Исследование влияния климатических нагрузок на надежность электроснабжения

Введение 4
1 Анализ научно-технической литературы по теме влияния ветровой нагрузки на работу линий электропередачи 8
1.1 Наблюдения за сближениями проводов воздушных линий электропередачи 8
1.2 Теоретические исследования сближений проводов при их колебаниях под действием ветра 13
1.3 Мероприятия по ограничению опасных сближений и повреждаемости проводов воздушных линий в гололедно-ветровых режимах 16
2 Исследование влияния климатических нагрузок на надежность электроснабжения 25
2.1 Влияние меняющихся ветровых нагрузок на надежность 25
воздушных линий электропередачи в различных регионах России 25
2.2 Оценка вариации ветровых нагрузок за период 1981 – 2020 гг. 27
2.3 Исследование эффективности применения современных марок проводов типа АСВТ 35
3 Математическое моделирование влияния ветровой нагрузки на сближение проводов воздушных линий электропередачи 41
4 Компьютерное моделирование скорости потока ветра и ветрового напора вблизи проводов различной конструкции 59
Заключение 92
Список литературы 95

Весь текст будет доступен после покупки

Современные тенденции энергопотребления предъявляют повышенные требования к надежности и бесперебойности электроснабжения. Недоотпуск электроэнергии, перерывы в электроснабжении промышленных предприятий и индивидуальных потребителей влекут за собой как прямой экономический ущерб, связанный с его восстановлением, так и технологический, обусловленный порчей производимой продукции. Электроснабжающие организации при этом также терпят убытки из-за неоплаты недоотпущенной электроэнергии. Следовательно, потребитель и производитель электроэнергии являются заинтересованными сторонами в повышении надежности электроснабжения.
Надежность электроснабжения потребителей непосредственно связана с аварийными отключениями электрических сетей, наибольшее число которых приходится на воздушные линии электропередачи при воздействии ветровых и гололедно-ветровых нагрузок. Так, в 2004 г. из-за воздействия ветровых нагрузок, образования на проводах гололеда, налипания, мокрого снега были отключены 42 линии напряжением 6-10 кВ в Псковской, 47 линий в Волгоградской областях; по данным ОАО «Комиэнерго» было повреждено 100 км BЛ 10 кВ в Койгородском районе. В результате массовых аварийных отключений BЛ 6-10 кВ в условиях воздействия ветровых и гололедных нагрузок было нарушено электроснабжение 35 населенных пунктов во Владимирской, 64 населенных пунктов в Рязанской областях.
Большинство аварийных отключений при воздействии ветровых и гололедно-ветровых нагрузок связано с различными низкочастотными колебаниями проводов, вызывающими их сближения на опасные в изоляционном отношении расстояния, короткие замыкания и обрывы. Однако до настоящего времени характер и параметры взаимных перемещений проводов малых сечений в различных динамических режимах (несинхронные раскачивания проводов, при ветре, пляска, подскок провода при опадении гололедно-изморозевых отложений) малоизучены и не учитываются при выборе расстояний между проводами по условиям их сближения в пролете ВЛ 6-10 кВ. Применяемые на ВЛ 35—500 кВ известные устройства для подавления колебаний проводов, и ограничения их сближений на ВЛ 6-10 кВ малоэффективны, т.к. не учитывают их конструктивные особенности. Поэтому повышение надежности, сельских ВЛ 6-10 кВ путем снижения их аварийных отключений в условиях воздействия ветровых и гололедно-ветровых нагрузок является актуальной проблемой, имеющей большое значение.

Весь текст будет доступен после покупки

1 Анализ научно-технической литературы по теме влияния ветровой нагрузки на работу линий электропередачи
При воздействии ветровых и гололедных нагрузок происходят сближения проводов воздушных линий электропередачи на опасные в изоляционном отношении расстояния и даже их схлестывания, что вызывает массовые и продолжительные отключения потребителей, нанося им значительный экономический ущерб. Теоретическому и экспериментальному исследованию сближения проводов и разработке мер по их ограничению посвящено много научных работ.


