Предупреждение гололедно-ветровых аварий на ЛЭП10,4110кВ сельскохозяйственного назначения - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Производство и ресурсы

Автор : Н.И. Марфин
5364
Предупреждение гололедно-ветровых аварий на ЛЭП10,4110кВ сельскохозяйственного назначения

За последние 10…15 лет на Украине наблюдаются систематические разрушения воздушных линий электропередачи (ЛЭП) сельскохозяйственного назначения 0,4…10 кВ от воздействия на них гололедно-ветровых нагрузок.

Из года в год эти повреждения повторяются и носят массовый характер, в результате чего на длительный период времени остаются без напряжения сотни сел (особенно в южных и некоторых восточных и центральных областях Украины).

Анализ аварий на ЛЭП показывает, что основными причинами их являются:

  1. Несоответствие прочностных характеристик принятых конструктивных элементов ЛЭП действующим нагрузкам из-за низкого качества их изготовления, а именно недостаточного преднапряжения стальной арматуры железобетонных стоек опор, применения цемента низких марок, нарушения технологической пропарки при их изготовлении (автор неоднократно принимал непосредственное участие в испытаниях таких опор).
  2. Применение не высушенной древесины для опор, некачественная пропитка древесины антисептиком; применение древесины для стоек опор с заниженным диаметром по верхнему отрубу и т.д.
  3. Низкое качество строительно-монтажных работ: заглубление стоек в сверленные фундаментные котлованы на отметки ниже проектных; отсутствие ригелей в фундаментной части стоек при установке в слабых грунтах; неудовлетворительные конструкции вязок проводов к изоляторам в гололедных районах.
  4. Неудовлетворительная эксплуатация ЛЭП: несвоевременная проверка древесины на предмет выявления ее загнивания; несвоевременная выправка древесины стоек опор, отклоненных от вертикальной оси больше нормы; несвоевременная замена изоляторов, разрушенных молниевыми ударами и т.д.
  5. Воздействие на линии электропередачи сверхрасчетных нагрузок (в основном гололедно-ветровых), что можно объяснить несоответствием принятых проектными организациями решений реальным климатическим условиям эксплуатации ЛЭП.

Возможные причины возникновения и развития аварий можно подразделить на ветровые, гололедные и аварии от совместного воздействия гололеда и ветра.

Ветровые аварии

Суммарная нагрузка на провод от его веса и действия ветра значительно меньше, чем от веса провода, гололедного отложения и ветровой нагрузки. В малогололедных районах вероятность обрыва провода значительно меньше вероятности поломки опор поперек линии. Основной причиной возникновения аварий при ветре без гололеда является поломка опор поперек линии или под углом к ней. В таких случаях поврежденная опора не падает на землю, так как длина провода всего на 20…30 см больше пролета между опорами (при длине пролета 70…80 м), а увеличение пролета между точками подвеса провода при падении опоры перпендикулярно линии составляет около 1 м, и опора зависает на проводах. В случаях хрупкого излома ее падение может привести к динамическому удару и обрыву проводов, а затем и к разрушению других опор вдоль линии. Повреждения опор такого вида маловероятны и могут произойти при ветре 30…40 м/с и более. При отсутствии гололеда тяжение проводов вдоль линии уменьшается из-за проскальзывания проводов через проволочную вязку к изолятору.

Аварии при гололеде без ветра

При отсутствии ветра или при слабом ветре (до 5…6 м/с) аварии на ЛЭП начинаются в основном с обрыва проводов под массой гололеда, изгиба штырей или крюков траверс. Как правило, при интенсивном гололеде не бывает случаев разрушения опор поперек линии (из-за отсутствия интенсивного ветра). В дальнейшем (после обрыва проводов) происходит каскадное разрушение промежуточных опор по принципу «падающего домино» от одностороннего натяжения оставшихся проводов вдоль линии на своем участке. Подобного рода аварии на ЛЭП отмечались и в Западной Европе и США. Так, например, в Дании зафиксирована авария с каскадным разрушением опор, когда на одной линии в течение 10 мин было разрушено 165 опор [1]. При интенсивном гололеде распределение повреждений проводов по их маркам более чем в 1000 пролетов характеризовалось следующим образом:

