CC BY
262
канд. техн. наук., доцент СамГТУ, г.Самара телефон 8-8979026155 УДК 621.315.66
А.Н.Шаповалов
МАТЕРИАЛ КОНСТРУКЦИЙ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ Аннотация
Статья посвящена проблемам выбора материала опорно-поддерживающих и несущих конструкций воздушных линий (ВЛ) и разработке теоретических основ расчета электрофизических свойств пропитанных деревянных конструкций в зависимости от влияющих факторов.
Ключевые слова:
конструкции воздушных линий, пропитка защитными химическими препаратами, моделирование электрофизических свойств древесины.
A.N.Shapovalov
CONSTRUCTION MATERIAL OF AIR LINES DISTRIBUTION NETWORKS
Abstract
The article is devoted to problems of choice of material support-supporting and supporting structures of overhead lines and the development of theoretical bases of calculation of electrical properties of impregnated wood, depending on the influencing factors.
Key words:
the design of overhead lines, treatment with protective chemicals, modeling physical properties of wood.
Устойчивое функционирование систем электроснабжения невозможно без надежной и качественной работы распределительных электрических сетей, которые являются завершающим звеном в системе обеспечения потребителей электроэнергией и находятся в непосредственном взаимодействии с конкретным потребителем.
В устройствах распределительных сетей (РС) широкое применение имеют опорно-поддерживающие и несущие конструкции из металла, железобетона и древесины, физико-механические свойства которых в большой мере влияют как на несущую способность и изоляционные свойства конструкций, так и на надежность электроснабжения устройств РС и систем электроснабжения потребителей в целом.
На рынке предлагается несколько видов опор и перед потребителем возникает вопрос выбора материала изоляционных конструкций ВЛ. В настоящее время древесина продолжает оставаться конкурирующим металлу и железобетону материалом в электросетевом строительстве, как в нашей стране, так и за рубежом. Столбовая древесина широко используется в США, Канаде, и ряде европейских стран в строительстве не только линий 20-35 кВ, но и более высокого напряжения. В России, США, Канаде, Швеции и Финляндии на деревянных опорах (ДО) сооружают ВЛ напряжением до 220 кВ. В США на ДО построены опытные участки ВЛ 330 и 460 кВ и в России аналогичные опоры разработаны для ВЛ 330 и 500 кВ. В Японии большинство ЛЭП напряжением до 60 кВ сооружено на ДО. Даже в малолесных странах ДО находят широкое применение [1].
Несмотря на широкое распространение железобетона, металла и искусственных строительных материалов, древесина во многих случаях является незаменимым материалом. Однако при неправильной эксплуатации древесина разрушается очень быстро, и это вызывает громадные убытки. Между тем в современных условиях развития техники можно добиться продолжительного сохранения прочности древесины.
В таблице 1 приведена обоснованная классификация факторов, сопоставление и сравнительная оценка выбора материала для изготовления несущих конструкций ВЛ.
Таблица 1
Классификация факторов выбора материалов для изготовления опор ВЛ
Показатели Агрессивный фактор Виды материалов несущих конструкций линий
Металл (ВстЗ, СтЗкп) Бетон железобетон (М400 и выше) Древесина
натуральная (деловая) дошато- клееная
1. Температура среды, оС Свыше 20 от +6 до+26; > 40...50 От -17 до -50; 8...10 От+1 до+48 Выше 60; >80
2. Относительная влажность, %: воздуха, почвы Ниже 60 0; 5; 5 Ю 00 ^ 0. 0.. 5. 1Л1ЛОО 20...60; 80...95 Выше 75; >98
5 1Л 10...12
3. Вибрационные нагружения: частота, Гц число циклов - 50-100 - <107...108
4. Токи утечки 100...200 мА/дм2 0.6 мА/дм2 1.7 мА Более 100 мА
5. Водородный показатель, рН: атмосферы, почвы <5 >14 <6,5 <5; >12 <2
~ 3
6. Концентрация ионов хлора: в атмосфере; в почве 10 мг/л 0.5 мг/л
7. Коррозия: электромеханическая биологическая + + + + + +
8. Стимулятор коррозии: в атмосфере; в почвах, грунтах 802, 803, С12, :ын3, ид со2, ш2. 802, 803, МН3, N0, Ш2
02, С02, N2 О2
9. Основная диагностическая зависимость О = /(м) Зависимость Накова р у= /(Ш, О, 1);
10. Функция прогнозирования коррозии, возгорания. Эффект. Ф=/(рН) АРсао = /(л/т ) р у = /(Ш, О, 1); эмиссия акустическая
11. Срок службы конструкции, лет До 50 Свыше 30 [4] Свыше 40 5 7 0 5
12. Ежегодные убытки от коррозии, млрд руб. 40 50 1...1.5
ПРИМЕЧАНИЕ. О - механическое напряжение; р - магнитная проницаемость; р - удельное объемное
сопротивление; Ш - относительная влажность воздуха; 1 - температура воздуха; О-концентрация пропитки древесины защитными химическими препаратами; ДРСаО - количество разрушенного бетона, определяемого по потере бетоном СаО; Т - время воздействия агрессивных сред на бетон.
