CC BY
117
В.И. БЛОХИНА, В.И. ВОРОЖЦОВ
Климатические факторы, воздействующие на системы электроснабжения на Дальнем Востоке России
Приведены расчетные сочетания климатических условий по гололеду и ветру, создающих предельные механические нагрузки на воздушные линии электропередачи, показана возможность использования комплекса морфометрических показателей рельефа для определения гололедно-ветровых воздействий на территориях с различной степенью обеспеченности исходными данными.
По современным представлениям система природопользования является сложным комплексом, в котором взаимодействуют факторы естественного и искусственного генезиса. Экологические проблемы, связанные с энергетикой, есть не что иное, как частное проявление всеобщего экологического кризиса. Аварии на энергетических системах по размеру причиненного ущерба экономике и по количеству пострадавшего населения выделяются особо. Огромные капитальные вложения в строительство линий электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения, имеющих большую протяженность на Дальнем Востоке России, выдвинули на первый план проблему поиска новых, прогрессивных решений при создании наиболее экономичных конструкций воздушных линий электропередачи (ВЛЭП). При этом надежность электроснабжения является наиболее представительным мерилом совершенства энергетического производства и должна обязательно учитываться при оптимизации развития электрических систем.
Научной основой гидрометеорологического обеспечения ВЛЭП являются глубокие и всесторонние исследования влияния климатических особенностей и условий погоды в районе строительства и эксплуатации ВЛЭП. Совершенствование проектирования воздушных линий электропередачи, их технико-экономические показатели в значительной степени зависят от воздействия гололедно-изморозевых отложений и ветра, создающих предельные механические нагрузки. Отложения гололеда и обледенелого мокрого снега являются опасными уже при их образовании (независимо от диаметра), а после прекращения образования (в стадии сохранения) отложения опасны, если они достигли достаточно большого размера. Согласно данным энергоуправлений, входящих в объединенную
энергосистему Востока, аварии на ВЛЭП, обусловленные гололедно-из-морозевыми отложениями и ветром, особенно на низковольтных сетях, наблюдаются ежегодно.
Трудности решения проблемы тщательного изучения режима гололедно-ветровых нагрузок и научно обоснованного определения их расчетных параметров в основном определяются двумя факторами:
- недостаточной густотой опорной метеорологической сети при очень значительной зависимости режима нагрузок от рельефа местности, особенно в горных районах;
- недостаточной точностью и ограниченным объемом измеряемых параметров гололедных отложений и больших скоростей ветра.
Поставленная проблема может быть решена на основе разработки специальной методологии климатологического обобщения имеющихся многолетних данных метеорологической сети и дополнительных натурных измерений с использованием современных статистических методов. В результате должны быть получены обоснованные и надежные для технического использования методики, рекомендации и расчетные схемы для исследования и практического определения гололедно-ветровых нагрузок на территориях с различной степенью обеспеченности исходными данными. Поэтому весьма актуальными в настоящее время являются проблемы совершенствования методики расчетов величин внешних нагрузок, обеспечивающих сочетание надежности и экономичности ВЛЭП.
Согласно СНиП [4] величина ветровой нагрузки на 1 м2 сечения обледеневшего провода определяется по формуле
Q = Сх Ц 5,
где Сх - аэродинамический коэффициент; ц - скоростной напор ветра, Н/м, равный /1,6; V - скорость ветра, м/с; 5 - площадь осевого сечения 1 м обледеневшего провода, перпендикулярного направлению ветра, м2. Учитывая, что под воздействием ветра обледеневший провод закручивается, предложено площадь осевого сечения провода определять не по одному из диаметров отложения, а по среднему геометрическому значению большого и малого диаметров (а и с).
Очевидно, ошибки определения ветровой нагрузки на обледеневший провод обусловлены ошибками в определении СХ и скорости ветра при гололеде; кроме того, они зависят от точности определения площади осевого сечения обледеневшего провода (5). Коэффициент СХ согласно СНиП принимается равным 1,2, что, по-видимому, справедливо не при всех видах гололедно-изморозевых отложений. Однако более существенные ошибки определения Q возникают из-за того, что плотность осадка меняется в широких пределах и скорости ветра при гололеде не всегда соответствуют расчетным значениям.