1.1 Наблюдения за сближениями проводов воздушных линий электропередачи

Сближения и схлестывания проводов в пролетах воздушных линий электропередачи наблюдаются часто [1, 3, 27, 34, 38, 40, 58, 68, 77] и происходят, в общем случае, при следующих условиях:
– из-за раскачивания проводов разных фаз под действием электродинамических усилий при прохождении токов короткого замыкания;
– при подскоке проводов из-за сброса мокрого снега или гололедно- изморозевых отложений;
– при возникновении низкочастотных колебаний (пляски) проводов со значительной амплитудой;
– при несинхронных раскачиваниях фазных проводов в пролете под действием ветра.
Сближение проводов при сбросе гололедных отложений изучено недостаточно. Имеются теоретические и экспериментальные исследования подскока проводов в вертикальной плоскости при сбросе грузов, имитирующих гололедную нагрузку, применительно к ВЛ 35-220 кВ [12, 19, 33, 35, 52]. В ряде работ [3, 20, 32, 84] указывается на возможность опасных сближений между проводом, нагруженным гололедом и проводом, освобожденным от него.
Особенностью поведения проводов BЛ 6-10 кВ является их значительное закручивание под действием эксцентричной нагрузки, возникающей при образовании одностороннего гололеда. При опадении гололедных отложений возникающие упругие силы сопротивления крутящему моменту приводят к сложным формам перемещения провода. На сложную форму перемещения проводов указывали О. Г. Вексельман [18] и А. А. Глазунов [27]. Горизонтальные отклонения проводов при таких перемещениях увеличивают вероятность их опасных сближений. Однако, в научных работах отсутствуют данные о величине и характере перемещения (подскока) проводов при сбросе гололеда в пролетах BЛ 6-10 кВ.
Значительная часть опасных сближений и схлестываний связана с динамическим поведением проводов при пляске и порывистых ветрах [9, 23, 60, 64, 68]. В работе [60] показано, что по этим причинам в энергосистемах происходит до 50% продолжительности аварийных перерывов электроснабжения.
Пляска проводов как фактор, снижающий надежность работы воздушных линий электропередачи, исследуется давно. Проблема пляски занимает значительное место в работах В. В. Бургсдорфа, Р. М. Бекметьева, И. И. Власова, Э. С. Глебова, А. Я. Либермана, Е. П. Миронова, Д. С. Савваитова, В. А. Шкапцова, Л. В. Яковлева, а также зарубежных исследователей Дж. Ден-Гартога, В. Даниеля, Ж.-Л. Лильена, Дж. Ратковского, А. Ричардсона, А. Эдвардса.
Особое внимание в работах этих авторов уделено наблюдениям за пляской проводов ВЛ 110 кВ и выше, так как считалось, что повторяемость пляски на линиях с проводами большого диаметра значительно выше, чем на линиях относительно низкого класса напряжения с проводами малого диаметра [10, 13, 24, 41]. Однако опыт эксплуатации в электросетевых предприятиях Башкирской энергосистемы приводит к противоположному выводу: пляска проводов ВЛ 6-10 кВ наблюдается чаще, чем в сетях 35—110 кВ, и практически распространена по всей территории Башкирии [64, 68, 69]. Так, за период с 1967 по 1971 гг. из-за пляски проводов ежегодно повреждалось 12...38% общего числа В Л 6-10 кВ [64].
