АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ ВЛ 35—110 кВ НА ДЕРЕВЯННЫХ ОПОРАХ В МАГАДАНЭНЕРГО
Филиппов О. О., инж., Дордин Ю. Р., канд. техн. наук, Крюков Ю. В., инж.
Институт физико-технических проблем Севера ЯФ СО АН СССР — Магаданэнерго
Электрические сети Магаданской энергосистемы осуществляют распределение энергии на территории Магаданской области, Чукотского национального округа и частично районов ЯАССР.
Магаданская энергосистема состоит из Центрального энергорайона и четырех изолированно работающих энергоузлов. Общая протяженность ВЛ 35—220 кВ около 7 тыс. км, из них 80 % сооружены на деревянных опорах унифицированных конструкций, а также на опорах, запроектированных Дальневосточным отделением Энергосетьпроекта. В системе работает около 300 км ВЛ 35 кВ на одностоечных опорах с треугольным расположением проводов при использовании подвесной изоляции на крайних фазах и штыревого опорного изолятора на средней фазе.
В период до 2000 г. в Магаданэнерго предполагается строительство более 3 тыс. км ВЛ 35—110 кВ на деревянных опорах взамен отслуживших свой нормативный срок, поэтому анализ опыта эксплуатации таких ВЛ и определение путей повышения их надежности — актуальная задача для этой энергосистемы, так же как а для ряда энергосистем Восточносибирского региона, где древесина широко используется в качестве строительного материала при строительстве ВЛ 10—220 кВ.
Климатические условия эксплуатации ВЛ в Магаданской энергосистеме характеризуются особенностями резкоконтинентального климата на Севере со значительными перепадами температуры в течение года от —55 °C в январе до +45 °C в июле и в течение суток в весенне-летний период и условиями, характерными для умеренного климата на юге и центральной части края средняя температура января —14,6 °C, июля +9,7 °C). Для этой части характерны высокая влажность воздуха (до 80 % в среднем в год) значительные ветровые нагрузки (скорость ветра достигает 50 м/с). Уровень гололедообразования на территории области крайне неравномерен и вдоль трассы ВЛ могут быть районы от второго до особого. Для всего региона характерно распространение вечной мерзлоты, а также наличие скальных грунтов с высоким удельным сопротивлением.
Анализ повреждаемости ВЛ 35—110 кВ проводился на основе статистических данных об отключениях за период с 1982 по 1987 г.
Целью анализа было определение влияния климатических воздействий на повреждаемость ВЛ, а также определение конструктивных недостатков эксплуатируемых опор, поэтому аварии и отказы, происшедшие по вине эксплуатационного и ремонтного персонала, не рассматривались, кроме того, загнивание древесины опор отнесено к недостаткам конструкции.
Распределение причин повреждений ВЛ 35— 110 кВ на деревянных опорах по системе Магаданэнерго приведено далее.
Загнивание древесины:
пасынков 25
траверс 11
стоек 6
Возгорание древесины из-за токов утечки 8
Выпучивание опор из вечномерзлого грунта 6
Пробой и расстреливание изоляторов 6
Потеря прочности проводов при схлестывании и гололедообразовании 20
Грозовая деятельность 9
Прочие причины 100 %
Из приведенных данных видно, что наибольшая часть выхода из строя ВЛ происходит именно из-за загнивания древесины в основном пасынков и горизонтально расположенных траверс.
В [1—3] дан подробный анализ причин загнивания древесины опор ВЛ. В Магаданэнерго положение усугубляется эксплуатацией одностоечных опор с треугольным расположением проводов на деревянных пасынках, загнивание которых неизбежно приводит к падению опор.
Опоры такого типа — наиболее экономичны, просты в установке. Однако они установлены с малым заглублением и значительно подвержены выпучиванию и перекосам из-за неравномерного тяжения проводов. Следующей по частоте повторяемости причиной является повреждение проводов при схлестывании, гололедообразовании и изморозевом отложении. Важно отметить, что такие повреждения, связанные с изменением стрелы провеса проводов, происходили, как правило, на одностоечных опорах с расположением третьего провода над вторым, что можно отнести к недостаткам конструкции. Повреждения проводов происходят в зимние месяцы года и вызваны сочетанием причин: ветер и гололед или изморозевые отложения.
Возгорание древесины траверс на месте крепления гирлянд изоляторов и крепления траверс к стойкам опор под действием токов утечки непосредственно связано с повреждением изоляции или ее загрязнением. Расстрел изоляторов с разрушением тарелок или же пробой изоляторов при перекрытии из-за грозовых перенапряжений уменьшают длину пути утечки, что при увлажнении приводит к появлению тока 15—20 мА, достаточного для обугливания древесины в местах крепления и выпадения крепежного болта.
Единственно возможным средством борьбы с повреждениями такого рода является улучшение электрического контакта между крепежными болтами и древесиной. Однако устройство шунтирующих бандажей не применяется, так как требует затрат цветного металла; периодическая затяжка крепежных болтов на трассе не производится в связи с большой трудоемкостью.
