CC BY
281
Хамидуллин И. Н. KhamiduШn I. N.
аспирант кафедры «Энергообеспечение предприятий и энергоресурсосберегающих технологий», ФГБОУВО «Казанский государственный энергетический
университет», г. Казань, Российская Федерация
Ильин В. К. Пут V. ^
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Энергообеспечение предприятий и энергоресурсосберегающих технологий», ФГБОУ ВО «Казанский государственный энергетический
университет», г. Казань, Российская Федерация
Сабитов Л. С. Sabitov L. S.
кандидат технических наук, доцент кафедры «Энергообеспечение предприятий и энергоресурсосберегающих технологий», ФГБОУ ВО «Казанский государственный энергетический университет», г. Казань, Российская Федерация
Стрелков Ю. М. Strelkov Yu. ^
руководитель проекта ООО «Инженерный центр «Энергопрогресс»», г. Казань, Российская Федерация
УДК 621.311.1
К ВОПРОСУ О НАДЕЖНОСТИ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ
ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
В современных условиях необходимо реализовывать наиболее эффективные мероприятия для обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителей. В статье рассматривается вопрос оценки надежности функционирования воздушной линии электропередачи 6-10 кВ, являющейся наиболее подтверждаемым звеном электроснабжения потребителей.
Механическая часть воздушной линии состоит из четырех основных элементов: опоры, траверсы, изолятора и провода. Каждый из этих элементов имеет свою вероятность и тяжесть отказа. Для оценки эффективности вариантов реконструкции, повышающих надежность воздушной линии 6-10 кВ на стадии проектирования, необходимо определить алгоритм количественной оценки ее механической надежности.
Воздушную линию электропередачи ввиду её значительной протяженности необходимо рассматривать как систему, состоящую из участков линии, проходящих по территории с
Electrical facilmes and systems
разными климатическими условиями, рельефом местности и разными грунтами. Следовательно, одна и та же линия имеет разную надежность на отдельных участках. Поэтому, чтобы повысить надежность всей линии, можно в первую очередь повысить надежность участков линии, наиболее подверженных гололедно-ветровым воздействиям. В данной статье рассматриваются алгоритм оценки надежности воздушной линии ВЛ 6-10 кВ, варианты повышения надежности на стадии прокетирования и выполняется анализ рассмотренных вариантов. Практическая ценность предложенной методики заключается в возможности ее использования электросетевыми организациями при проектировании воздушных линий 6-10 кВ с целью определения наиболее оптимального проекта.
В статье выполняется расчет безотказности воздушной линии при различных вариантах реконструкции с использованием деревянных, железобетонных, стальных многогранных опор, изолированных проводов марки СИП-3 и неизолированных проводов марки АС-70.
Ключевые слова: надежность, безотказность, воздушная линия электропередачи, проектирование, реконструкция, оценка вариантов.
RELIABILITY OVERHEAD POWER LINES
In modern conditions, it is necessary to implement the most effective measures to ensure uninterrupted power supply to consumers. The article considers the question of assessing the reliability of the operation of the 6 -10 kV overhead transmission line, which is the most confirmed link in the electricity supply to consumers.
The mechanical part of the overhead line consists of four main elements: a support, a traverse, an insulator and a wire. Each of these elements has its own probability and severity of failure. To evaluate the effectiveness of reconstruction options that increase the reliability of the air line 6-10 kV at the design stage, it is necessary to determine the algorithm for quantifying its mechanical reliability.
The air power transmission line, because of its considerable length, must be considered as a system consisting of sections of the line passing through the territory with different climatic conditions, terrain and various soils. Consequently, the same line has different reliability in individual sections. Therefore, in order to increase the reliability of the entire line, it is possible first of all to increase the reliability of sections of the line most prone to ice-and-wind impacts. In this article, we examine the algorithm for estimating the reliability of 6-10 kV overhead lines, options for increasing reliability at the stage of procensing, and analyzing the options considered. The practical value of the proposed methodology lies in the possibility of its use by electric grid organizations in the design of 6-10 kV overhead lines in order to determine the most optimal.
The article calculates the reliability of air lines for various reconstruction options using wooden reinforced concrete, steel polyhedral supports, insulated wires of the SIP-3 brand and non-insulated wires of the AC-70 brand.
Key words: reliability, overhead power transmission line, design, evaluation of reconstruction options.
Частота отказов воздушной линии (ВЛ) как системы равна сумме частот отказов ее подсистем. В качестве подсистемы (составной части ВЛ) примем один анкерный пролет, так как отказы любого элемента ВЛ ограничиваются в рамках одного анкерного пролета, так как надежность системы электроснабжения определяется надежностью наиболее слабого элемента, определение уровня надежности ВЛ 6 -10 кВ следует производить по результатам расчета надежности одного анкерного участка линии, имеющего наименьшую механическую надежность. Анкерный участок, в свою очередь, целесоо-
бразно рассматривать как отдельную систему, состоящую из единичных элементов.
