Проблема повышения надежности и долговечности электросетевых конструкций - Анализ состояния эксплуатируемых электросетевых конструкций

Надежность работы конструкций электросетевого строительства обусловлена совокупностью целого ряда факторов. Выявить истинные причины отказов опор ВЛ и порталов ОРУ и наметить основные пути их совершенствования можно только на основании анализа статистических данных о повреждаемости конструкций. Отказы являются единственным критерием проверки правильности теоретических предпосылок. Причем объективная оценка причин нарушения работоспособности возможна лишь при обработке достаточно представительной выборки поврежденных конструкций, позволяющей избежать субъективных оценок.
Для опор ВЛ электропередачи и порталов ОРУ характерно большое число однотипных элементов и конструкций. Это позволяет создать единую основу для сбора статистической информации. Наиболее распространенная и доступная методика получения информации о надежности — сбор и обработка информации об эксплуатации опор ВЛ и порталов ОРУ в энергосистемах. Значительный опыт получения такой информации был накоплен в ПО «Союзтехэнерго» (ОРГРЭС).
До середины 70-х годов случаи аварий и отказов не систематизировались и нет возможности подвергнуть их детальному анализу. Существует лишь обзорная информация «Союзтехэнерго» по отказам. Впоследствии в ПО «Союзтехэнерго» была внедрена единая централизованная система сбора информации о нарушениях в работе ВЛ электропередачи и ОРУ подстанций. В СССР нарушения в работе электрических сетей учитывались в соответствии с инструкцией как аварии, отказы в работе I или II степени и потребительские отключения. Под аварией и отказом понимается случайное событие, заключающееся в нарушении работоспособности элементов ВЛ (или ОРУ) и приводящее к перерыву в электроснабжении потребителей, недоотпуску электрической энергии и (или) необходимости проведения восстановительного ремонта. Причиной аварий или отказов, как правило, служит потеря электрической или механической прочности элементов линии (ОРУ), а также временные самоустраняющиеся факторы. Потребительские отключения линий для ремонтов, технического обслуживания и подобных мероприятий к числу отказов не относят.
В настоящее время система сбора и обработки информации о нарушениях в работе электрических сетей создана в Минэнерго Украины. Учет нарушений работоспособности выполняется согласно инструкции.
Анализ отказов ВЛ по элементам показывает, что опоры являются достаточно надежным элементом линий электропередачи. Значительное число отказов ВЛ является следствием повреждения изоляторов и проводов. Только 30—35% случаев отключений связано с повреждением элементов опор. Однако разрушения опор имеют наиболее тяжелые последствия для линий электропередачи и приводят к большим затратам, связанным с восстановлением ВЛ и недоотпуском электроэнергии.
Отказы ОРУ, как правило, связаны только с нарушением работоспособности электрооборудования. Это объясняется доступностью конструкций порталов ОРУ для осмотров и профилактических проверок и возможностью своевременного проведения ремонта или замены изношенных конструкций. Начиная с 1991 г. в Украине зарегистрирован лишь один случай обрушения портала. Причина отказа — некачественное выполнение узла опирания траверсы.
Существенным отличием ВЛ от всех других типов сооружений является большая протяженность. Вследствие этого контроль технического состояния конструкций осуществляется лишь периодически, что существенно повышает вероятность их разрушения из-за несвоевременного обнаружения отклонений. Не исключена возможность попадания отдельных участков ВЛ в зоны, где микроклимат существенно отличается от расчетных климатических условий района строительства. Уровень повреждаемости ВЛ и ОРУ определяется условиями их эксплуатации и особенностями конструктивных решений. Опыт эксплуатации показал, что повреждаемость стальных опор ВЛ 35—750 кВ примерно в два раза ниже, чем железобетонных опор ВЛ 35—500 кВ. Для металлических опор отношение количества конструкций, поврежденных в течение года, к общему их числу составляет 1,3х10~4. По рекомендациям МЭК для опор соответствующих классов напряжений показатель удельной повреждаемости составляет 1,0x10.
Основная причина значительной разницы в повреждаемости металлических и железобетонных электросетевых конструкций заключается в сильной зависимости несущей способности последних от качества заделки их в грунт. Часто железобетонные опоры и порталы под действием внешних нагрузок приобретают крен. Это создает дополнительный изгибающий момент в стойке опоры (портала), вызванный значительной собственной массой конструкций и способствующий дальнейшему увеличению их наклона. В результате этого несущая способность конструкций резко снижается и увеличивается вероятность падения.
Другая причина уменьшения надежности железобетонных опор и порталов — большое число скрытых дефектов конструкции, которые практически невозможно выявить при строительстве и эксплуатации ВЛ и ОРУ. 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.
Крен металлических электросетевых конструкций из-за неудовлетворительного закрепления в грунте наблюдается весьма редко, а большинство дефектов и повреждений выявляются в процессе профилактических проверок и осмотров. Поэтому основная причина разрушения металлических опор и порталов — превышение реальных нагрузок и воздействий над расчетными и значительный коррозионный износ элементов при длительной эксплуатации.
Высокая эксплуатационная надежность стальных опор ВЛ объясняется также изотропностью стали и возможностью развития локальных пластических деформаций в зонах конструктивно-технологических несовершенств элементов конструкций как при нормальных эксплуатационных воздействиях, так и при случайных перегрузках. Склонность стали к значительным пластическим деформациям создает возможность
перераспределения усилий в опоре при перенапряжении определенной части ее элементов и вовлечения в работу менее нагруженных элементов конструкции без нарушения работоспособности опоры в целом.
К наибольшему числу отказов ВЛ 35—500 кВ в расчете на 100 км трассы приводят повреждения деревянных опор. Количество нарушений в работе деревянных электросетевых конструкций на порядок выше, чем у конструкций из других материалов. При практически одинаковых внешних воздействиях высокий уровень повреждаемости ВЛ на деревянных опорах может быть объяснен значительной потерей прочности вследствие загнивания и невозможностью своевременно выявить и заменить пораженные в процессе эксплуатации детали деревянных опор. В то же время при вводе в эксплуатацию деревянные опоры по сравнению с железобетонными и стальными обладают гораздо большими запасами прочности. Ниже приведены результаты статистического анализа отказов стальных опор ВЛ, выполненного на основании карт отказов ВЛ за 1977— 1990 гг., содержащиеся в картотеке ПО «Союзтехэнерго».
К сожалению, эксплуатирующими организациями в картотеку заносились не все события, учет которых предусмотрен инструкцией. Отдельные карты составлены формально, причины отказов не выявлены или указаны необоснованно. В ряде карт не указываются отказавшие элементы или узлы, характер отказа, отсутствуют другие данные. Часто при превышении фактическими нагрузками расчетных (в результате воздействия ветра, гололеда и т.п.) не указывается очаг разрушения. Это приводит к потере ценной информации об отказах конструкций опор ВЛ. Частично компенсировать теряемую информацию позволяет изучение всей выборки отказов стальных опор ВЛ.
Классификация причин отказов ВЛ выполнена с учетом особенностей режима работы и условий эксплуатации опор ВЛ и включает три основные группы: превышение расчетных нагрузок и воздействий; низкое качество проектирования, изготовления, монтажа, эксплуатации конструкций; непредвиденные причины (табл. 1.4).
В значительной степени аварийность ВЛ обусловлена недостаточным учетом всех климатических факторов в зоне прохождения трасс ВЛ, несовершенством расчетных методик по выбору проводов и типов опор, а также неудачными конструктивными решениями.
Более половины отказов опор (58,26%) вызвано действием гололедно-ветровых нагрузок, превышающих расчетные, на провода, тросы и строительные конструкции. Такие нарушения работоспособности ВЛ сопровождаются большими объемами разрушений и наносят существенный ущерб экономике страны. На устранение их последствий требуется 5—10 сут. Обычно они являются следствием недоучета при проектировании фактических ветровых и гололедных нагрузок, а также их сочетаний.

