CC BY
19УДК 621.316.11.001.18:63
Сохроков А. М. SokhrokovA. M.
ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРНЫХ ФАКТОРОВ НА РАБОТУ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ
НАПРЯЖЕНИЕМ 10 КВ
THE INFLUENCE OF ATMOSPHERIC FACTORS ON OPERATION OF AIR-LINES UNDER THE VOLTAGE OF10 KILOWATT
Исследование влияния разнообразных атмосферных и климатических факторов на надежность функционирования воздушных линий электропередачи необходимо проводить как для отдельных её элементов, так и для всего комплекса электрооборудований сети. Связано это с тем, что без выявления основных причин отключения электрической сети из-за появляющихся отказов, невозможно обосновать и разработать наиболее подходящие мероприятия по обеспечению и повышению их надежности.
Воздействие атмосферных и климатических факторов обуславливает появление определённого вида отказов, возникающих вследствие случайных перегрузок. Кроме того, происходит увеличение количества этих отказов, что влияет на электромеханические свойства и срок службы элементов сетей. Наиболее существенные воздействия на работу воздушных линий оказывают: низкие и высокие температуры воздуха; скорость ветра; гололедные образования на проводах; влажность воздуха, загрязнение воздуха и т. д.
Интенсивность и продолжительность воздействия перечисленных факторов, и наиболее неблагоприятные сочетания их, влияют решающим образом на изменение свойств материалов элементов воздушной линии.
Влияния климатических и атмосферных факторов на режимы работы воздушных линий электропередачи, проводились для электрических сетей напряжением 10 кВ, входящих в сферу обслуживания Урванских РЭС.
It is necessary to carry out a study on the effect of various atmospheric and climatic factors on the reliability of overhead power lines as for its separate elements and the whole complex of electrical equipment network. This is due to the fact that without identifying the underlying reasons for the disconnection of the electric network due to emerging failures, it is impossible to substantiate and to develop the most suitable measures to ensure and increase their reliability.
The impact of atmospheric and climatic factors causes the appearance of a certain type of crash that occurs due to accidental overloads. In addition, there is an increase in the number of these failures that affect the electromechanical properties and the lifetime of the network elements. The most significant impact on the operation of air-lines have a low and high air temperature; wind speed; ice loading on the wires; humidity, air pollution, etc.
The intensity and duration of exposure to these factors, and the most unfavorable combination of them influenced decisively on the properties of materials change elements of the overhead line. The effects of climatic and atmospheric factors on the operation modes of overhead power lines was conducted for electric networks with voltage of 10 kV belonging to the service sector of Urvan RES.
Ключевые слова: воздушные линии, электрические сети, надежность, отказ, атмосферные явления, климатические факторы, аварийный режим.
Key words: overhead lines, electrical networks, reliability, failure, atmospheric phenomena, climatic factors, the emergency mode.
Сохроков Артур Мухамедович -
кандидат технических наук, доцент кафедры энергообеспечения предприятий, ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет имени В. М. Кокова», г. Нальчик
Тел.: 8 903 494 71 05
E-mail: ya.kantik-2013@yandex.ru
Sokhrokov Arthur Mukhamedovich -
Candidate of Technical Sciences, associate Professor of the Department of energysupply enterprises, FSBEI HE «Kabardino-Balkarian State Agrarian University named after V. M. Kokov», Nalchik
Tel.: 8 903 494 71 05
E-mail: ya.kantik-2013@yandex.ru
Введение. Воздействие внешней среды на режим работы воздушных линий электропередачи относят к объективным внешним эксплуатационным факторам. Это, прежде всего, атмосферные явления, климатические условия, электромагнитное и радиационное излучение и т. д. Наиболее существенные воздействия на работу воздушных линий оказывают:
- низкие и высокие температуры воздуха. Низкие температуры обуславливают увеличение допустимых значений тока и температур нагрева провода, уменьшение длины провода. Высокие температуры проводов обуславливают их удлинение и увеличение стрелы провеса. Вследствие этого происходит нарушение габаритов воздушной линии и изоляционных расстояний, т. е. снижение надежности и безопасности эксплуатации;
- скорость ветра, которая влияет на появление дополнительной составляющей нагрузки на провода и опоры;
- налипание слоя льда - гололёда на провода, в холодное время года, вследствие высокой влажности (тумана, дождя, снега и изморози). Это значительно увеличивает механическую нагрузку, в виде дополнительных вертикальных сил на провода и опоры, снижает запас их прочности. Гололёд приводит к таким неблагоприятным явлениям как обрыв проводов, их схлёстывание при ветре и т. д.;
- загрязнение воздуха и др.