В качестве модели всей линии можно рассматривать систему из п элементов (анкерных участков). Расчет надежности должен производиться для каждого анкерного участка ВЛ. Надежность линии будет определяться надежностью самого слабого анкерного участка.
Учитывая вышеизложенное, алгоритм расчета надежности ВЛ можно представить следующим образом.
На основании имеющихся данных о климатических и постоянных конструктивных
нагрузках (функция распределения) и прочностных характеристик производится N расчетов элементов ВЛ (промежуточные опоры, провода) для определения вероятности безотказности каждого. Далее определяется вероятность безотказной работы каждого из анкерных участков ВЛ. Надежность воздушной линии будет определяться анкерным участком с наименьшей вероятностью безотказной работы в наиболее экстремальных условиях.
Так, согласно [1], в наиболее экстремальных условиях функционирования при воздействии гололедно-ветровых нагрузок возможны три основных случая отказа ВЛ.
В первом случае — при отложении на проводах предельной толщины стенки гололеда (ЬП) — может произойти обрыв провода или разрушение повышенным тяжением провода элементов анкерной опоры.
Во втором случае — в безгололедном режиме предельная скорость ветра УП может вызвать падение промежуточной опоры ВЛ.
В третьем случае падение промежуточной опоры на ВЛ может быть вызвано совместным действием гололедно-ветровой нагрузки ОП, зависящим от величины толщин стенки гололеда и от скорости ветра в гололедном режиме.
Вероятность же отказа Рк ВЛ 6-10 кВ будет определяться как сумма вероятностей появления предельных гололедной, ветровой и гололедно-ветровой нагрузок [1]
Рк=Рь+Рр+Рв. (1)
Средний срок между отказами ВЛ: 1
1Г- (2)
Величину tR рекомендуется в обычных энергосистемах принимать равной не менее 40 лет.
При отложении на проводах предельной толщины стенки гололеда (ЬП) может произойти не только обрыв провода, но и разрушение опоры, так как имеет место жесткое закрепление наледью провода к опоре.
Высока вероятность отклонения опоры ВЛ также и вдоль оси под совместным действием гололедно-ветровой нагрузки. Перераспределение нагрузки может быть вызвано неравномерным отложением льда на смежных пролетах, а также разностью в длине самих пролетов.
Учитывая вышесказанное, можно утверждать, что в данном случае возможны два варианта отказа ВЛ: разрушение опоры или обрыв провода, поэтому целесообразно ввести в формулу (1) еще одно слагаемое, характеризующее вероятность разрушения опоры при отложении гололеда на проводах РЬ1:
Р„=Рь(Рь,) + Рг + Ре- (3)
Предельная нагрузка на провода ЬП при отложении на проводах предельной толщины стенки гололеда определяется по выражению:
Ьп=-- + 2
1
¿У | Б 10
2) У-7Г
¡2 4-е'
с \
-г,
(4)
где d — диаметр провода, мм;
£ — сечение провода, мм;
п — удельный вес льда, равный 9 мН/см3,
I — дина пролета ВЛ, м;
у3 — удельная нагрузка от веса провода,
покрытого гололедом; Н/ммм210-3 ;
у} — удельная нагрузка от веса провода
Н/ммм210-3;
а3 — напряжение в проводе при расчетной толщине стенки гололеда без ветра, МПа; а" = 0,99т~10 ■ ап — предельная величина напряжения в проводе после эксплуатации в течении Т лет, МПа;
£ =£п~£3 — относительное удлинение провода при изменении напряжения в проводе от а3 до от, определяемое по характеристике первоначального растяжения.
Введенная предельная нагрузка на опору Ь" будет определяться как разница между предельной прочностью опоры М^ и результирующим расчетным моментом в зависимости от веса провода и льда на проводе (рисунок 1):
Рисунок 1. Схема расчета предельной нагрузки М" на опору при отложении на проводах предельной толщины стенки гололеда
Electrical facilities and systems
Ъ" = М" -
-(п-тГл-1 + п-тп-1-(п1-тГл1-11+п1-тп1-11). (5)
Так как п=п1, Ь," -п-((тГл+тп)-1-(тГл1+тп1)-11), (6) где тГл — расчетный единичный изгибающий момент от веса гололеда на проводе длиной 1 м, действующий вдоль оси ВЛ (Н); тп — расчетный единичный изгибающий момент провода длиной 1 м, (Н).
Предельная нагрузка при в безгололедном режиме от предельной скорости ветра [1]:
Vn =
1,б\м"-м^)
fi = f.ML
Mr
мп
У'П _ г _ 1Y± Т
2 ~ J 2~ , . '
H-h
С° — аэродинамический коэффициент лобового сопротивления проводов.