Исследования пляски проводов BЛ 6-10 кВ выполнены в работах Ф. X. Усманова и Ю. Ж. Байрамгулова [7, 64, 65, 66, 67, 68, 69]. В них приведен анализ повреждаемости элементов пролета BЛ при пляске, выполнены наблюдения за пляской проводов малых сечений в полевых условиях с фиксированием ее основных параметров и сопутствующих метеорологических условий, определены усилия, действующие на элементы пролета в процессе пляски. Результаты исследований показали необходимость координации расстояний между проводами BЛ 10 кВ по условиям их опасных сближений при пляске.
Определяющим параметром пляски при оценке возможных сближений проводов является ее амплитуда. В большинстве работ, выполненных на основе наблюдений, приводится лишь величина двойной амплитуды (размаха) пляски проводов, которая на ВЛ-6-10 кВ достигает 2...3 м [42, 64], на BЛ 35 кВ - 4 м [42], на ВЛ 110-330 кВ - 6 м [10, 37, 60], на ВЛ 500 кВ - 7 м [28], а в отдельных случаях 10 м [16, 42]. Однако данные приведены без соотношения к стрелам провеса проводов, что затрудняет оценку возможности их опасного сближения.
Амплитуда пляски является случайной величиной и зависит от многих независимых факторов: аэродинамических характеристик профиля провода с гололедом, скорости и направления ветра, механических параметров провода в пролете.
В работах [9, 25, 45, 68, 70, 72] отмечается, что раскачивание проводов под действием ветра распространено повсеместно и наблюдается в течение года то в одном, то в другом пункте сети. Проведенные исследования показали, что 62,5% аварийных отключений BЛ 10 кВ по причине опасных сближений и обрывов проводов произошли при сильных и порывистых ветрах.
В ряде работ отмечается, что тяжения проводов разных фаз и нагрузки на них от гололеда и ветра не бывают одинаковыми, при этом условия колебаний отдельных проводов оказываются различными, что приводит к их несинхронным раскачиваниям и взаимным сближениям в пролетах: в [27] — на примере многолетней работы одного из переходов линии 110 кВ через реку Оку, в [9] - на основе анализа работы BJI 10-220 кВ в Кустанайской области, в [13] - по наблюдениям на опытном пролете в долине Силуга. Данные о величинах сближений проводов в опытных пролетах и на действующих BЛ разного класса напряжений приведены в работах Р. М. Бекметьева [8, 9, 10], Л. Б. Гарцмана и У. Умурзакова [26, 63], Ф. И. Чеботаря [79, 83], В. Е. Бучинского [17].
Существенный интерес представляют расстояния между проводами при их сближениях в зависимости от скорости ветра. Р. М. Бекметьев в работе [8] отмечает, что проведенные исследования не дают оснований для установления жесткой связи между исследуемыми величинами и что более целесообразно говорить о границах изменения сближения проводов при различных уровнях скорости ветра. Показано [8, 9], что в пролете 250 м с проводами АС-95/16 при скорости ветра 20 м/с максимальные сближения двух горизонтально расположенных проводов не превышали 0,4... 