Исследование воздействия атмосферных
и климатических факторов на элементы и всю конструкцию воздушных линий в целом, представляет собой эксплуатационное испытание, с получением информационной базы о состоянии их надежности. При этом они подвергаются большому спектру внешних атмосферных воздействий и режимов функционирования, которые очень сложно воссоздать в искусственных условиях.
Методы или методология проведения работ. Для выработки и утверждения требований к надежности, определения объемов планово-предупредительных мероприятий и их периодичности, расчета потребного количества запасных частей и необходимого инвентаря необходимо знать характеристики надежности элементов сетей. Воздушные линии электропередачи напряжением 10 кВ, выполнены неизолированными проводами, которые являются самыми ненадежными элементами электрической сети. До 45 % всех повреждений электрических сетей, рассматриваемого класса напряжения, приходится именно на провода. Причины появления таких повреждений распределяются следующим образом: обрыв проводов - 60 %, окисление проводов - 20 %, схлёст проводов - 15 % и повреждение опор - 5 %. На отказ электрических сетей влияет множество неоднородных внешних эксплуатационных факторов. Оценку влияния этих факторов на надежность работы воздушных линий можно осуществить методом дисперсионного анализа. Он позволяет определить обобщенные факторы, по которым судят о причинах отклонения технических характеристик сети от номинальных параметров.
Экспериментальная база, ход исследования. Для оценки влияния атмосферных факторов на надежность работы сетей напряжением 10 кВ, выше предложенным методом, нами был проведен анализ данных Урванских РЭС, подразделения филиала ПАО МРСК СК «Каббалкэнерго» в период с 2011-2016 гг. Результаты обработки данных представлены в таблице 1. Здесь они были сгруппированы по причинам возникновения отказов.
Целью многофакторных исследований для оценки надежности являлся выбор экспериментальных точек факторного пространства, координаты которого представля-
ли атмосферные факторы, где в дальнейшем производились испытания. Осуществлялся этот выбор методами планирования экспе-
римента по выработке математической модели объясняющих механизм явлений [1].
Таблица 1 - Группы по причинам возникновения отказов
Месяцы Причины отказов
у1 у2 у3 у4 Итого, %
1 31 10 84 16 5,3
2 43 14 117 22 7,4
3 38 13 103 19 6,5
4 45 15 122 23 7,7
5 61 20 167 31 10,5
6 89 30 244 45 15,4
7 59 20 160 30 10,1
8 49 16 135 25 8,5
9 48 16 132 24 8,3
10 51 18 141 26 8,9
11 39 13 106 20 6,7
12 27 9 75 14 4,7
Итого: 580 194 1586 293 100
Примечание: у] - окисление проводов, у2 - повреждение опор, у3 - обрыв проводов, у4 - схлёст проводов.
Таким образом, модель представляет множественную регрессию - уравнение с несколькими независимыми переменными, для определения влияния каждого из них в отдельности, и в совокупности на моделируемый показатель:
У = { (Х], Х2, ..., Хр), (1)
где:
у - зависимая переменная (аварийные отказы воздушных линий);
Х1, Х2, ., Хр - независимые переменные (атмосферные факторы).
В исследованиях учитывались причины возникновения отказов в зависимости от атмосферных факторов.
Построение уравнений множественной регрессии велось по линейной модели:
у = а + Ь]Х1 + Ь2Х2 + ... + ЬрХр, (2)
где:
Ь1, Ь2, ..., Ьр - коэффициенты «чистой» регрессии.