  • АС 35 – 29,1%
  • АС 50 – 3,1%
  • А 35 – 21,2%
  • А 25 – 44,8%
  • ПС 25, АС 16 – 1,8%

Как видно, большинство повреждений (66%) приходится на алюминиевые провода. Поэтому при строительстве ЛЭП следует исключить из применения в ІІІ и IV районах по гололеду (нормативная толщина стенки гололеда для высоты 10 м над поверхностью земли 10…20 мм) алюминиевые провода сечением 35 мм² и ниже. Что касается опор, то при интенсивном гололеде и отсутствии ветра практически не бывает случаев разрушения опор поперек линии. При выборе типа опор в гололедных районах следует отдавать предпочтение цельным длинномерным опорам из хорошо высушенной и качественно пропитанной древесины. Основным достоинством таких опор является их равнопрочность и гибкость во всех направлениях (как поперек, так и вдоль трассы линии). Коэффициент запаса прочности таких опор с диаметром в верхнем отрубе не менее 16 см равен примерно 3,5–4.

Анализ показывает, что разрушение деревянных опор с цельными стойками происходит при нагрузках, превышающих расчетные в 3–5 раз.

Гололедно-ветровые аварии

При этом разрушения опор на ЛЭП имеют самый разнообразный характер. Развитие аварий может произойти как от повреждения опоры по направлению действия ветровой нагрузки, так и от обрыва проводов. Это зависит от соотношения размеров гололедной и ветровой нагрузок, а также от марок проводов (алюминиевые или сталеалюминевые), их сечений, несущей способности опоры, типа опоры (железобетонная, деревянная цельная или составная с деревянной стойкой и железобетонной приставкой), длины пролета между опорами и целого ряда других факторов, способствующих появлению и развитию аварий.

Как уже отмечалось, во всех случаях, в том числе и в районах строительства ЛЭП с высокой степенью гололедно-ветровых нагрузок (III, IV и особый район по гололеду и скоростях ветра 21…40 м/с) следует отдавать предпочтение деревянным опорам с цельными стойками. Основными недостатками опор с цельными стойками являются подверженность быстрому загниванию фундаментной части опор (при некачественной пропитке), а также трудность получения таких стоек с лесозаводов (особенно в Украине). В настоящее время при строительстве применяют составные опоры из деревянной стойки и железобетонной приставки. Однако анализ аварий в распределительных электросетях 0,4 и 10 кВ, происшедших в ряде южных и центральных областей Украины за последние годы, показал, что такой тип опоры не отвечает климатическим характеристикам по гололеду и ветру. Основным конструктивным недостатком составных опор является то, что у них деревянная часть (верхняя стойка) имеет запас прочности 3,5–4, а железобетонная приставка (нижняя части опоры) – 1,6–1,8. Применение неравнопрочных с деревянной стойкой железобетонных приставок привело к тому, что при аварийных нагрузках на линии от гололеда и ветра происходят массовые повреждения приставок. Характер повреждения приставок различен: в большинстве своем они повреждаются в месте сочленения с деревянной стойкой или ниже на 5…10 см от комля стойки.

Повреждение железобетонной приставки на уровне нижнего отруба деревянной стойки

Рис.1 Повреждение железобетонной приставки
на уровне нижнего отруба деревянной стойки

Повреждение железобетонной приставки ниже уровня отруба стойки и на уровне грунта

Рис.2 Повреждение железобетонной приставки
ниже уровня отруба стойки и на уровне грунта

На рис.1 и рис.2 обозначены:

  1. деревянная стойка
  2. железобетонная приставка
  3. вязка стойки с приставкой
  4. место излома

Имеется также большое количество повреждений приставок на уровне земли или приставки.

