CC BY
5
УДК 621.31
Репников В.И. cтудент 2 курс магистратуры факультет «Теплоэнергетика и теплотехника» Национальный исследовательский университет
филиал МЭИ в г. Волжском Россия, г. Волгоград ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТКИ СПОСОБОВ БОРЬБЫ С ГОЛОЛЕДООБРАЗОВАНИЕМ
Аннотация:
Статья посвящена исследованию борьбы с гололедообразованием в электрических сетях.
Ключевые слова: электрическая сеть, гололедообразование, воздушные линии электропередачи, аварии.
Repnikov V.I. student 2 year master student, department of " Heat power engineering and heat engineering" National research University MEI Branch in Volzhskiy
Russian Federation, Volgograd THE INCREASE OF EFFICIENCY OF FUNCTIONING OF ELECTRIC NETWORKS ON THE BASIS OF THE DEVELOPMENT OF
METHODS AGAINST ICING
Abstract:
The article is devoted to against icing in electric networks.
Key words: electric network, icing, overhead power lines, accidents.
Воздушные линии электропередачи (ВЛ) являются одним из важнейших элементов электрической сети и предназначены для передачи электроэнергии по неизолированным проводам, расположенным на открытом воздухе и подвешенным с помощью изоляторов и арматуры к опорам или кронштейнам и стойкам на инженерных сооружениях (мостах, путепроводах и т.п.).
ВЛ является восстанавливаемым объектом, для характеристики безотказности которого применимы рекомендуемые ГОСТом показатели: параметр потока отказов и средняя наработка на отказ.
Теоретически параметр потока отказов (t) определяется по формуле:
M{r(t + At) - r(t)}
ra(t) = lim ——---—
At^0 At
где t - малый отрезок наработки;
M{r(t+At)-r(t)} - математическое ожидание числа отказов на отрезке t. С позиции теории случайных процессов параметр потока отказов совпадает с понятием интенсивности потока событий (t).
На практике поток отказов часто принимается стационарным, при этом алгоритм статистической оценки параметра (интенсивности) потока отказов сводится к следующему.
Пусть от момента начала наблюдений 11 до момента времени \2 (время наблюдения Тнабл=2 - 11) на объекте имело место N отказов. Тогда параметр (интенсивность) потока отказов равен: N
Я = -
Т
набл
В общем случае под наблюдением может находиться группа из п единиц однотипных объектов, которые эксплуатируются приблизительно в одинаковых условиях. В этом случае параметр потока отказов для исследуемого типа объектов вычисляется по формуле:
IN
Л =—
П ' Тнабл
где N1 - число отказов /-го объекта (N1=0,1,2...).
Эксплуатация воздушных линий электропередачи заключается в проведении их технического обслуживания и капитального ремонта. Важной составной частью данных работ является борьба с гололедообразованием на проводах и грозозащитных тросах воздушных линий электропередачи.
Гололёд - это нарастающие атмосферные осадки в виде слоя плотного стекловидного льда (гладкого или слегка бугристого), образующегося на растениях, проводах, предметах, поверхности земли в результате десублимации водяного пара на охлаждённых до 0 градусов по Цельсию и ниже поверхностях, намерзания частиц осадков (переохлаждённой мороси, переохлаждённого дождя, ледяного дождя, ледяной крупы, иногда дождя со снегом) при соприкосновении с поверхностью, имеющей отрицательную температуру.
В рамках технического обслуживания необходимо проводить наблюдение за образованием гололеда, а в рамках капитального строительства в местах с частым образованием гололеда или изморози на проводах и грозозащитных тросах ВЛ в сочетании с сильными ветрами, в районах с частой и интенсивной пляской проводов и в случаях, когда возможно недопустимое приближение освободившихся от гололеда проводов к тросам, покрытым гололедом, должна производится плавка гололеда электрическим током.
Проблема борьбы с обледенением проводов воздушных линий электропередач довольно остро стоит по всему миру, особенно в регионах с высокой влажностью и низкими температурами зимой. Высокая влажность, ветры, резкие перепады температуры воздуха способствуют интенсивному гололедообразованию на проводах воздушных линий электропередачи с
соответствующими нежелательными последствиями в виде обрывов проводов, тросов, разрушения арматуры, изоляторов и даже опор воздушных линий, что приводит к значительным экономическим убыткам. Эти аварии составляют для территории России около 25 % от общего количества повреждений на воздушных линиях, а их продолжительность — около 40 % от общей продолжительности всех аварийных отключений. Поэтому во всем мире целым рядом компаний и организаций активно ведутся исследования и разработка способов и устройств для борьбы с обледенением линий электропередач.
Гололедные отложения на проводах и тросах высоковольтных линий возникают при температуре воздуха около -5 °С и скорости ветра 5...10 м/с. Допустимая толщина стенки гололеда для линий с различным номинальным напряжением зависит от климатического района. Толщина гололёда на проводах и грозотросах может достигать 60—70 мм, существенно их утяжеляя.
