИЕ ВЫСШИХ ГАРМОНИК ПРИ ИЗМЕРЕНИИ РЕАКТИВНОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ
При оплате электроэнергии предприятием учитывается как активная, так и реактивная составляющая энергии, при этом необходимо их точное измерение.
Все чаще в электрических сетях предприятий возникают высшие гармоники напряжения и тока, вызванные наличием нелинейной нагрузки, что в свою очередь приводит ктаким проблемам, как нарушение правильной работы приборов и оборудования, сокращение сроков их службы, атак же, что особенно важно, к неправильному учету реактивной энергии приборами, входящими в системы автоматизированного контроля и учета электроэнергии.
К источникам высших гармоник на промышленных предприятиях следует отнести и преобразователи частоты, применяющиеся в управлении электроприводами, которые могут составлять значительную долю в общей нагрузке.
Сейчас на смену электродинамическим счетчикам пришли электронные, имеющие ряд преимуществ: повышенный класс точности измерений, возможность многотарифного учета, дистанционную передачу данных измерения и др.
Работа электронных счетчиков основана на реализации «измерительного» уравнения, заложенного в его микропроцессор, при заданной конфигурации присоединения прибора к сети.
Современный рынок приборов предлагает несколько типов электронных счетчиков, в которых применяются различные виды выражений для расчета реактивной мощности. Стоит уточнить, что при синусоидальных напряжениях и токах результаты вычисления по всем этим выражениям эквивалентны и (при одних и тех же рабочих условиях) дают равные показания.
При наличии высших гармоник в питающей сети показания счетчиков реактивной энергии разных типов могут быть различны, что ведет к увеличению или снижению затрат на оплату электроэнергии предприятием. Поэтому изучение вопроса совершенствования этих счетчиков и их сравнительный анализ при наличии гармонических искажений в сети весьма актуален.
Данной теме посвящен ряд публикаций, включающих результаты экспериментальных исследований разных типов счетчиков [ 1—3].