Необходима разработка дешевого технического решения, обеспечивающего надежный контакт крепежных болтов с древесиной в течение всего периода эксплуатации.
Грозовая деятельность является причиной лишь 9 % аварий и отказов ВЛ в Магаданэнерго. Это объясняется прежде всего невысокой грозовой активностью в этом районе (менее 20 грозовых часов). Повреждения носят характер расщепления древесины стоек и траверс опор.
В [2] дан подробный анализ грозовой повреждаемости ВЛ на деревянных опорах в других районах Восточносибирского региона. Для Магаданэнерго вопрос повышения надежности работы ВЛ в период грозового сезона не столь актуален, однако применение деревянных траверс и нешунтированных стоек, подверженных щеплению при грозовых перекрытиях, и здесь приводит к накоплению повреждений, снижающих механическую прочность опор. Эти повреждения также можно отнести к недостаткам конструкций опор.
На рис. 1 изображена гистограмма распределения частоты отказов λ на ВЛ 35—110 кВ на деревянных опорах в течение года, из которой видно, что максимальная повреждаемость ВЛ происходит с июня по сентябрь. Это объясняется прежде всего активизацией процессов гниения в этот период, процессов выпучивания из вечномерзлого грунта, увлажнением изоляции и древесины, грозовой деятельностью.
Частота отключений ВЛ в зимний период значительно ниже и связана в основном с повреждением проводов под действием гололедно-изморозевых отложений и их пережогом при схлестывании на опорах одностоечных конструкций.
На рис. 1 пунктиром изображена гистограмма распределения частоты отказов на ВЛ 35—220 кВ на деревянных опорах по Якутскэнерго. Сравнение гистограмм показывает достаточно большое совпадение количественных показателей надежности ВЛ на деревянных опорах в Магаданэнерго с Якутскэнерго. Это объясняется прежде всего одинаковыми конструктивными недостатками применяемых опор, а также во многом схожими климатическими условиями и условиями эксплуатации. Разница лишь в более высокой грозовой активности и соответственно обусловленной этим повреждаемости в Якутскэнерго,
Общим является и то, что широкое строительство ВЛ на деревянных опорах унифицированных конструкций типа ПД и УД привела к значительным затратам на ремонт и эксплуатацию, и, как показывает опыт эксплуатации, эти затраты имеют тенденцию к возрастанию, так как накапливание неисправностей происходит всегда с большей интенсивностью, чем их устранение. Для иллюстрации сказанного на рис. 2 дана динамика изменения затрат на ремонт и эксплуатацию ВЛ на деревянных опорах в Магаданэнерго в зависимости от срока службы.
В таблице дано сравнение удельной повреждаемости на ВЛ 35—220 кВ по данным Магаданэнерго за 10 лет эксплуатации.
Из данных таблицы видно, что удельная повреждаемость ВЛ снижается с ростом напряжения линии. Наибольшую повреждаемость имеют ВЛ 35 кВ, так как при их строительстве не используются железобетонные пасынки. На ВЛ 110 кВ их применение снизило уровень повреждаемости в 2—3 раза, кроме того, часть ВЛ 110 кВ выполнены на металлических опорах!
ВЛ 220 кВ целиком выполнены на металлических опорах. Однако протяженность ВЛ на металлических опорах не превышает 20 % от общей. Удельная повреждаемость линий на металлических опорах в 20—30 раз меньше, чем на деревянных, и определяется лишь повреждениями изоляторов.
Стремление Минэнерго СССР к сооружения относительно дешевых при строительстве ВЛ на деревянных опорах и строгое ограничение применения металлопроката дорого обходится при эксплуатации таких ВЛ, а также потребителю при отключениях ВЛ. Так, удельный недоотпуск электроэнергии на одно отключение ВЛ по Магаданэнерго составляет около 9 тыс. кВт-ч при среднем простое линий 16,6 ч. По Якутскэнерго эти цифры достигают 12 тыс. кВт-ч и 26 ч соответственно, где 91 % ВЛ 35—220 кВ построен на унифицированных деревянных опорах.
Следует отметить, что эксплуатация ВЛ в системе Магаданэнерго проводится в сложных условиях отсутствия дорог вдоль трасс, непроходимости трасс в летний период, недостатка техники и механизмов.
Для этой энергосистемы, как в целом по Северу, характерно большое количество радиальных протяженных ВЛ. Между тем требования к надежности энергоснабжения потребителя в условиях Крайнего Севера высоки, а линии электропередачи являются наиболее «слабым звеном» в цепи передачи энергии от генератора к потребителю.
Повышение надежности работы ВЛ на деревянных опорах для энергосистем Восточносибирского региона и, в частности, для Магаданэнерго — актуальная задача. Так как одна из основных причин разрушения опор — загнивание деревянных пасынков, в РЭУ построено и эксплуатируется около 300 км ВЛ 35—110 кВ с железобетонными пасынками типа П-2-11 с применением бетона марки 300. Срок эксплуатации таких линий около 10 лет. За указанный период не наблюдалось разрушений железобетона из-за резкого перепада температур и опыт эксплуатации железобетонных пасынков в условиях Крайнего Севера можно считать положительным.