С учетом указанных недостатков в 7-м издании Правил устройства электроустановок (ПУЭ) расчетные нагрузки на провода и тросы предложено определять с ежегодной вероятностью их превышения Р < 0,04, что соответствует среднему периоду повторения этих нагрузок не менее Т = 1 / 0,04 = 25 лет для ВЛЭП 6-500 кВ. Для ВЛЭП 750 кВ расчетные нагрузки увеличиваются путем введения в расчет коэффициента надеж-
ности конструкций по назначению [3]. Ветровую нагрузку на обледенелые провода рекомендуется определять с учетом действительных размеров гололедно-изморозевых отложений и фактической скорости ветра [1].
Для расчета климатических нагрузок использованы данные за весь имеющийся период инструментальных наблюдений по всем метеорологическим станциям Дальневосточного региона России, а также результаты специальных тематических наблюдений, проведенных в различных мезо- и микроклиматических условиях Сахалина; привлекалась информация об опыте эксплуатации ВЛЭП.
Для определения ветровой нагрузки на провод наряду с эквивалентной [3] определялась условная толщина стенки гололеда Ву:
Qbvlo3 В ^ - *
где VB - расчетная скорость ветра при гололеде, принятая для данного района, Ьу - климатический норматив, учитывающий совместное воздействие масс гололедных отложений и ветра. Указанный норматив учитывает как весовую (вертикальную), так и ветровую (горизонтальную) составляющие механической нагрузки.
В табл. 1 приведены расчеты ветровой нагрузки при гололеде ^В) и климатические параметры для расчета гололедно-ветровой нагрузки на провода и опоры ВЛЭП в режиме максимальной гололедной нагрузки для некоторых станций, расположенных на территории энергосистем о-ва Сахалин, Камчатской области, Хабаровского и Приморского краев.
Значения ветровых нагрузок при гололеде на рассматриваемой территории колеблются в широких пределах. Согласно критериям районирования климатических нагрузок на провода и тросы ВЛЭП [4], используемым при построении региональных карт, полученные нормативы соответствуют всем районам гололедности - от первого до особого. Наиболее значительные по величине отложения отмечаются на побережье морей, чему способствует активная циклоническая деятельность в переходные сезоны года [1].
Особые условия гололедообразования создаются в горных районах, где начиная с определенных отметок высоты над уровнем моря низкая облачность воспринимается у земли как туман. По мере подъема воздуха он охлаждается, конденсация усиливается, и концентрация переохлажденной влаги в атмосфере возрастает, что способствует интенсификации гололедных явлений. Верхняя граница гололедной зоны определяется обычно областью температурной инверсии, которая зависит от местных орографических условий и мощности гололедонесущего потока. От орографических условий зависят также длительность стадий нарастания, разрушения и сохранения осадка, его форма, плотность и особенно масса отложения. На Дальнем Востоке России, который является притихооке-анской частью Азиатского континента и отличается большим разнообразием форм рельефа, 75% территории занимают горы. Значительные голо-ледно-изморозевые отложения и частые аварии на ВЛЭП нередко происходят в сильно пересеченных местностях Тихоокеанского побережья.
Таблица 1
Ветровая нагрузка при гололеде ^В) и климатические параметры для расчета гололедно-ветровой нагрузки
Станция Характеристики *
в режиме максимальной ветровой нагрузки при гололеде в режиме максим гололедной наг альной рузки
м та Ув, м/с Qг, н/м У г, м/с Ьу, мм
Аян 8,0 17 9,6 15 23,4
Байдуков 1,8 11 1,1 8 6,4
Взморье 40,0 17 24,0 16 57,5
Владивосток 10,2 24 9,9 18 15,3
Долинск 40,0 27 35,0 24 35,5
Ильинский 50,0 25 62,0 24 64,7
Ключи 33,1 19 30,5 17 65,0
Лермонтовка 1,1 8 1,0 7 8,6
Литовко 0,1 3 0,1 3 2,4
М. Лопатка 130 36 130,0 36 62,0
Москальво 16,0 17 4,6 11 20,3
Поронайск 20,0 17 21,0 16 49,6
Солекуль 2,9 9 3,0 9 19,6
Сосновка 21,3 23 19,5 12 85,0
Стародубское 46,1 27 38,0 26 32,4
Хабаровск 2,0 12 1,3 8 8,5
* Определяются 1 раз в 25 лет.