0,5 м. Аналогичные данные получены сотрудниками Управления Бонневильской энергосистемы (Bonneville Power Administration) [47] на опытном пролете длиной 270 м с двумя сталеалюминиевыми проводами сечением 400 мм2. Относительно небольшие величины сближений проводов, очевидно, объясняются тем, что опыты во всех случаях проводились при одинаковых стрелах провеса и отсутствии их разрегулировки. Стрелы провеса оказывают существенное влияние на демпфирующие и частотные характеристики проводов [45, 71], а их различие усиливает несинхронность раскачиваний проводов при ветровых нагрузках, что и приводит к их опасным сближениям и схлестываниям. Однако в научных работах отсутствует информация о проведении исследований влияния разрегулировки стрел провеса на эти характеристики и расстояния между проводами малых сечений при их сближениях под действием ветра.
Требует уточнения величина угла между направлением ветра и осью пролета, при которой снижается вероятность опасных сближений проводов применительно к BЛ 6-10 кВ. В работе Р. М. Бекметьева [9] сделан вывод, что при углах более 30° изменение направления ветра не влияет на максимальные сближения проводов, а в работе В. Е. Бучинского [17] указывается на то, что при углах ветра к линии связи менее 45°, касание проводов маловероятно.
Одним из спорных вопросов является влияние длины пролета на величину максимальных сближений проводов. В ряде работ [17, 47] на основе выполненных исследований и наблюдений указывается, что с увеличением длины пролета вероятность опасных сближений проводов увеличивается. Однако имеются и высказывания противоположного характера [9, 10, 21, 22, 44, 72]. Установление истинности в этом вопросе применительно к проводам малых сечений потребовало проведения теоретических исследований.
Наблюдения В. Е. Бучинского, выполненные на опытной линии связи Дебальцевской гололедной станции [17], показали, что в результате образования гололедных отложений на проводах, их раскачивания при ветре становятся несинхронными даже при небольшой разнице в провесе и наблюдаются случаи касания проводов. Делается предположение, что это связано с увеличением момента инерции провода.
Опыт эксплуатации и проведенные исследования показали высокую повреждаемость ВЛ 6-10 кВ из-за опасного сближения проводов при ветре. Анализ аварийных отключений ВЛ 10-220 кВ в Кустанайской области [9] показал, что из 424 повреждений проводов, вызванных воздействием ветра, 386 (91%) имели место на ВЛ 10 кВ. На высокую повреждаемость из-за сближений и схлестываний проводов при ветре называют результаты статистических анализов аварийности сельских ВЛ 6-10 кВ в ряде энергосистем России и стран ближнего зарубежья [2, 4, 11, 25, 30, 31, 55 - 57, 70, 73 - 75, 78, 82, 85]. Так, в электросетевых предприятиях АО «Росговэнерго» отключения из-за обрывов и схлестываний проводов составляют 24% [74, 85], Гомельской энергосистемы - 35,6% [55]; Украины — 54,6% [25], Кировабад-Казахской зоны Азербайджана — 69% [2]. Следует отметить, что фактическая повреждаемость по этим причинам еще выше, так как опасные сближения проводов возникают и исчезают внезапно, что затрудняет возможность их обнаружения, особенно в сложных метеорологических условиях (метель, буран, плохая видимость и т.д.) и часто они относятся к категории отключений по неизвестным или невыясненным причинам (составляют до 33,4...47,7% согласно данным, приведенным в работах [5, 11, 50]).