Анализ технико-экономических показателей опор линий электропередачи из
различных материалов показывает, что ДО вполне конкурентоспособны, а во многих случаях (по ряду экономических, инженерно-технических и чисто конъюнктурных соображений) их применение на ВЛ 0.4-10 кВ эффективнее, чем железобетонных [2]. Запас прочности ДО в 2-3 раза выше, чем ДО на железобетонных приставках и железобетонных опорах [3], близких друг другу с точки зрения механической прочности. Эффективность ДО возрастает при сроке службы свыше 16 лет. По данным [4] применение ДО на ЛЭП 35 кВ снижает стоимость линий в 1.5-2.7 раза, а годовые расчетные затраты по ним - в 1.3-2.1 раза. На линиях 110-220 кВ использование ДО снижает капиталовложения в 1.2-1.5 раза а годовые расчетные затраты на 2-27%. Стоимость ЛЭП на металлических опорах (МО) в среднем выше на 30%, чем на железобетонных (ЖБ) и на 50%, чем на ДО. Стоимость линий на ЖБ опорах выше на 20%, чем на деревянных опорах. ДО дешевле железобетонных и металлических опор, но не менее долговечны.
Высокие изоляционные свойства древесины позволяют снизить количество изоляторов на линиях 35-110кВ. Допускают совместную подвеску линий 10 кВ, 0.4 кВ и уличного освещения.
Линии на деревянных опорах без токоотводящих спусков имеют более высокую грозоупорность. При сооружении линии 6^35 кВ на деревянных опорах длина пути грозового перекрытия изоляции увеличивается за счет импульсной прочности дерева траверсы и стойки опоры. Уменьшается вероятность перекрытия и вероятность перехода импульсного перекрытия в дугу короткого замыкания [5]. Эти преимущества деревянных опор не удаётся реализовать в полной мере из-за возможности расщепления деревянных частей при прямых ударах молнии, которые, однако, можно предотвратить при правильном выборе защитного химического препарата пропитки.
Технология изготовления пропитанной опоры сложна. Древесина, преимущественно хвойных пород, должна быть освобождена от коры и луба и высушена до 25% содержания влаги (а это занимает около полугода при естественной сушке) и только после этого её можно подвергнуть пропитке. Нарушение технологии изготовления пропитанной столбовой древесины приводит к потере её качества. Поэтому сделать плохую ЖБ опору, как это ни парадоксально, значительно труднее, чем плохую деревянную. При производстве деревянных опор одна из важнейших проблем - как изготовить хорошую пропитанную деревянную опору. Именно нерешенность этого вопроса и послужила причиной начала массового применения железобетонных опор в нашей стране в 70-80-е годы прошлого века.
Использование качественно пропитанных деревянных опор для ВЛ низкого и среднего напряжения гораздо предпочтительнее, чем любых других. Это подтверждено Департаментом электрических сетей РАО«ЕЭС России», который в своем письме от 03.10.2001 рекомендует с целью повышения устойчивости и снижения стоимости ВЛ 0.4-10 кВ «массовое применение деревянных опор нового поколения, особенно в районах, подверженных гололедно-ветровым авариям, с повышенной грозовой деятельностью и с частой гибелью птиц на ВЛ».