Расчет предельной нагрузки QП при совместном действии гололедно-ветровой нагрузки QП , зависящий от величины толщин стенки гололеда и от скорости ветра в гололедном режиме:
(м?-Мв-п-тг-1)-С?-(10 + 2-г>э
ß =
n-l-C? ■(\0 + 23)-awr-H2+0,5-ß-C°x-FH3-W
,(12)
, _, (7)
\n-l-C" (¡ ап-Н-10~3 + 0,5/3■ С° ■ Рт ■ Н где Ыа — расчетный изгибающий момент от веса стойки, веса траверсы, изоляторов, проводов, при отклонении опоры от вертикального положения, определяется по формуле
Мв=&-у\0,4-СгГ + С2-Г?\ (8)
где — коэффициент надежности по весовой нагрузке, принимаемый
• 1,05 — для проводов, тросов, изоляторов и металлических опор,
• 1,1 — для железобетонных и деревянных опор;
g = 9,81 м/с2 — ускорение свободного падения;
01 — масса надземной части стойки опоры, кг;
02 — масса траверс-изоляторов, проводов, кг; ]П — прогиб вершины стойки опоры поперек ВЛ при загрузке ее до М", м;
Fнз — площадь проекции надземной части конструкции опоры на плоскость, перпендикулярную ветровому потоку, вычисленная по наружному габариту;
а — коэффициент, учитывающий неравномерность ветрового давления по пролету ВЛ в гололедном режиме.
Введенные в алгоритм составляющие, характеризующие отклонение опоры ВЛ и вдоль линии, позволяют более точно описать систему и определить ее надежность.
Вероятность появления каждой из вышеописанных предельных нагрузок ЬП, уП, QП может быть определена на основании материалов по подготовке региональных карт климатических нагрузок. Для определения максимальных климатических нагрузок можно использовать первое распределение Гумбеля [2]
Р =
(9)
t. =
/ — горизонтальное перемещение вершины стойки опоры, соответствующее расчетному изгибающему моменту МСТ, действующему поперек линии, м;
М" — первоначальный предельный изгибающий момент стойки в расчетном сечении (до эксплуатации стоек на ВЛ), Н-м;
\х J Г
X
\a,J
(13)
(14)
(10)
где отклонение центра тяжести проводов
(11)
Н2 — средняя высота подвески проводов на опоре, м;
Н — высота надземной части опоры, м; ак — коэффициент, учитывающий неравномерность ветрового давления по пролету; С° — аэродинамический коэффициент лобового сопротивления стойки;
Рассмотрим следующие варианты реконструкции ВЛ 6-10 кВ и сравним их надежность:
вариант № 1 — реконструкция ВЛ 6-10 кВ с использованием железобетонных опор повышенной прочности и провода АС; вариант № 2 — реконструкция ВЛ 6-10 кВ с использованием железобетонных опор и провода на СИП-3;
вариант № 3 — реконструкция ВЛ 6-10 кВ с использованием железобетонных опор и провода на АС;
вариант № 4 — реконструкция ВЛ 6-10 кВ с использованием железобетонных опор и провода на СИП-3;
вариант № 5 — реконструкция ВЛ 6-10 кВ с использованием стандартных стальных многогранных опор и провода СИП-3;
вариант № 6 — реконструкция ВЛ 6-10 кВ с использованием деревянных опор и провода СИП-3.
Расчеты проведем для III района по гололеду с нормативной толщиной стенки гололеда Ьэ = 20 мм и III району по ветру с нормативным ветровым давлением Ж0 = 650 ПА согласно [2]. Данные климатические районы характерны для большей части центральных регионов РФ. Технические характеристики (таблица 1) выбираются согласно [3, 4].
Как показывают расчеты, наиболее надежной (безотказной) будет вариант реконструкции № 6, предполагающий использование стальных многогранных опор и провод СИП-3. Однако выбор оптимального варианта реконструкции не должен основываться исключительно на критерии надежности ВЛ 6-10 кВ.
Для определения оптимального варианта реконструкции, повышающей надежность ВЛ 6-10 кВ, необходимо определить экономические показатели каждого из вариантов средств и мероприятий. Для данных решения данной задачи целесообразно применить показатель рентабельности вариантов.
Обобщение многокритериальной оценки к однокритериальной необходимо производить путем определения «обобщенного критерия — К0 » [5, 6]. Данный критерий позволяет производить оценку различных вариантов по величине К0, определив наиболее оптимальный. При любых значениях частных критериев обобщенный критерий должен стремиться к максимальному значению. Вид функций К0 определяется исходя из задачи обеспечения надежности ВЛ 6 -10 и оценки вклада каждого частного критерия в общий в виде суммы или в виде произведения. В данном случае значение общего критерия было определено по выражению: К . К .