Простые расчеты показывают, что, например, провод марки АС-185/43 диаметром 19,6 мм километровой длины имеет массу 846 кг, при толщине гололёда 20 мм она увеличивается в 3,7 раза, при толщине 40 мм — в 9 раз, при толщине 60 мм — в 17 раз. При этом общая масса линии электропередачи из восьми проводов километровой длины возрастает соответственно до 25, 60 и 115 тонн, что приводит к обрыву проводов и поломке металлических опор.
Учитывая вышесказанное, очень важным является постоянный мониторинг гололедных образований и их предотвращение.
В период, когда действующие на провода нагрузки еще не достигли опасных величин и существует определенный запас времени, чтобы удалить формирующиеся на проводах отложения или внести коррективы в режимы работы объектов сетевой инфраструктуры, мониторинг отложений гололеда и снега является наиболее эффективным.
В России наиболее подвержены гололёду высоковольтные линии электропередач на Кавказе, в Краснодарском крае, Центральной России, в Башкирии, на Камчатке и другие районы. Волгоградская область также является территорией, постоянной подвергающейся гололедными воздействиями.
Крупные аварии в электрических сетях энергосистемы по причине гололедных воздействий - не редкость для Волгоградской области.
Так, в период 2010 - 2011 г.г. из-за гололедных отложений произошло 93 отключения ВЛ 35-220 кВ компании «Волгоградэнерго». Наибольший вред гололед принес в Камышинских электросетях - 54 случая отключений.
Из-за гололеда в компании «Волгоградэнерго» в этот период было зафиксировано 19 случаев различных механических повреждений (обрыв проводов, грозозащитных тросов, гирлянд изоляторов), 22 случая перекрытия изоляции и 52 отключения из-за пляски проводов. Ну а распределительные сети 0,4-10 кВ вообще потерпели настоящее бедствие:
лишь 13-16 ноября 2010 года было отключено 137 воздушных линий электропередачи 6-10 кВ, 1203 ТП 6-10/0,4 кВ, повреждено 411 опор, десятки км провода.
Образование гололеда на проводах и грозозащитных тросах воздушных линий электропередачи всех напряжений может создать крайне тяжелые условия для их работы. Обеспечение бесперебойного электроснабжения в таких случаях является важнейшей, но и весьма сложной задачей эксплуатации.
Опасность гололеда заключается как в создании больших механических нагрузок линии, выше их предела прочности, так и сближений между фазами и между фазами и тросами, приводящих к перекрытиям и коротким замыканиям. Многократные серии следующих друг за другом коротких замыканий приводят к необходимости длительного отключения линий. Кроме того, они могут ослабить прочность проводов и тросов вследствие ожогов электрической дугой и обусловить таким образом их обрывы при нагрузках, лишь немного превышающих расчетные и даже близких к ним.
Гололедные аварии относятся к числу самых тяжелых и могут дезорганизовать электроснабжение больших экономических районов, нарушать работу транспорта и коммунального хозяйства.
Очень тяжелые аварии в сетях связаны с обрывами проводов, перегруженных гололедом, когда возникающие продольные нагрузки в несколько раз превышают расчетные, что приводит к каскадному развитию аварий и сопровождаются массовыми повреждениями и даже разрушениями опор. В результате линии на длительный срок выходят из работы, а их восстановление требует очень больших затрат, в несколько раз превышающих стоимость поврежденного оборудования и материалов.
Наиболее эффективной при борьбе с гололедообразованием является система обнаружения гололедообразования (далее - СОГ) предназначенная для фиксации и прогнозирования момента образования отложений на проводе, а также слежения за интенсивностью данного процесса. Возможность прогнозирования отложений на проводе позволяет принимать упреждающие меры или заблаговременно готовиться к плавкам.
Система решает следующие задачи:
- определение плотности, максимально возможной массы отложений и интенсивность ее нарастания по направлению и скорости ветра, напряженности электрического поля провода, температуре провода, влажности и температуре воздуха;
- прогнозирование момента начала гололедообразования на линиях в реальном времени;
- возможность контроля температуры провода при плавке гололеда (сохранение кристаллической структуры материала провода);
- увеличение пропускной способности линии в летнее время за
счет контроля нагрева провода током нагрузки.
Преимущества СОГ:
- оперативность принятия решения о проведении плавки гололеда или профилактического подогрева;
- минимизация затрат на проведение осмотров ВЛ в гололедный период;
- возможность прогнозирования процесса гололедообразования;
- беспроводная связь с датчиками измерения температуры и тяжения провода;
- контроль нагрева провода током нагрузки в любое время года;
- универсальность (посты могут быть установлены на любом типе опор, любой подвеске, в любом пролете);
- простота монтажа и обслуживания системы.