Результаты исследования. Внешние независимые атмосферные факторы, влияющие на аварийные отключения из-за отказов обозначены следующим образом: Х1 - давление атмосферное, мм рт. ст.; х2 - влажность воздуха относительная, %; х3 - скорость ветра, м/с; х4 - температура воздуха среднесуточ-
ная, °С; х5 - суточные осадки, мм; х6 - толщина стенки гололеда, мм, [4].
Процесс окисления проводов происходит под влиянием комплекса действий таких параметров атмосферных явлений, как количество осадков, температура воздуха, скорость ветра. Обрыв проводов может быть обусловлен следующими двумя независимыми факторами: ветер, гололед (в зимний период времени), гроза (в летний период), а также осадков; повреждение опор, падение деревьев на провода, аварии при выполнении сторонних работ. Схлёстывание проводов линии происходит под действием ветра при грозовых и штормовых порывах.
Обработка массива данных проведена с помощью компьютерного моделирования с использованием пакетов соответствующих прикладных программ.
Эксперимент на данном этапе проходил таким образом, что комбинируя параметрами независимых переменных последовательным образом, были построены математические модели и найдены оптимальные её значения.
Был приведён ряд моделей, полученных для случая обрыва проводов в зимний период. Рассмотрим для наглядности следующие типы уравнений:
У4 = Ь0 + Ь^ + Ь^2 + Ь^3 + b4x4 +
+ b5X5 + b6X6;
У4 = Ь0 + b2x2 + b3cos(x3) + b4x4 +
+ b5X5 + b6X6;
У4 = Ь + b2X2X4 + bзXз + b4X5 + b5X6,
(3)
(4)
(5)
где:
Ы - коэффициенты моделей.
Уравнение (3) - это уравнение множественной регрессии линейной функции. В уравнении (4) cos(x3) учитывает периодичность отказов при ветровой нагрузке. Уравнение (5) описывает совместное влияние на появление аварийных отказов от действия двух факторов - температуры и влажности воздуха.
Так как модель описывается множественной регрессией с линейной функцией и уравнения в явном виде, то в области факторного пространства (интервалах варьирования факторов) были спланированы и проведены эксперименты для определения коэффициентов моделей.
Оценку параметров уравнения множественной регрессии - вычисление коэффициентов производили методом наименьших квадратов.
Метод позволяет получить коэффициенты, при которых сумма квадратов отклонений фактических значений от расчетных минимальна.
Связь коэффициентов множественной регрессии определялась коэффициентом корреляции, найденным по формуле [3]:
г ■ =
»л
где:
к
I
Р=1
(Х1,р Х' )(х1,р Х] )
к _ г
I (х -х-
Р=1
:, (6)
(Х1, р Х' ) I (Х], р Х] )
Р=1
ХI, Х^ - средние значения переменных,
по ряду величин Х , Х .
р ],р
Качество регрессионных моделей оценено величиной коэффициентом множественной детерминации [1]:
к
I (Ур-У)
г 2 = Р=
2
к
I (Ур -у)
2
(7)
где:
ур - удельная повреждаемость воздушных линий, найденная по таблице; у - удельная повреждаемость, найденная по уравнению регрессии; у - среднее значение.
Значимость уравнения множественной регрессии, т. е. соответствие предложенной математической модели экспериментальным данным и достаточность включенных в уравнение объясняющих переменных, оценивалась с помощью критерия Фишера.
Выбранные модели проверялись на адекватность реальному процессу на основе случайной остаточной компоненты, выделенной из исследуемого ряда независимых составляющих. Осуществлялась эта проверка всесторонним анализом на нормальность остатков. Остатки (отклонения между экспериментальными данными отказов электрооборудования и аппроксимирующими зависимостями (3 - 5)) являются оценками случайного члена уравнения регрессии. Вывод о нормальности распределения остатков сделан по гистограмме остатков (рис. 1).
Распределение остатков на вероятностной бумаге свидетельствуют об их близости к идеальному нормальному закону (рис. 2). Проверка статистических гипотез согласия опытного и теоретического распределений осуществлялась с помощью критерий согласия Колмогорова и .