К0=а1-^- + а2—^-->тах, (15)
нтах этах
где а1 — вклад критерия надежности в общий критерий;
Кп — значение критерия надежности, отн. ед.;
а2 — вклад критерия экономичности в общий критерий;
К. — значение критерия экономичности, отн. ед.;
. — число вариантов реализации.
Рассмотрим три случая.
1 случай. Частные критерии равнозначны: а1 = а2 = 0,5. Этот случай характеризует потребность в обеспечении оптимальной надежности ВЛ 6-10 кВ без больших капитальных затрат.
2 случай. Наиболее значимый критерий экономичности: а1 = 0,2, а2 = 0,8. Данный вариант определяет наименее затратный вариант повышения надежности ВЛ 6-10 кВ.
3 случай. Наиболее значимы критерий надежности: а1 = 0,8, а2 = 0,2.
Данный вариант определяет реализацию наиболее надежной ВЛ 6-10 кВ с максимумом капитальных затрат.
Выбор соотношения критериев — вопрос произвольный и зависит от конкретных целей проектирования и строительства ВЛ 6-10 кВ. Электросетевая компания при выборе варианта определяет требуемый уровень надежности и целесообразный уровень капитальных затрат для обеспечения данного уровня надежности.
Вывод
Методика, предложенная в статье, позволяет количественно оценить надежность ВЛ 6 -10 кВ на стадии проектирования и выполнить сравнение различных вариантов реконструкции с целью определения наиболее оптимального.
№ ЬП,мм УП м/с 0п, Н/м Рь Р V Т , лет X7 Р X
1 29,37 48,61 33,44 94,31 0,011 81,84 0,012 86,08 0,011 0,034 29,65
2 53,06 46,62 33,27 84,34 0,012 94,18 0,011 86,76 0,011 0,033 30,04
3 29,37 40,64 22,74 94,31 0,011 46,13 0,022 49,82 0,019 0,051 19,51
4 53,06 38,97 22,57 84,34 0,012 53,10 0,019 50,40 0,019 0,049 20,22
5 29,37 85,85 64,56 84,34 0,012 558,98 0,002 213,65 0,004 0,018 55,61
6 29,37 83,88 49,81 84,34 0,012 512,01 0,002 146,48 0,006 0,020 49,58
Таблица 1. Расчет безотказности вариантов реконструкции ВЛ 6-10 кВ
Electrical facilmes and systems
Список литературы
1. Ударов В.М. Методические указания по количественной оценке механической надежности действующих воздушных линий напряжением 0,38-10 кВ при гололедно-ветровых нагрузках // Руководящие материалы по проектированию электрических сетей. М.: ОАО «РОСЭП», 2014. С. 91-97.
2. Гумбель Э. Статистика экстремальных значений. М.: Мир, 1977. 451 с.
3. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). 7-е изд. СПб.: УВСИЗ, 2005. С. 291295.
4. Ударов В.М. Стальные многогранные опоры ВЛ 6-10 кВ. Рабочие чертежи / ОАО РОСЭП. 2002. 17 с.
5. Ударов В.М. Железобетонные опоры ВЛ 6-10 кВ. Рабочие чертежи / Сельэнергопроект. 1989. С. 5-10.
6. Лебедева Ю.В. Выбор концепции развития воздушных линий электропередачи 110-220 кВ, подверженных экстремальным метеорологическим воздействиям: дисс. ... канд. техн. наук. Саратов, 2011. 93 с.
References
1. Udarov V.M. Metodicheskie ukazanija po kolichestvennoj ocenke mehanicheskoj nadezh-nosti dejstvujushhih vozdushnyh linij naprjaz-heniem 0,38-10 kV pri gololedno-vetrovyh nagruzkah // Rukovodjashhie materialy po proektirovaniju jelektricheskih setej. M.: OAO «ROSJeP», 2014. S. 91-97.
2. Gumbel' Je. Statistika jekstremal'nyh znachenij. M.: Mir, 1977. 451 s.
3. Pravila ustrojstva jelektroustanovok (PUJe). 7-e izd. SPb.: UVSIZ, 2005. S. 291-295.
4. Udarov V.M. Stal'nye mnogogrannye opory VL 6-10 kV. Rabochie chertezhi / OAO ROSJeP. 2002.17 s.
5. Udarov V.M. Zhelezobetonnye opory VL 6-10 kV. Rabochie chertezhi / Sel'jenergoproekt. 1989. S. 5-10.
6. Lebedeva Ju.V. Vybor koncepcii razvitija vozdushnyh linij jelektroperedachi 110-220 kV, podverzhennyh jekstremal'nym meteorologich-eskim vozdejstvijam: dis. ... kand. tehn. nauk. Saratov, 2011. 93 s.