1.2 Теоретические исследования сближений проводов при их колебаниях под действием ветра

Взаимные перемещения проводов при маятниковых раскачиваниях под действием ветра изучены недостаточно. Первые попытки представить модель колебаний проводов с целью оценки возможных межфазовых расстояний были предприняты в 40-х годах венгерскими исследователями Л. Веребели и А. Матиксом, а в 1960 г. — их соотечественниками, О. Гезти и Г. Людвигом. Л. Веребели и А. Матикс представили раскачивания провода линии электропередачи в виде колебаний маятника с длиной, равной стреле провеса провода. О. Гезти и Г. Людвиг рассматривали движение физического маятника с массой, подвешенной на пружине. В обоих случаях предлагалось определять расстояния между проводами на основе экспериментальных диаграмм (эпюр) колебаний двух маятников с разными сдвигами фаз.
Т. А. Тищенко [61, 62] принимает ветровую нагрузку близкой к гармонической и описывает маятниковые колебания одиночного провода электропередачи нелинейным уравнением Дуффинга. Показано, что при частоте ветровой нагрузки, близкой к собственной частоте провода, амплитуда маятниковых колебаний будет наибольшей. Однако, такая модель не позволяет производить оценку расстояний между двумя проводами при их взаимных перемещениях.
В работе болгарских исследователей Н. Генкова и К. Тагарова расстояния между проводами определялись на основе полученного уравнения движения одиночного провода под воздействием ветра. Решая это уравнение в отдельности для каждого из двух горизонтально расположенных проводов с разными параметрами, определяли угловые отклонения проводов по времени и вычисляли расстояния между проводами, выделяя их минимальные значения. При расчетах принимали, как и в работах [61, 62], что воздействие ветра изменяется по гармоническому закону.
Однако, воздействие ветра носит порывистый характер и представляет последовательность порывов с разными промежутками (паузами) между ними, при этом, как показано в работе В. В. Холодова [77], возможность резонансных явлений исключается. Именно при таких порывистых ветрах на практике наблюдаются опасные сближения и схлестывания проводов.
К. П. Крюков, А. И. Курносов и. Б. П. Новгородцев в работе [40] расстояния между проводами при их свободных раскачиваниях определяют в периоды пауз между порывами ветра, когда возникают наибольшие сближения проводов, при этом период раскачивания, по утверждению Р. Я. Федосенко [72], должен быть менее 5 секунд. Аналогичный подход используется и в работе Н. Еенкова, Г. Динева. Провод заменялся маятником с длиной, равной 2/3 величины стрелы провеса провода. Уравнение колебаний маятника решалось на моделирующем устройстве. Решение, полученное в виде осциллограмм, использовалось при определении, минимальных значений расстояний между проводами при их сближениях.
Во всех рассмотренных моделях перемещения двух проводов аналитически не связаны, не зачитывались изменения их демпфирующих характеристик, расстояния между проводами определялись только для середины пролета. На ВЛ 6-10 кВ короткие замыкания между фазными проводами возникают и в других зонах по длине пролета, что подтверждается опытом их эксплуатации. Поэтому потребовалось составление математической модели взаимных перемещений проводов малых сечений, учитывающей изменение их демпфирующих и частотных характеристик при разрегулировке стрел провеса и позволяющей определять расстояния между проводами на любом участке по длине пролета.
При теоретических исследованиях, как указывалось выше, раскачивания проводов электропередачи под действием ветра рассматривают в виде колебаний маятника, причем расчетная длина последнего в литературных источниках принимается разной. Так, в работах [29] длина маятника равна 0,5 величины стрелы провеса провода, в работе [81]— 0,53, в работах [40] - 0,67, а в работах [61, 62] — 2/?.
Следует отметить, что имеются работы [36, 46, 81], в которых рассматривается решение уравнения вынужденных колебаний провода электропередачи под действием случайных возмущений от ветрового давления, при этом, как отмечается, необходимо знать такие характеристики, как спектральную плотность скорости ветра в каждой точке, взаимную спектральную плотность скорости ветра в двух различных точках, а также частотную характеристику функции отклика данной колебательной системы. Результаты этих исследований не позволяют оценить возможные сближения проводов при ветре. Правда некоторые попытки описать вариации горизонтального расстояния между проводами были предприняты в работах, однако в силу математических трудностей при описании этих процессов результаты носили чисто качественный характер и не могут быть применены на практике.
В работах [3, 6, 42] для выбора схемы расположения проводов и грозозащитных тросов на BЛ 35-500 кВ предлагается определять расстояния между ними по условиям пляски. Принимается, что в расчетном режиме перемещение провода при пляске происходит по эллиптической кривой и остается в пределах эллипса, который располагается перпендикулярно к оси линии электропередачи. Его большая ось несколько отклонена от вертикали и соответствует наибольшему размаху колебаний провода.
В результате графического построения эллипсов с учетом изоляционных промежутков между ними или расчетов по приближенным формулам определяются вертикальные расстояния и горизонтальные смещения между проводами при их расположении на опоре ВЛ. Однако отсутствие аналитической связи между взаимными перемещениями проводов ограничивает применение этого метода расчета для теоретических исследований сближений проводов при пляске.
Пляска проводов малых сечений согласно данным, представленным в работах [64, 66, 69], происходит в вертикальной плоскости, в основном, с двумя полуволнами в пролете. При существующих схемах расположения фазных проводов на опоре ВЛ 6-10 кВ опасные в изоляционном отношении расстояния могут возникнуть между верхним проводом при его отклонении под действием ветра и нижним проводом при его пляске. Этот расчетный режим наиболее характерен при эксплуатации таких воздушных линий электропередачи.

