Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

Качественная и бесперебойная передача электроэнергии обеспечивается надежностью эксплуатации воздушных линий электропередачи с учетом воздействия различных природных и техногенных факторов. Особенно аварийные ситуации возникают при воздействии экстремальных метеорологических факторов, например, в виде сочетаний гололедных и ветровых нагрузок на токоведущие провода и грозозащитные тросы, которые приводят к тяжелым последствиям (разрушение изоляции, арматуры, поломки опор, обрывы проводов и тросов).

Гололед – это сплошной твердый осадок в виде прозрачного или матового льда, имеющий плотность в пределах от 0,6 до 0,9 г/см3. Образование гололеда происходит от 0 до –5 °С при туманах, дождях и моросях. При таких осадках капли влаги имеют сравнительно крупные размеры (более 0,1 мм) и попадая на провод не могут мгновенно кристаллизоваться, растекаясь по поверхности, замерзают, т.е. превращаются в гололед, прочно сцепляясь с проводом.

Удельную нагрузку от веса гололеда на проводе можно представить в виде [1]:

, Н/м *мм2, (1)

где g = 9,8 м/с2 – ускорение свободного падения;

ρ – плотность гололеда (0,9 г/см3);

b – нормативная толщина стенки гололеда на высоте 10 м, мм;

d – диаметр провода, м;

F – полное сечение провода, м2.

Удельную нагрузку от веса провода расчитывают согласно формуле

Н/м *мм2, (2)

где СТ – масса провода, кг/м.

Негативное воздействие гололеда на воздушные ЛЭП возрастает при возникновении пляски проводов и тросов под действием ветра. В этом случае односторонние или асимметричные отложения гололеда создают эффект аналогичный аэродинамической подъемной силе, действующей на крыло самолета. Амплитуда и частота пляски зависит от силы и направления ветра: при 3–25 м/с образуются стоячие волны (иногда в сочетании с бегущими) с числом полуволн от одной до двадцати и амплитудой 0,3–5 м. Иногда максимальные значения амплитуд могут достигать величины стрелы провисания проводов (5–10 м). Наиболее опасным является направление ветрового потока под углом 30–70 ° к оси линии электропередачи [2, 3].

Удельная ветровая нагрузка при наличии гололеда определяется по выражению

, Н/м *мм2, (3)

где α – коэффициент неравномерности давления ветра на провод по длине пролета;

К1 – коэффициент влияния длины пролета;

Сх – коэффициент сопротивления, характеризующий аэродинамические свойства провода, обтекаемого воздушным потоком, направленным нормально оси провода;

W – скоростной напор.

Тогда суммарную удельную нагрузку от ветра и веса провода, покрытого гололедом находим по формуле

(4)

Результаты статистического анализа многолетних данных по гололедно-ветровым авариям на территории Казахстана на линиях 35–220 кВ показали, аварии в большей степени характерны для северных и центральных регионов. Это обусловлено особенностями больших скоростей ветра и интенсивных гололедных нагрузок, а также относительно большим числом линий рассматриваемого класса напряжений.

Из имеющихся ВЛ 35–220 кВ примерно 30 % характеризуется сроком эксплуатации до 5 лет, 33 % от 5 до 10 лет, остальные свыше 10 лет.

Территория прохождения воздушных линий характеризуется многообразием ветровых и гололедных нагрузок. Скорость ветра с повторяемостью один раз в 10 лет изменяется в пределах от 25 до 45 м/с, а толщина гололеда аналогичной повторяемости от 10 до 30 мм. Погодные условия, обусловливающие возникновение этих проявлений, определяются специфическими атмосферными процессами рассматриваемых регионов и сложной орфографией рельефа местности.

В Казахстане гололедно-ветровые аварии составляют более 50 % от их общего количества на воздушных линиях, а продолжительность перерывов в обеспечении электроэнергией потребителей свыше 60 % от общей продолжительности всех аварийных отключений.

Исследования процесса обледенения воздушных линий показали, что появление гололеда зависит от ряда факторов, которые можно условно разделить на две группы.

Первая группа связана с погодными условиями: скоростью ветра, влажностью и температурой воздуха, спектром распределения переохлажденных капель воды в атмосфере и других.

Вторая группа касается конструктивных особенностей линий электропередачи – диаметр провода, длина пролета, подверженность провода закручиванию в процессе возникновения гололеда, ориентации ЛЭП относительно воздушного потока и т.д.

В табл. 1 приведены данные по видам повреждений элементов ЛЭП.

Из табл. 1 видно, что число аварийных отключений с повреждением конструктивных элементов ЛЭП-110 кВ составляет 31. Вместе с тем отключения без повреждений равны 44, основная причина которых – пляска проводов и тросов.

Данные по аварийным отключениям в зависимости от климатических факторов приведены в табл. 2.

На рис. 1 приведено распределение числа случаев гололёдно-ветровых аварий на ВЛ 110 и 220 кВ.

В целях обеспечения безопасности в энергосистемах Казахстана проведены исследования по снижению риска гололедно-ветровых аварий. Обьектом выбраны электрические сети 110 кВ Талдыкорганской акционерной транспортно-электросетевой компании (ТАТЭК).

Рис. 1. Распределение числа случаев гололедно-ветровых аварий: 1 – все аварии ВЛ 110–220 кВ, 2 – все аварии 110 кВ, 3 – все аварии ВЛ 220кВ

В этом регионе диаметр гололеда достигает 10–20 см, длина сосулек – сплошная, рельеф местности – холмистый, скорость ветра в пределах 10–15 м/с.

Гололедные образования (пушистая ее кристаллическая изморозь, обледенелый снег и др.) возникают при температуре воздуха от 0 °С до –5 °С (в некоторых случаях до – 10 °С).

На рис. 2 показаны участки ЛЭП, подверженные образованию гололеда, а на рис. 3 участок с ветровой нагрузкой.

В ТАТЭК накоплен многолетний опыт борьбы с гололёдом в сетях 110 кВ переменного тока (рис. 4). Так, плавка гололёда на участке ЛЭП 110 кВ № 152 (Талдыкорган – Сагабуйен) осуществляется по способу короткого замыкания напряжением 10 киловольт с подстанции 155. Величина тока плавки – 360 А. Время плавки – 30 мин.

Расположение установки плавки гололеда показано на рис. 5.

В табл. 3 приведены соотношения между напряжением источника питания для плавки гололеда и возможными длинами участков ЛЭП.

Таблица 3

Протяженность участков плавки гололеда при различных напряжениях источника питания и марки проводов

В настоящее время решение о плавке гололеда принимается на основе субъективных данных, получаемых от линейных бригад. Поэтому следует в будущем с учетом конкретных климатических условий применять автоматизированные системы мониторинга и плавки гололеда.