ДО хорошо работают на изгиб, то есть не ломаются при серьезных ветровых и гололедных нагрузках, которые зачастую не могут выдержать железобетонные опоры. Гибкость дерева также позволяет обращаться с ДО не столь аккуратно, как это необходимо при работе с довольно хрупкими ЖБ опорами. Серьезное сокращение затрат происходит при транспортировке и установке ДО по сравнению с железобетонными опорами. Для установки опор из дерева не нужна тяжелая техника, а в экстремальных случаях их можно установить даже вручную. Отсутствует «эффект домино» на ВЛ с ДО. Тяжелая ЖБО с хорошо закрепленными проводами, падая, увлекает за собой соседние опоры по всему анкерному пролету, а поврежденная ДО
удерживается на натянутых проводах, что позволяет уменьшить количество аварийных отключений на линии.
Железобетонные опоры для ЛЭП - не панацея. Говорят, что после 25 лет эксплуатации бетон непредсказуем - начинает крошиться, рушиться. Он весьма неустойчив на уровне земля - воздух. Влияют на его состояние и солнце, и мороз, и влага. Повсеместное внедрение в Карелии финской технологии может спасти положение, решить проблему не только энергетиков, но и железнодорожников, связистов, на чьем балансе также находятся линии электропередач.
За рубежом практически все ВЛ электропередачи напряжением 0.4-10 кВ выполнены на деревянных пропитанных опорах. Пример - наш сосед Финляндия, где металлические опоры используются только на линиях более высокого напряжения.
Протяженность ВЛ на металлических опорах составляет 25%, на железобетонных - 57% и на деревянных - 18% от общей протяженности линий.
Средний срок эксплуатации ВЛ на различных опорах на 1 января 2006 года составляет (лет):
• металлических - 41.6;
• железобетонных - 30.1;
• деревянных - 41.4.
Следует отметить, что в начальном периоде эксплуатации повреждаемость металлических опор в 1.5 раза ниже, чем железобетонных опор. Однако если железобетонные опоры в течение 15-20 лет после приработки конструкций находятся в периоде стабильного состояния и их повреждаемость остается примерно на одном уровне, то металлические опоры к этому сроку находятся под влиянием износового фактора. В результате их повреждаемость сравнивается. Основная причина значительной начальной разницы в повреждаемости между металлическими и железобетонными опорами заключается в сильной зависимости несущей способности последних от качества заделки их в грунте. Часто железобетонные опоры под действием внешних нагрузок приобретают крен, что создает дополнительный изгибающий момент в стойке опоры, вызванный значительной собственной массой конструкции, способствующей дальнейшему увеличению наклона. От этого несущая способность железобетонных опор резко снижается, что приводит к их разрушению. Доля изгибающего момента от вертикальных нагрузок достигает в гололедных районах порядка 35%, а при слабой заделке опор 50% и более. Отказы железобетонных опор из-за гололедно-ветровых нагрузок превышают те же значения для металлических опор в 1.9 раза. К сожалению, в эксплуатации этому фактору уделяется мало внимания. Другая причина пониженной надежности железобетонных опор в период приработки - большое число скрытых дефектов. К таким дефектам в первую очередь следует отнести обрывы арматуры, отклонения от проектного армирования, несоответствие классов бетона и стали расчетным, пустоты и раковины в теле бетона и др. Отказы по этим причинам составляют 35.5%. Наличие трещин в стойках опор в настоящее время не сказывается на надежности, так как процесс коррозии арматуры не достиг критического значения.
Крен металлических конструкций из-за неудовлетворительного закрепления в грунте наблюдается весьма редко. Основная причина разрушения металлических опор - это превышение реальных нагрузок и воздействий, а также коррозионный износ элементов при длительной эксплуатации. К вышесказанному необходимо добавить, что преобладают отказы износового характера при сверхрасчетных нагрузках. Об этом свидетельствует тот факт, что в тех случаях, когда причиной отказов являлся только ураганный ветер, металлические опоры имели срок эксплуатации 10-15 лет, а отказы конструкций, которые эксплуатировались менее 10 лет, не превышали 15% от общего числа отказов.
К наибольшему числу отказов ВЛ 10 кВ в расчете на 100 км трассы приводят повреждения деревянных опор. При практически одинаковых внешних воздействиях высокий уровень повреждаемости ВЛ на деревянных опорах может быть объяснен низким сроком службы (7-15 лет) из-за значительной потери прочности вследствие загнивания и невозможности своевременного его устранения.