р=1
■1.5 -1.0 -0,5 0.0 0,5 1.0 1,5 50
Рисунок 1 - Гистограмма остатков
2
2=5 2,0
| I
S
I
-2,0
-2,5
' +
♦
♦ y
A
/
-1Д -0,8
1Д
-од ОД
остатки
Рисунок 2 - Распределение остатков на вероятностной бумаге
Уравнения множественной регрессии, модели отключений воздушных линий 10 кВ
из-за отказов при воздействии внешних факторов приведены в таблице 2.
Значимость построенной модели снижается, если не учитывать в уравнении множественной регрессии любой атмосферный фактор, влияющий на параметры отказа ВЛ. Это, в свою очередь, к росту ошибок прогноза.
Аналогичные исследования можно выполнить для любого силового электрооборудования электрической сети и любых сезонов года. При этом учитываются внешние факторы, оказывающие наибольшее влияние на повреждение.
По результатам исследований, для воздушных линий электропередачи напряжением 10 кВ, входящих в сферу обслуживания Урванских РЭС, аварийные отключения связаны: с грозовыми или коммутационными перенапряжениями 75-80%; с гололедными образованиями 10%; с влиянием сильного ветра 5%; с вибрацией проводов 4%; другими типами повреждений - 1%.
Таблица 2 - Уравнения регрессии для математических моделей отключений
линий напряжением 10 кВ
Повреждение Уравнение регрессии
Окисление yi = -4 + 0,01xj - 0,02x2 - 0,23 cos(x3) - 0,26x4 + 0,39x5 - 0,11x6
Повреждение опор y2 = -5,1 + 0,009x1 + 0,0002x2x + 0,19x3 + 0,3x5
Обрыв провода y3 = -15,6 + 0,024x1 - 0,005x2 + 0,19x3 + 0,05x4 - 0,46x5 + 0,09x6
Схлёст проводов y4 = 1,25 + sin(0,97x1 + x2 + 0,87x3 - 0,07x4 + 0,65x5 )
Таким образом, исследование желательно провести с учетом атмосферных факторов, оказывающих наибольшее влияние на режимы работы воздушной линии 10 кВ, в анализируемый период времени.
Область применения результатов: предприятия электроэнергетической отрасли.
Выводы. Проведение исследований влияния внешних атмосферных факторов на на-
Литература
1. Апполонский С.М., Куклев Ю.В. Надежность и эффективность электрических аппаратов: учебное пособие. СПб.: Издательство «Лань», 2011. 448 с.
2. Васильева Т.Н., Микрюков Д.Н. Оценка влияния климатических факторов на отказы воздушных линий 0,4 кВ // МЭСХ, 2007. №6. С. 16-18.
дежность воздушных линий напряжением 10 кВ по предложенному методу позволит спрогнозировать вероятность аварийных отключений из-за отказов электрооборудования. Это позволит ещё произвести корректировку плана затрат времени предприятия на ремонтные работы и определить потребное число обслуживающего персонала.
References
1. Appolonskij S.M., Kuklev Yu.V. Nadezh-nost i effektivnost elektricheskih apparatov: uchebnoe posobie. SPb.: Izdatelstvo «Lan», 2011. 448 s.
2. Vasileva T.N., Mikryukov D.N. Ocenka vliyaniya klimaticheskih faktorov na otkazy vozdushnyh linij 0,4 kV // MEHSKH, 2007. №6. S. 16-18.
3. Рыбаков Л.М. Прогнозирование безотказности работы сельских распределительных электрических сетей 10 кВ // Механиз. и эл. с.-х., 2004. № 7.
4. Шилин А.Н., Доронина О.И. Оценка надежности воздушных линий электропередачи с дифференциацией влияния климатических факторов // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2014. Выпуск № 6 (145). Т. 18. С. 76-80.
3. Rуbakov L.M. Prognozirovanie bezotkaz-nosti raboty selskih raspredelitelnyh е1екп-cheskih setej 10 кУ // Mekhaniz. i el. s.-h., 2004. № 7.
4. Shilin A.N., Doгonina O.I. Осепка па-dezhnosti vozdushnyh linij elektroperedachi s differenciaciej vliyaniya klimaticheskih fakto-rov // Izvestiya Volgogradskogo gosudarstven-nogo tehnicheskogo universiteta. 2014. Vypusk № 6 (145). Т. 18. 8. 76-80.