Дополнительной задачей является повышение эффективности СОГ за счёт контроля анкерного пролёта ВЛ.
Технический результат заключается в расширении зоны обнаружения отложений на проводах ВЛ до анкерного пролёта.
Поставленная задача решается тем, что в устройство обнаружения отложений на проводе анкерного пролёта воздушной линии (ВЛ) электропередачи, содержащее врезанные в образующие Y-образную подвеску гирлянды изоляторов датчики гололёда с размещёнными в их корпусах датчиками температуры и многоканальными контроллерами, дополнительно введён силоизмерительный датчик. При этом он установлен таким образом, что образует с одним из имеющихся датчиков гололёда V-образную подвеску гирлянды изоляторов, а его выход соединён с соответствующим входом контроллера опроса.
На рис.1 показана функциональная схема устройства (а, б) и блок-схема устройства (в), на рис.2 - анкерный пролёт с вариантами распределения на проводе гололёдных и других отложений.
А-А траверса
а)
б)
10
22
4
5
1 1
1 2
21
1 3
2
8
3
9
1 е
1 7
1 8
1 9
1 5
6
7
в)
Рисунок 1.
б)
Рисунок 2.
Устройство обнаружения отложений на проводе анкерного пролёта воздушной линии электропередачи содержит (рис.1) Y-образную подвеску гирлянд изоляторов 1, датчики гололёда 2, 3 с размещёнными в их корпусах 4, 5 датчиками температуры 6, 7 и многоканальными контроллерами 8, 9, силоизмерительный датчик 10 в корпусе 11, выходы 12, 13 датчиков гололёда 2, 3 и выходы 14, 15 датчиков температуры 6, 7 подсоединены к соответствующим входам 16, 17, 18, 19 многоканальных контроллеров 8 и 9, выходы которых 20 и 21, а также выход 22 силоизмерительного датчика 10 подсоединены соответственно к входам 23, 24, 25 контроллера опроса 26, выход которого 27 подключён к передатчику 28.
За счёт введения силоизмерительного датчика и установки его предложенным образом, заявленная полезная модель позволяет получить достаточно полную информацию о распределении отложений на всём анкерном пролёте воздушной линии электропередачи для последующего принятия решения о противоаварийных действиях оперативного персонала.
Посты телеизмерения устанавливаются в местах наиболее вероятного
образования максимальных внешних и внутренних воздействий (гололедно-ветровых нагрузок) на промежуточных опорах ВЛ. Следует отметить, что применение СОГ на ВЛ 35-110кВ ПО «Камышинские электрические сети» позволило снизить количество аварийных отключений примерно в 5 раз.
Инновационность подхода СОГ в контроле условий, приводящих к образованию гололедной муфты на основе функциональной зависимости между интенсивностью нарастания массы отложений, точками росы, десублимации и температурой провода, что должно позволить ускорить процесс принятия решения о проведении плавки.
Использованные источники:
1. Типовая инструкция по эксплуатации воздушных линий электропередачи напряжением 35-800 кВ, РД 34.20.504-94., 1996 г.
2. Общие технические требования к воздушным линиям электропередачи 110-750 кВ нового поколения, РАО «ЕЭС России», М., 2007 г.
3. Нормы технологического проектирования воздушных линий электропередачи напряжением 35 кВ - 750 кВ, СТО 56947007-29.240.55.0162008; М., ОАО «ФСК ЕЭС», 2008 г.
4. Левченко И.И. Диагностика, реконструкция и эксплуатация воздушных линий электропередачи в гололедных районах. М.: Издательский дом МЭИ, 2007. 448 с.
5. Дьяков А.Ф. Предотвращение и ликвидация гололедных аварий в электрических сетях. Пятигорск: Изд-во РП «Южэнерготехнадзор», 2000. 284 с.
6. Рудакова P.M. Борьба с гололедом в электросетевых предприятиях. Уфа: Изд-во УГАТУ, 1995. 125 с.
7. Способ и устройство для борьбы с гололедом на линиях электропередач / Каганов В.И.: пат. 2356148 С1 Росс. Федерация, МПК П 02 G 7/16., № 2008119101/09; заявл. 15.05.2008; опубл. 20.05.2009, бюл. № 14;
8. Бойнович Л. Б., Емельянов A.M. Методы борьбы с обледенением ЛЭП: перспективы и преимущества новых супергидрофобных покрытий. //Журнал ЭЛЕКТРО № 6/2011. http://www.ess.ra/.
9. Устройство для сброса гололедных отложений с проводов / Белый Д. М., Афанасьев Г.Ф.: пат. № 2481684 Росс. Федерация. № МПК П 02 G 7/16, опубл. 10.05.2013 г., бюл. №1.3 е.: ил