Указанные недостатки опор и других элементов ВЛ можно предотвратить только на основе современной диагностики их технического состояния. Диагностика является неотъемлемой частью технического перевооружения. Существующая система диагностики состояния оборудования электрических сетей не эффективна, что связано как с отсутствием на объектах электрических сетей технических средств, так и с недостаточностью нормативно-методической базы по всему спектру возможных систем диагностики.
В настоящее время производятся работы по реконструкции линий электропередачи на деревянных опорах напряжением от 0.4 до 110 кВ ЗАО «ЭФЭСк», находящейся на территории Ленинградской области. Полная замена устаревших деревянных опор на пропитанные по технологиям Финляндии (при сроке службы до 50 лет) производится на участке линий «Великая Губа-Кижи» ОАО «Карелэнерго».
Многокритериальный подход рационального применения опор из различных материалов предполагает разработку развернутой системы технико-экономических показателей, в которой в качестве решающего показателя, характеризующего экономическую эффективность конструкций, применяется показатель приведенных затрат, а в качестве дополнительных - расход материалов, масса, эксплуатационные расходы и др.
Система должна учитывать также комплекс других факторов: технический уровень изготовления, экономико-географические социально-экономические, экологические (в основном связанные с утилизацией арматуры ЖБО и фундаментов, находящихся в действии) факторы, которые влияют на эффективность, выбор материала конструкций и на установление границ и конструктивных форм рационального применения.
Учет региональных возможностей и особенностей необходим при разработке эффективных мероприятий по унификации и типизации опор, стимулировании повышения качества их разработки, совершенствования конструкций и оптимизации параметров унифицированных конструкций. Данные возможности и особенности следует принимать во внимание при разработке типовых рекомендаций по изменению границ эффективного применения взаимозаменяемых конструкций опор из различных материалов, обусловленных различным уровнем цен, затрат на транспортировку и т.д.
Проблема совершенствования изолирующих конструкций на базе новых нетрадиционных материалов (электробетон, полимеры, клееная и модифицированная древесина и др.) и защиты высоковольтных ВЛ от разрушений (коррозия, возгорание от токов утечки, микодеструкция и др.) переживает качественно новый этап, на котором имеются все возможности для ее практического решения в рамках общей интенсификации и интеграции народного хозяйства стран СНГ.
Электрические свойства древесины играют большую роль при решении проблемы грозоупорности линий электропередачи 35^220 кВ и более на деревянных опорах и их возгораемости от токов утечки и т.п.
В настоящее время в нашей стране продолжаются работы по совершенствованию технологии и средств химической защиты древесины. Качество и надежность защиты во
многом зависит от глубины пропитки древесины. Наиболее качественную и глубокую пропитку можно обеспечить с помощью современных автоклавных установок.
Особое внимание при выборе и эксплуатации ВЛ в районах с загрязненной атмосферой уделяется проблеме исследования электроизоляционных свойств изделий из керамики, стекла или пластмассы, оставляя без внимания ее вторую часть - капиллярно-пористый материал - древесину. Однако даже значительные достижения в области изоляторостроения не смогли снять остроты этой проблемы, например для линий электропередач ЛЭП 6-220 кВ и выше, в которых разрядные характеристики изоляции определяются состоянием комбинированной изоляции «фарфор-дерево», т.е. изоляционными свойствами древесины.
Обеспечение надежной оптимальной работы изоляции воздушных линий невозможно без учета свойств и характеристик каждого изолирующего элемента комбинированной изоляции «фарфор-дерево», как в отдельности, так и в комплексе. Немаловажен и тот факт, что в работах, посвященных исследованию координации изоляции «фарфор-дерево» остается без внимания такой важный фактор, существенно влияющий на электрофизические свойства древесины, как пропитка химическими защитными препаратами.
Предлагаются два направления борьбы за продление сроков службы ВЛ с элементами деревянных конструкций, одним из которых является эффективная профилактика ДО с помощью дополнительной пропитки химическими препаратами деревянных деталей изоляционных конструкций.
Другая проблема повышения надежности ВЛ сосредоточена в области защиты древесины от разрушения токами утечки. Среди повреждений ВЛ по вине эксплуатации 60% составляет загнивание древесины и 20% - возгорание деревянных опор.