Однако эту меру можно рассматривать лишь как частную, исключающую только четверть повреждений ВЛ. Гнилостные разрушения горизонтально расположенных траверс, возгорания древесины от токов утечки, а также грозовые повреждения опор будут иметь место и на таких линиях.
Опыт эксплуатации ВЛ с применением металлических траверс на деревянных стойках в системе Архэнерго, а также опыт использования железобетонных пасынков в условиях Крайнего Севера в Магаданэнерго, защита древесины шунтирующими спусками в Ставропольэнерго [4] ·: использование лиственницы зимней рубки в качестве материала стоек опор в Якутскэнерго 1] показывают, что каждое из перечисленных технических решений приводит к улучшению эксплуатационных качеств опор.
Радикальный путь повышения надежности ЗЛ на опорах с использованием древесины — применение иных конструкций, исключающих любые повреждения древесины. Основные требования к таким конструкциям следующие: исключить загнивание древесины, использовать древесину лишь как механически несущий материал, чтобы она не подвергалась электрическим воздействиям, простота и технологичность конструкции и установки опор. Такие опоры разработаны и подробно описаны в [2, 3]. Основные отличия их от унифицированных — применение металлических траверс вместо деревянных, шунтировка древесины стоек заземляющими спусками, а также использование железобетонных пасынков. В ИФТПС ЯФ СО АН СССР совместно с СЗО Энергосетьпроекта и НИИПТ разработана серия конструкций промежуточных одностоечных, А-образных и П-образных анкерных и угловых опор, стоимость 1 км ВЛ на таких опорах на 25—40 % дороже, чем на применяемых унифицированных опорах (в зависимости от конструкции), но на 60 % ниже стоимости линии на металле.
Механические испытания промежуточных А- и П-образных опор проведены в СЗО Энергосетьпроекта (Ленинград) и ИФТПС ЯФ СО АН СССР (Якутск). Результаты механических испытаний показали достаточную прочность опор к ветровым и гололедным воздействиям, характерным для всего региона азиатского Севера.
Надежность линий на опорах этих конструкций достаточно высока и будет приближаться к надежности ВЛ на металлических конструкциях (λ = 0,05 отк/100 км в год), что существенно снизит затраты энергосистемы на эксплуатацию ВЛ и повысит надежность снабжения потребителя.
С точки зрения удобства эксплуатации и простоты сборки и установки опоры наиболее удобна П-образная конструкция, однако именно она наиболее материалоемка и требует применения двух грозозащитных тросов. При наличии подъемной техники, способной преодолеть бездорожье, экономичным будет применение А-образных конструкций; в районах, где вечная мерзлота имеет очаговый характер, при соблюдении расчетных и надежных заглублений рациональным представляется применение одностоечных конструкций, железобетонный прототип которых успешно эксплуатируется в европейской части СССР и Средней Азии.
Выводы
- Эксплуатационная надежность ВЛ 35—110 кВ в Магаданэнерго низка и определяется недостатками конструкций унифицированных деревянных опор, что влечет за собой значительные затраты энергосистемы на эксплуатацию и ремонт таких линий.
- Опыт эксплуатации ВЛ на деревянных опорах с железобетонными пасынками показал удовлетворительную работу железобетона в условиях Крайнего Севера в качестве материала для приставок.
- Существенного повышения надежности ВЛ на деревянных опорах можно достичь, используя древесину лишь как несущий материал, учитывая опыт эксплуатации ВЛ на унифицированных конструкциях в других регионах страны, что реализовано в новых конструкциях опор, разработанных в СЗО Энергосетьпроекта совместно с ИФТПС ЯФ СО АН СССР.
- Следует рекомендовать институту Энергосетьпроект указанные конструкции опор разработать в качестве унифицированных и применять при строительстве ВЛ 35—110 кВ.
- Наиболее перспективна в условиях бездорожья и невозможности использования подъемной техники П-образная конструкция опоры.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Филиппов О. О. Анализ надежности ВЛ 35.— 110 кВ и деревянных опорах на юге Якутии. — Электрические станции, 1981, № 4.
- Крюков К. П., Тиходеев Η. Н., Филиппов О. О. О рациональном использовании древесины на воздушных линия 110—220 кВ. — Известия АН СССР. Энергетика и транспорт, 1983, № 2.
- Крюков К. П., Тиходеев Η. Н., Филиппов О. О. Комбинированные деревянные опоры для воздушных линий электропередачи 35, 110 и 220 кВ. — Известия АН CCCI 1983, вып. 3, № 13.
- Дынкин В. Б., Желтов Е. А., Филиппов О. О. Опыт эксплуатации ВЛ 110 кВ на деревянных опорах с части ной шунтировкой древесины. — Электрические станции 1983, № 11.