* Данные в табл. 1 4, на рис 1 1 приведены для периода, исчисляемого от времен внедрения единой централизованной системы сбора информации о нарушениях в работе ВЛ и ОРУ (1977 г.) до 1991 г

Сложность учета всех климатических воздействий на воздушные линии электропередачи подтверждается данными ОРГРЭС: более 50% всех отключений ВЛ 35—500 кВ происходит из-за влияния нагрузок и воздействий, превышающих расчетные, и в результате атмосферных перенапряжений. Причем в целом повреждаемость электросетевых конструкций не снижается (рис. 1.1).
Однако к гололедно-ветровым авариям часто относят отказы, причиной которых были дефекты изготовления или эксплуатационные повреждения (например, коррозионный износ элементов опор). При значительных объемах разрушений разобраться в истинных причинах потери работоспособности конструкций практически невозможно. Возникновение на участках ВЛ нагрузок, превышающих расчетные, как правило, не является основной причиной разрушения элементов линии. Тщательное изучение актов аварий показывает, что обычно имеются конкретные очаги зарождения разрушений. Анализ отказов свидетельствует о том, что в большинстве случаев разрушения при ветре (гололеде), превышающем расчетные значения, наблюдается у опор со сроком эксплуатации более 10—15 лет, а также у опор, в которых появились дефекты и повреждения в процессе изготовления, монтажа, эксплуатации. Число случаев, в которых причиной является только ураганный ветер и при этом конструкция эксплуатировалась менее 10 лет, не превышает 15% общего числа.

Рис. 1.1. Распределение количества отказов электросетевых конструкций по годам

В 21,2% случаев причины зарегистрированных отказов были непредвиденными. Разрушение происходило в результате наездов транспорта, при проведении вблизи линий электропередачи взрывных работ. Имели место случаи повреждения опор во время пожара газо- и нефтепроводов, во время ледоходов, в результате демонтажа элементов опор посторонними лицами.
Статистические исследования по данным 1971 —1982 гг. (1) показали, что структура распределения отказов, приведенная выше для металлических опор, сохраняется и для деревянных и железобетонных конструкций (табл. 1.5). С начала 90-х годов соотношение между различными причинами отказов электросетевых конструкций существенно изменилось (табл. 1.6).

1.5. Структура отказов железобетонных и деревянных опор ВЛ в бывшем СССР

1.6. Структура отказов металлических, железобетонных и деревянных опор ВЛ 6—750 кВ в Украине (поданным 1991—1996гг.)             

Примечания. I. Вследствие того, что общее число отказов, зарегистрированных в Минэнерго Украины на протяжении 1991—1995 гг., невелико, достоверность данных существенно ниже приведенных в табл. 1.4, 1.5.
2. Общее число поврежденных металлических опор за рассматриваемый период составило 83 шт, железобетонных — 4417 шт., деревянных — 617 шт.