Учитывая большой дефицит в древесине и конструктивные недостатки составных опор при строительстве ЛЭП сельскохозяйственного назначения на Украине, получили применение опоры из вибрированного бетона с преднапряженной арматурой, особенно на линиях 10 кВ. Очевидно, что проектными организациями в целях повышения надежности работы линий в тяжелых метеорологических условиях (с 10-летней повторяемостью гололедно-ветровых нагрузок) следует предусматривать железобетонные опоры с усиленной арматурой, ограничивая при этом длины как анкерных пролетов, так и пролетов между промежуточными опорами.

Следует отметить, что значительное большинство ЛЭП сельскохозяйственного назначения на Украине было построено в 1963–1985 гг. Как известно автору, принимавшему непосредственное участие в строительстве ЛЭП в центральных областях Украины, при проектировании конкретных линий максимальные нормативные скоростные напоры ветра на высоте до 15 м от земли и нормативные толщины стенок гололеда для высоты 10 м над поверхностью земли принимались по усредненным данным ІІ раздела «Правил устройства электроустановок» (ПУЭ, четвертое издание, 1966 г.).

Надо отдать должное головному институту Украины «Сельэнергопрект» и его областным подразделениям, что с их стороны при проектировании сельских электросетей проблеме гололедно-ветровых воздействий на линии уделялось серьезное внимание.

Определение расчетных климатических условий для расчета и выбора конструктивных элементов ЛЭП производилось на основании карт климатического районирования указанных ПУЭ с последующим уточнением по региональным картам и материалам многолетних наблюдений гидрометеорологических станций. При этом в зоне сооружаемой ЛЭП учитывались скорость ветра, удельный вес гололедно-изморозьевых отложений и температура воздуха. При обработке данных наблюдений учитывалось также влияние микроклиматических особенностей на интенсивность гололедообразования и на скорость ветра с учетом пересеченности рельефа местности, высоты над уровнем моря, наличия больших озер и водохранилищ (например, в русле реки Днепр), степени заселенности в районе прокладки трасс ЛЭП и др.

В настоящее время в министерстве топлива и энергетики Украины разработан проект нормативного документа «Климатические нагрузки на воздушные ЛЭП с учетом топографических особенностей. Методика определения». Этот документ содержит в себе основное положение и методику определения влияния на гололедно-ветровые нагрузки природных условий местности с учетом их топографических особенностей для конкретной проектируемой линии. При этом по данным местных метеорологических станций учитываются такие гололедно-ветровые характеристики:

  • наибольший и наименьший диаметр гололеда;
  • тип гололедных отложений;
  • удельный вес отложений;
  • преимущественное направление ветра в процессе гололедных отложений на провода ЛЭП;
  • скорость ветра и угол направления по отношению к продольной оси линии.

Разумеется, учет всех нагрузок, особенно конкретных топографических особенностей трасс проектируемых линий, позволит выбрать наиболее оптимальные конструкции опор, марки проводов, длины пролетов и, главное, оптимальные направления трасс линий. Однако, по нашему мнению, такой подход к выбору трасс линий и их конструктивных характеристик возможен лишь для большепролетных линий высоких классов напряжений (110 кВ и выше), когда имеется возможность пересекать посевные площадки сельхозугодий значительных размеров.

Дело в том, что строительство сельских электросетей 0,4…10 кВ на Украине (и ранее, и в настоящее время) осуществляется на территориях интенсивного земледелия. Под указанные линии отводятся трассы только вдоль дорог и лесополос или по территориям, непригодным для земледелия. Вынос ЛЭП с полей севооборота (а это так и должно быть) требует не только увеличения длины и стоимости линии, но и не дает возможности оптимизировать направление трасс с учетом их топографических особенностей и реальных климатических нагрузок.

При выборе конструктивных элементов опор следует уделять внимание еще и конструкциям траверс и способам вязки проводов к изоляторам.

В нормальном режиме траверсы промежуточных опор удерживают провода от вертикальных и горизонтальных смещений. Они воспринимают массу проводов, гололедные отложения и ветровую нагрузку, также возможную разность тяжений проводов вдоль линии при прохождении ее по местности с уклоном при разных по длине пролетах, при порывах ветра и сбросе гололедных отложений с проводов. Произведенные расчеты для типовых деревянных и железобетонных опор ЛЭП 10кВ со штыревыми изоляторами показывают, что возможные разности тяжений проводов во всех перечисленных случаях не превышает 30…70 даН.