В связи с тем, что электроизоляционные свойства древесины зависят не только от температурно-влажностных режимов эксплуатации, но и от химического состава пропиточного защитного препарата, были проведены исследования, направленные на то, чтобы определить электрическое сопротивление пропитанной древесины изоляционных конструкций ВЛ в температурно-влажностных режимах эксплуатации, которые позволят определить препарат придающий древесине наряду с защитными лучшие электроизоляционные свойства в регионах с повышенным загрязнением атмосферы.
Отсутствие аналитических методов расчёта электрических свойств древесины в зависимости от факторов внешней среды является основной причиной, сдерживающей изучение особенностей изоляции высоковольтных линий на деревянных опорах. Поэтому предпринята попытка создания теоретических основ расчета электрических параметров пропитанных деревянных элементов ВЛ в зависимости от состава, структуры и свойств древесины и заполняющих её веществ (влага, воздух, пар).
В результате экспериментальных исследований с учетом законов термодинамики гетерогенных сред были разработаны математические модели расчета электрического сопротивления и гигроскопичности капиллярно-пористых коллоидных материалов. Эти модели представляют собой совокупность соотношений, связывающих гигроскопичность и электрическое сопротивление с различными действующими одновременно факторами: температурой и влажностью древесины и воздуха, высоким переменным напряжением, агрессивностью среды, внешними воздействиями погоды, видом и концентрацией защитной химической пропитки.
Разработан метод расчета электрического сопротивления древесины в зависимости от пропитки Q, относительной влажности воздуха Ж и его температуры ґ.
Исследования по определению эффективных средств защиты деревянных элементов ВЛ от возгорания и стабилизации активного сопротивления дерева в условиях увлажнения атмосферными осадками позволили разработать математическую модель
активного сопротивления, которое может быть представлено в виде:
( \ 2тд
V. т ) =
X д21
0
Зд дdд
рс \(^, ё, т),ЖГ (ъ,ё, т)]
где рс \ (ъё,т )ЖГ (ъ,ё,т)] - функция активного удельного сопротивления древесины
умноженная на длину; ЖГ - влажность древесины; s, ё, т - пространственные
и временные координаты; ^ ё - площадь поперечного сечения траверсы, длина
периметра сечения и характерный линейный размер (радиус) этого сечения.
Разработаны стохастические модели гигроскопичности и электрического сопротивления пропитанной древесины ВЛ от климатических и эксплуатационных факторов, которые могут быть использованы затем для целей предсказания и прогнозирования электрофизических свойств натуральной и пропитанной древесины изоляционных конструкций.
Предложена математическая модель расчета ожидаемого числа возгораний деревянных элементов ВЛ 10 кВ.
Математические модели расчета равновесной гигроскопической влажности и других характеристик комбинированной изоляции ВЛ с пористыми твердоволокнистыми элементами получены на основании исследований, учитывающих механизм тепло- и влагопереноса.
Выводы
1. Древесина может эффективно применяться в качестве конструкций без значительной переработки на воздушных линиях электропередачи.
2. Аналитическая связь электрического сопротивления натуральной и пропитанной древесины от температуры и относительной влажности воздуха, вида и концентрации рабочего раствора химической пропитки для равновесных и неравновесных условий её эксплуатации позволяет прогнозировать возможность разрушения от токов утечки деревянных несущих конструкций ВЛ в различных регионах России и СНГ.
Литература
1. Шнелль Р.В., Китушин В.Г., Киселев А.П. Целесообразность применения деревянных опор на линиях электропередачи // Электричество. № 3. 1975. - С. 73-76.
2. Кондратьев В.М., Прохоров В.М. Оценка целесообразности применения деревянных опор ВЛ 0.4-10 кВ // Энергетическое строительство. №°8. 1979. - С. 29-31
3. Справочник по проектированию электрических сетей и электрооборудования / под общей ред. Ю.Н.Тищенко, Н.С.Мовсесова, Ю.Г.Барыбина. - М.: Энергоатомиздат. 1985. - 248 с.
4. Крюков К.П., Новгородцев Б.П. Конструкции и механический расчет линий электропередачи. - Л.: Энергия, 1979. - 312 с.
5. Гиндуллин Ф.А., Гольштейн В.Г., Дульзон А.А., Халилов Ф.Х. Перенапряжения в сетях 6-35 кВ. - М.: Энергоиздат. 1989. - 192 с.
Сведения об авторе
Шаповалов Александр Николаевич,
канд. техн. наук, доцент СамГТУ, г.Самара, телефон 8-8979026155