1.3 Мероприятия по ограничению опасных сближений и повреждаемости проводов воздушных линий в гололедно-ветровых режимах

Частые аварийные отключения воздушных линий электропередачи, возникающие в динамических режимах при воздействии ветра и гололеда, выдвигают задачу по ограничению опасных сближений проводов на первый план.
Для борьбы с пляской проводов в нашей стране и за рубежом разработано большое число различных способов и устройств. Несмотря на это, эта важная проблема на сегодня остается до конца не решенной. По многим типам гасителей отсутствуют надежные данные об их эффективности. Что касается ВЛ 6-10 кВ, то вопросам повышения их надежности в режимах пляски проводов до последнего времени внимания вообще не уделялось. Многие известные гасители, применяемые на ВЛ 35 кВ и выше, для ВЛ 10 кВ оказались малоперспективными. Классификация устройств для гашения пляски проводов по принципу действия и их описание представлены в ряде работ [10, 28, 43, 51]. Остановимся на известных разработках с позиции их значимости и возможности использования на ВЛ 6-10 кВ.
Наибольшее распространение в СССР среди известных гасителей получили разработанные во ВНИИЭ аэродинамические стабилизаторы [14, 15, 16, 43]. Они выполнены в виде узких длинных пластин, жестко прикрепленных снизу к проводу в плоскости его провисания на части длины пролета. Придавая проводу при образовании гололеда более устойчивую аэродинамическую форму, стабилизаторы компенсируют вызывающие пляску подъемные силы.
Однако испытания аэродинамических стабилизаторов в полевых условиях позволили выявить их недостаточную эффективность для ВЛ 6-10 кВ. Под действием односторонних гололедных отложений провода малых сечений существенно закручиваются, и пластина стабилизатора отклоняется от вертикального положения, что, в ряде случаев, способствует возникновению пляски проводов. В работах [10, 37, 43] отмечалось, что отклонение пластин стабилизатора при их установке или в процессе эксплуатации ВЛ способствует возникновению колебаний проводов даже при отсутствии гололеда. Так, на ВЛ 110 и 500 кВ Куйбышевэнерго и Донбассэнерго аэродинамические стабилизаторы после двухлетней эксплуатации были демонтированы из-за отсутствия положительного эффекта.
В последние годы в России проблема защиты от пляски проводов решается только применительно к ВЛ 110-500 кВ. Фирма ОРГРЭС разработала и выпускает новые совмещенные гасители пляски и вибрации одиночных проводов, гасители пляски для расщепленной фазы, ограничители гололедообразования и колебаний проводов, выполненные в виде грузов различной формы, эксцентрично установленных на концах гибких элементов (тросов), жестко закрепленных на проводе, при этом гибкие элементы расположены параллельно проводу [86, 87]. На основе исследований, проведенных во ВНИИЭ [53, 80], разработан метод гашения пляски проводов на BЛ 330-500 кВ, основанный на комбинированном использовании эксцентричных грузов и широко применяемых за рубежом расстраивающих маятников [76]. Разработанные устройства и метод гашения пляски проводов прошли проверку работоспособности на BЛ 110 кВ Удмуртэнерго [80] и BЛ 220 кВ Таймырэнерго. Однако их использование на BЛ 6-10 кВ из-за отсутствия результатов полевых испытаний пока не представляется возможным.
В США широкое распространение получили устанавливаемые на проводах BЛ спиральные демпферы пляски – спойлеры [59], выполненные из прутка диэлектрического материала в виде плотного двойного повива вокруг провода с большим шагом и с жестко закрепленными концами. Зона охвата провода спойлерами составляет 20...25% длины пролета. Изменение профиля провода с установленным на нем спойлером и гололедным отложением нарушает регулярность сил аэродинамического воздействия, распределенных по длине провода.
Эффективным средством борьбы с пляской проводов является плавка образовавшегося гололеда электрическим током [3, 10, 16, 28, 43, 48]. При этом подъемная сила исчезает и колебания проводов прекращаются. Этот способ был разработан во ВНИИЭ, но долгое время оставался без внимания со стороны энергосистем страны. Опыт применения плавок гололеда на ВЛ 500 кВ [16, 28] доказал эффективность подавления пляски проводов. В последние годы плавка гололеда для предотвращения пляски проводов широко используется на ВЛ ряда энергосистем: Киевэнерго, Мосэнерго, Днепрэнерго, Харьковэнерго, Башкирэнерго, Донбассэнерго, ПО Дальние электропередачи [43].

Весь текст будет доступен после покупки

-

Весь текст будет доступен после покупки