Казалось бы, при обрыве провода в середине пролета от массы гололеда провод под действием продольного тяжения должен проскользнуть в месте вязки его к головке изолятора, накрученного на штырь траверсы. Однако этого не происходит. При гололеде не только провод, но и его вязка к изолятору и сам изолятор покрываются толстым слоем чистого льда – коркой толщиной от 15 до 50 мм, представляющей собой своего рода ледяной припой. Проведенные эксперименты показали, что продольные усилия тяжения оборванного провода, намертво скованного с вершиной опоры (с головкой изолятора), превышает 250…380даН, а это уже сопряжено с последующим каскадным повреждением опор от тяжения оставшихся проводов вдоль линии электропередачи.

Как видно, силы тяжения проводов вдоль линии передаются на опоры через соединительные элементы, располагаемые на верхней части опор, а именно траверсы, вязки проводов к изоляторам, крюки или штыри, изоляторы и способы их крепления на штырях (просмоленная пакля или полиэтиленовые насадки с резьбой). Следовательно, звено, уменьшающее влияние тяжениями оборванного провода вдоль линии, можно создать только в указанных соединительных элементах. Поскольку существующие металлические траверсы промежуточных опор не имеют устройств податливости, способом защиты стоек железобетонных опор от повреждений продольными тяжениями оставшихся проводов может быть только такой способ крепления провода к шейке изолятора, который позволял бы проводу проскальзывать в месте вязки к изолятору во время гололеда.

К сожалению, на сегодняшний день такой конструкции вязки провода к изолятору не разработано.

Дело в том, что в гололедно-изморозевый период главную роль играет не сам способ крепления провода к изолятору, а наличие ледяного покрова в месте вязки провода. При проведении экспериментов по выбору различных вязок было установлено, что при наличии ледяной спайки провода с изолятором даже простейший способ вязки провода к шейке изолятора обыкновенной швейной ниткой не обеспечивает желаемого проскальзывания провода во время его обрыва.

Были попытки применить для крепления провода к изолятору посредством укладки его в разрезной полимерный раструб (автор Н.Т. Попов, Укрсельэнергопроект), исключающий возможность ледяной спайки провода с изолятором и, главное, обеспечивающий проскальзывание провода при его обрыве. Однако далее экспериментов дело не пошло. С одной стороны, это было сопряжено с определенной трудностью изготовления раструбов. С другой стороны, как показали исследования автора настоящей статьи [3], любые изделия на полимерной основе при размещении их на открытом воздухе подвержены ультрафиолетовому излучению солнечного света. Это приводит к почти значительному снижению прочностных характеристик изделия (предел прочности и относительное удлинение) через 1,5…3 года.

Выводы

При строительстве ЛЭП 0,4…10 кВ в районах со сложными климатическими условиями (в основном с интенсивными гололедно-ветровыми нагрузками) из всех возможных вариантов следует отдать предпочтение:

  • усилению механической прочности опор в направлении вдоль линии электропередачи;
  • созданию звеньев, уменьшающих силу тяжения проводов вдоль линии;
  • применению сталеалюминевых проводов;
  • сокращению длин пролетов, как анкерных, так и пролетов между промежуточными опорами;
  • применению плавки гололеда токами короткого замыкания на проводах линии электропередачи по известным методикам.

Литература

  1. Jansen Josef. Hochpannungsfreileitung // Elektrotechnische Zeitschrift, – 1976. – A9, 12. – S.732–733.
  2. Турбин В.С. Усовершенствование методов изучения климатических нагрузок на воздушные линии с учетом топографических особенностей местности // Энергетика и электрификация. – 2007. – №10.
  3. Марфин Н.И. Исследование свойств полиэтилена в условиях атмосферного старения // Электротехника. – 2006. – №6. – С.27–28.
Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus