Проблема повышения надежности и долговечности электросетевых конструкций - Примеры разрушений

Рис. 1.2. Разрушенная опора ПП-750 ВЛ 750 кВ Волынская АЭС — Жешув

Разрушения с 1971 по 1996 гг., свидетельствуют о значительном увеличении количества отказов металлических опор, вызванных преднамеренной разборкой конструкций посторонними лицами. Как правило, такие отказы сопровождаются большими объемами разрушений. Это объясняется, во-первых, тем, что разборке подвергаются несколько опор на линии, а во-вторых, полностью нарушается расчетная схема сооружения. Поэтому даже небольшие внешние нагрузки способны вызвать обрушение конструкций (рис. 1.2—1.4).

Рис. 1.3. Опора П-330 на ВЛ 330 кВ Североукраинская — Полтава после падения. а - общий вид; 6 — базы и элементы нижней части ствола опоры
Подтверждением сказанного является падение промежуточной П-образной опоры ПП-750 на линии 750 кВ Волынская АЭС — Жешув (ПНР) 3 апреля 1994 г. Двое местных жителей демонтировали 10 уголковых элементов решетки на правой (по ходу линии) стойке опоры и 22 элемента на левой. С 10 стержней были сняты болты. В результате этого пояса левой стойки опоры на отметке 2,5—3,0 м и в центральной части стойки потеряли устойчивость и конструкция обрушилась под действием собственного веса (рис. 1.2). При этом один из участников демонтажа был смертельно травмирован, а другой с множественными травмами доставлен в больницу. Осмотр линии после отказа показал, что элементы решетки были демонтированы еще на 30 опорах.

Примером массового разрушения конструкций, вызванного демонтажом их элементов, является падение четырех опор типа П330-Зт ВЛ 330 кВ Североукраинская — Полтава 21 мая 1996 г. (рис. 1.3). К моменту возникновения нарушения на опорах было снято от двух до шести элементов решетки. Разрушение наступило при скорости ветра более 30 м/с.

Рис. 1.4. Опора ПП-750 ВЛ 750 кВ после разрушения

На рис. 1.4 показана разрушенная опора ПП-750 ВЛ 750 кВ. Падение произошло при боковом ветре скоростью до 20 м/с вследствие демонтажа элементов решетки стоек. В нижней части стойки видны элементы решетки (темного цвета), установленные на месте демонтированных ранее уголков.
Обращает на себя внимание значительный рост отказов, вызванных снижением качества эксплуатации (табл. 1.6) по ряду объективных причин. Главная из них — нехватка материальных и технических средств на поддержание электросетевых конструкций в работоспособном состоянии. Однако едва ли будет правильным полностью снять ответственность с работников эксплуатирующих организаций. Введение строгой дисциплины на электроэнергетических предприятиях и ужесточение штрафных санкций по отношению к виновным в данных обстоятельствах было бы действенным профилактическим средством. По-прежнему высоким остается число случаев нарушения работоспособности ВЛ вследствие действия климатических нагрузок, превышающих расчетные. Ниже приведены несколько примеров отказов, причинами которых стали стихийные явления. 19 июня 1995 г. в Николаевском предприятии электрических сетей произошло обрушение железобетонной П-образной опоры ПВС-330-2м на линии 330 кВ Николаев — Херсон (рис. 1.5), находящейся в эксплуатации с 1980 г. Причиной разрушений стал ураганный ветер скоростью 17 м/с с порывами до 23 м/с.
В тот же день были разрушены три железобетонные опоры ПБ-16 ВЛ 330 кВ КРЭС-2 — Трихаты, построенной в 1963 г. Отказу способствовали дефекты изготовления конструкции: клин-коуш опоры № 133, обеспечивающий сцепление оттяжек с якорем, не имел предусмотренного проектом отверстия для шплинтования тросов. В результате этого усилия, воспринимаемые оттяжкой, были значительно ниже расчетных.
Это привело к падению опоры № 133 и увеличению нагрузок от проводов и тросов на две соседние опоры (№ 132, № 134), которые также были разрушены (рис. 1.6).

Рис. 1.5. Места изломов стоек опоры ПВС-330-2м ВЛ 330 кВ Николаев — Херсон:
а — правой; б — левой

В ночь с 10 на 11 января 1996 г. на проводах, тросах и конструкциях воздушных линий электропередачи ГАЭК «Хмельницкоблэнерго» отмечалось интенсивное гололедообразование. К утру толщина стенки гололеда в отдельных случаях доходила до 60—80 мм. Это привело к многочисленным повреждениям и разрушениям конструкций воздушных линий электропередачи 0,4—10 кВ, обрывам проводов и тросов. На ВЛ 110 кВ Хмельницкий-Загадынцы — ТПЛ-Восточная произошло падение двухцепной металлической опоры У110-УН. Недоотпуск электроэнергии превысил 100 МВт-ч.
Ветровые нагрузки, превышающие расчетные, привели к разрушению двухцепной опоры ПБ-110 ВЛ 110 кВ. В ГАЭК «Крымэнерго» с 5 по 14 февраля 1996 г. имели место массовые повреждения опор ВЛ 6—110 кВ. Разрушения были вызваны действием гололедно-ветровых нагрузок, превышающих расчетные. Толщина стенки гололеда достигала 20—150 мм. Общее число поврежденных опор на ВЛ 6—10 кВ — 1563 шт., на ВЛ 35 кВ — 21 шт., на ВЛ 110 кВ — 1 шт. Недоотпуск электроэнергии составил 923 МВт-ч.

Рис. 1.6. Разрушенный клин-коуш опоры № 134 ВЛ 330 кВ КРЭС-2 — Трихаты

В этих обстоятельствах предлагается повысить несущую способность электросетевых конструкций, увеличив период повторяемости нормативных климатических нагрузок. При этом ссылаются на зарубежные нормы, в которых якобы периоды повторяемости значительно выше принятых в ПУЭ и СНиП. Однако подобный подход скорее направлен на самоустранение работников эксплуатирующих организаций от вопросов обеспечения требований нормальной эксплуатации и ставит своей целью большую часть ответственности за аварии и отказы возложить на инженера-проектировщика. Есть ряд оснований, чтобы так утверждать. Во-первых, далеко не во всех случаях разрушения конструкций, произошедшие при неблагоприятных метеоусловиях, вызваны действием нагрузок, превышающих расчетные (см. выше). Во-вторых, не следует путать нормативные и расчетные периоды повторяемости нагрузок.
В ПУЭ (табл. 2.5.1, 2.5.3) приведены нормативные нагрузки (с периодами повторяемости 5—15 лет). В соответствии с положениями метода предельных состояний при определении усилий в элементах конструкций используются расчетные нагрузки, получаемые умножением нормативных на коэффициент надежности yf (для нагрузки от веса гололедных отложений у = 2, для ветровой нагрузки у = 1,4). В результате этого расчетные периоды повторяемости увеличиваются в несколько раз. Например, для ветровой нагрузки с нормативным периодом повторяемости 10 лет расчетные периоды для I и VII ветрового районов составляют соответственно 30 и 100 лет [9], что более чем достаточно. За рубежом, обычно, расчет конструкций ведут по методу допускаемых нагрузок. Поэтому в нормативных документах иностранных государств часто приведены нагрузки для расчетных периодов повторяемости.
Утверждения о более высокой несущей способности электросетевых конструкций, создаваемых в странах Западной Европы, США и Канады, по сравнению с отечественными, запроектированными для аналогичных климатических условий, также не состоятельны. Опоры ВЛ и порталы ОРУ, изготовленные за рубежом, значительно менее металлоемки и, следовательно, менее прочны (даже с учетом применения высокопрочных сталей). Достаточная надежность при этом обеспечивается за счет применения мощной антикоррозионной защиты, в первую очередь цинковых и комбинированных покрытий, а также строгого соблюдения технологических норм на всех стадиях строительного производства и эксплуатации.
В актах расследования нарушений работоспособности ВЛ электропередачи, вызванных хищением элементов конструкций, часто высказываются предложения создавать опоры ВЛ, которые могли бы воспринимать заданную нагрузку даже при демонтаже нескольких элементов. Однако задача проектировщика — разработать максимально экономичную конструкцию при соблюдении требований действующих нормативных документов, т.е. добиться минимума приведенных затратах и обеспечить минимально необходимую прочность. Многократное же резервирование и введение дополнительных элементов исключительно для обеспечения устойчивости сооружения при несанкционированном вмешательстве в его работу приведет лишь к увеличению стоимости ВЛ и едва ли предотвратит аварии и отказы.
В результате статистического анализа установлена повреждаемость основных типов металлических опор воздушных линий электропередачи (табл. 1.7), а также выявлены наиболее уязвимые конструктивные элементы стальных опор (табл. 1.8).

1.7. Распределение количества отказов металлических опор в зависимости от типа опоры ВЛ

1.8. Повреждаемость элементов опор ВЛ

Наиболее часто отказывают в работе элементы ствола опоры и узел опирания ствола на фундамент. Большая частота отказов узла опирания объясняется значительными коррозионными поражениями нижних частей опор ВЛ и большими величинами усилий, воспринимаемых узлом.
Статистическая обработка выборки отказов позволила также установить, что восстановление одной поврежденной опоры длится в среднем 17,05 ч. Эта величина характеризует ремонтопригодность опор ВЛ.
Линии электропередачи являются восстанавливаемыми объектами. Поэтому одной из основных характеристик их эксплуатационной надежности является параметр потока отказов (см. п. 2.1.1.). Зависимость потока отказов от срока эксплуатации характеризуется следующими параметрами: максимальным снижением потока отказов после периода приработки в момент времени значением со для срока службы 1 = 30 годам, началом t2 и концом t3 интервала времени, для которого значение параметра а> неизменно (рис. 1.7). Обработка статистической информации об отказах позволила установить, что для ВЛ напряжением 35—330 кВ на металлических опорах tl = 4 года, t2 = 12 лет и t3 = 25 лет.
Из анализа причин отказов ВЛ электропередачи следует, что поток отказов можно рассматривать как сумму двух компонентов. Первый обусловлен износом и старением элементов ВЛ и зависит от их срока службы, второй определяется случайными внешними воздействиями:
(1.1)
Параметр потока отказов первого вида — функция времени эксплуатации. Эти отказы вызваны коррозией и карбонизацией бетона конструкций, гниением древесины, коррозионным износом и старением металлических опор и арматуры железобетонных конструкций, износом электрической арматуры, проводов, тросов, изоляторов. Уменьшение составляющей а>1 (/) возможно за счет повышения качества эксплуатации и применения конструкций повышенной долговечности.

Рис 1.7 Зависимость параметра потока отказов от времени

Отказы второго вида связаны с действием сверхрасчетных климатических нагрузок, дефектами монтажа и изготовления, наездами на опоры или умышленными их повреждениями, пожарами, наводнениями, оползнями и другими внешними воздействиями. Параметр а>2 не зависит от длительности эксплуатации ВЛ, периодичности капитальных ремонтов, т.е. определяется случайными причинами. Поток отказов второго вида может быть уменьшен только увеличением первоначальных прочностных параметров конструкций и электрической арматуры, а также повышением качества строительства.

Список использованной литературы

1. Барг И. Г., Эдельман В. И. Воздушные линии электропередачи: Вопросы эксплуатации и надежности,— М.: Энергоатомиздат, 1985,— 248 с.
2. Инструкция по расследованию и учету нарушений в работе электростанций, сетей, энергосистем и энергообъединений — М.: Минэнерго СССР, 1983.— 43 с.
3. Окороков Р. В. Управление электроэнергетическими системами,— Л : Изд-во Ленингр. ун-та, 1976,— 224 с.
4. Повышение надежности ВЛ распределительных сетей при гололедно-ветровых нагрузках / А. С. Выскирка, М. К. Головатюк, С. Я. Княжевская и др. // Энергетическое строительство,— 1988,— № 4,— С. 36—39; № 6,—С. 34—43.
5. Правила устройства электроустановок/ Минэнерго СССР.— М.: Энергоатомиздат, 1987.— 648 с.
6. Расследование и учет технологических нарушений в работе электростанций, сетей и энергосистем: Инструкция.— К.: Минэнерго Украины, 1994,— 50 с.
7. Рекомендации для воздушных линий / Международная электротехническая комиссия,Технический комитет 11: Пер. с фран,— М.: Ин-т «Энергопроект», 1990,- 155 с.
8. Романов П. И. Оценка и пути повышения вероятности безотказной работы металлических опор линий электропередачи с учетом коррозионных потерь: Автореф. дис. канд. техн. наук.— Вильнюс, 1987.— 23 с.
9. Холмский Д. В. Методы обоснования параметров систем энергетики.— К.: Наук, думка, 1993,— 160 с.
10. Шаповалов С.Н. Повышение долговечности стальных опор линий электропередачи с учетом эксплуатационных требований: Автореф. дне. I. канд. техн. наук. — Макеевка, 1989,— 25 с.
11. Шпете Г. Надежность несущих строительных конструкций: Пер. с нем.— М.: Стройиздат, 1994,— 288 с.
12. Экономика энергетики СССР / А. Н. Шишов, Н. Г. Бухаринов, В. А. Таратин и др.— М.: Высш. шк., 1986,— 352 с.