Следует отметить, что сеть метеорологических станций на Дальнем Востоке России недостаточно густа и равномерна. Примерно три четверти метеорологических станций расположены в прибрежной зоне, в основном на удалении до 1 км от береговой черты, а остальные - в наиболее обжитых долинах. Только в Магаданской области, в Хабаровском и Приморском краях данные инструментальных наблюдений ряда метеорологических станций, расположенных на возвышенностях, позволили провести некоторые обобщения и найти зависимость между величиной гололедного отложения и абсолютной высотой местности. Исходными материалами для изучения влияния рельефа на процессы гололедообразования на территории Магаданской области, Хабаровского и Приморского краев послужили результаты инструментальных наблюдений 9 репрезентативных по гололеду метеорологических станций: Березово, Бу-тугычаг, Еропол, Охотничий, Сихотэ-Алинь, Солекуль, Хатыннах, Эль-ген, Энмываам.
Согласно принятой типизации [4], учитывающей преобладающее при гололедообразовании направление ветра в качестве показателя циркуляционных процессов, станции, расположенные на высотах до 600-700 м, отнесены к наветренным склонам для гололедонесущих потоков. Станции на более высоких поднятиях находятся либо на вершинах, либо в верхних, орографически не защищенных частях склонов. За весь период инструментальных наблюдений были выбраны гололедные процессы,
одновременно охватывающие территорию, на которой расположены группы станций, и произведены расчеты нормативной толщины стенки гололеда на соответствующих высотах.
Данные метеорологических станций на Верхне-Колымском нагорье позволяют оценить гололедные нагрузки в диапазоне высот 300-1400 м. Как видно из табл. 2, начиная с 800 м значения нормативной толщины стенки гололеда резко возрастают и соответствуют III району. Высотные различия при переходе к каждому последующему району гололедности составляют 50-100 м. На наветренных склонах Сихотэ-Алиня расчетная толщина стенки гололеда, возможная 1 раз в 25 лет, при переходе к каждому последующему району начиная с 600 м изменяется на 150 м.
Таблица 2
Значения нормативных гололедных нагрузок, возможные один раз в 25 лет (в25) на различных высотах по данным метеорологических станций Колымского, Приморского и Дальневосточного управлений
^25 , мм
Менее 10 10-15 16-20 21-25 26-30 31-35 Более 35
Район гололедности
I II III IV V VI VII
Анадырское плоскогорье (высота на ур. м., м)
< 150 150-200
Верхне-Колымское нагорье
< 300 300-800 800-850 850-900 900-1000 1000-1100 > 1100
Горная страна Сихотэ-Алинь
< 600 600-750 750-900 900-1050 1050-1200 > 1200
Распространение масс морского воздуха зимой может происходить на обширной территории Дальнего Востока. Вынос воздуха сопровождается повышением его температуры от -30, -40 до 0, -30 и сильными снегопадами. Распространение теплого морского воздуха происходит главным образом в свободной атмосфере на высоте примерно 1000 м, поэтому в континентальных районах хорошо прослеживается высотная зависимость распределения отложений атмосферного льда.
Максимальные величины, соответствующие У-УН районам (в25 > 26 мм), отмечены на наветренных склонах Чукотского, Анюйского и Колымского нагорий, на некоторых вершинах Анадырского плоскогорья, Хейджанской гряды, хребтах Джугджур и Сунтар-Хаята начиная с высоты 900 м. Такие же величины отложений, но начиная с высоты более 1000 м могут наблюдаться на склонах Сихотэ-Алиня. Гололедные отложения здесь осаждаются обычно из слоистой облачности, часто при ее длительном существовании и скорости ветра до 10 м/с. Температура при этом, как правило, ниже -50С, поэтому характерным видом тяжелых обледенений является не гололед, а плотная изморозь и ее смеси. На долю этих видов обледенений приходится 60% осадков. На наветренной стороне хребтов Сихотэ-Алинь и Буреинский могут быть значительные отложения мокрого снега. Число дней с гололедными явлениями в среднем
составляет 8-12 в году. Наиболее интенсивные отложения бывают в переходные сезоны года - октябрь-ноябрь, апрель-май.
Существующая разница в условиях обледенения наветренных и подветренных склонов по отношению к гололедонесущему потоку может быть объяснена, с одной стороны, известной экранированностью подветренного склона, а с другой - тем фактом, что при опускании воздушной массы ее температура повышается, конденсация уменьшается и влагосо-держание падает. При сильно пересеченной местности имеют значение оба фактора, причем защита ВЛЭП хребтом или складкой местности от гололедонесущего потока может быть очень эффективной. Таким образом, учет макро-, мезо- и микрорельефа при проектировании линий в горных местностях является совершенно обязательным. В этих условиях наиболее целесообразным является проведение обобщающих исследований по выявлению взаимосвязей между строением рельефа и особенностями распределения гололедно-изморозевых отложений на всей территории, включая районы, не освещенные метеорологическими данными [2].
Располагая климатическими нормами и табличными значениями микроклиматической изменчивости, можно без проведения специальных наблюдений количественно оценить пространственную изменчивость элементов климата в пределах какого-либо региона и составить детальную микроклиматическую карту. Количественные характеристики рельефа могут быть получены с помощью комплекса морфометрических показателей, который включает: глубину расчленения рельефа - расстояние по вертикали между двумя денудационными уровнями (относительное превышение); углы наклона местности; экспозицию склонов.
Расчеты и картирование коэффициента изменения массы (Кр) [2] гололедно-изморозевых отложений для ВЛЭП в различных условиях рельефа по сравнению с массой и размерами отложений на открытом и ровном месте (фоновые станции), произведенные для территории о-ва Сахалин при различных направлениях ветра, показали, что значение Кр изменяется от 2,0 до 0,6.
Дифференцированные оценки гололедности выполнены для отдельных морфометрических структур рельефа с учетом полученных для них поправок. При этом выделены зоны, в которых по сравнению с открытым ровным местом наблюдается:
1) значительное увеличение массы гололедно-изморозевых отложений (Кр = 1,4). Сюда отнесены вершины, плоские водоразделы, верхние части склонов, а также средние части наветренных и параллельных ветру склонов. В целом на территории острова значительное увеличение массы гололедно-изморозевых отложений по сравнению с открытым ровным местом при всех направлениях ветра отмечается на площади менее 6,4%;
2) увеличение массы гололедно-изморозевых отложений (Кр = 1,1 -1,3). Это характерно для сравнительно открытых долин, хорошо продуваемых ветром; при северных и южных ветрах такое распределение максимально и охватывает 7% площади острова;
3) уменьшение массы гололедно-изморозевых отложений (Кр = 0,8) наблюдается в нижних и средних частях подветренных склонов, в непро-
дуваемых и замкнутых межгорных долинах. Сюда относятся территории, занимающие от 5,3% площади острова при ветрах западной четверти горизонта до 1,1% - при южных ветрах.
В заключение следует отметить:
1. В целом на территории дальневосточных энергосистем наблюдаются значительные по величине гололедные отложения, расчетные значения которых на отдельных станциях превышают нормативы особого района гололедности. Полученные значения климатических параметров повторяемостью 1 раз в 25 лет позволят на следующей стадии расчета дать вероятностную оценку надежности ВЛЭП с учетом изменчивости гололедных нагрузок.
2. Довольно слабая освещенность дальневосточной территории России данными инструментальных наблюдений затрудняет изучение режима гололедно-изморозевых отложений. В этих условиях важным является привлечение всей имеющейся информации, включая данные тематических наблюдений, косвенные расчеты, а также методики, учитывающие высоту и микрорельефные условия местности.
Литература
1. Блохина В.И. Условия образования особо опасных отложений гололеда на побережье Охотского моря // Тематич. выпуск ДВНИГМИ. № 3. Владивосток: Дальнаука, 2000. С. 34-45.
2. Блохина В.И., Соловьева Л.Г. Об учете рельефа при определении гололедно-ветровых нагрузок на ВЛ электропередачи // Вопросы моделирования атмосферных процессов и использования метеорологической информации в народном хозяйстве. Владивосток: Дальневост. ун-т, 1987. С. 31-44.
3. Правила устройства электроустановок. 7-е изд. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2003. 155 с.
4. Строительные нормы и правила. СНиП 2.0107-85. Нагрузки и воздействия. М.: Стройиздат, 1986. 35 с.
© Блохина В.И., Ворожцов В.И., 2005 г.
