АНАЛИЗ ВЕТРОВЫХ НАГРУЗОК НА ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ В ЗОНАХ КРУПНЫХ ВОДНЫХ МАССИВОВ

​ANALYSIS OF WIND LOADS ON MEDIUM VOLTAGE POWER TRANSMISSION LINES IN AREAS OF LARGE WATER BODIES

Dmitry Yatsenko

Student, Department of electrical power systems and electrical engineering, Siberian State University of Water Transport,

Russia, Novosibirsk

Sergey Gorelov

Supervisor, Doctor of Technical Sciences, Professor, Siberian State University of Water Transport,

Russia, Novosibirsk

АННОТАЦИЯ

Обледенение и ветровые нагрузки на воздушных линиях электропередачи сопровождаются многочисленными обрывами проводов и тросов, разрушением деревянных, железобетонных и металлических опор, массовыми отключениями воздушных линий всех классов напряжения и нарушением электроснабжения потребителей, зачастую в особо крупных масштабах с соответствующим ущербом во всех отраслях народного хозяйства и коммунальной сферы. Вблизи территорий крупных водных массивов с повышенной влажностью эта проблема является одной из основных.

ABSTRACT

Icing and wind loads on overhead power lines are accompanied by numerous wire and cable breaks, destruction of wooden, reinforced concrete and metal supports, mass disconnections of overhead lines of all voltage classes and disruption of power supply to consumers, often on a particularly large scale with corresponding damage in all sectors of the national economy and public utilities. This problem is one of the main ones in the vicinity of large water areas with high humidity.

Ключевые слова: гололедно-изморозевые отложения, ветровые нагрузки на линиях электропередачи, карты районирования по гололедно-ветровым нагрузкам на ВЛ.

Keywords: ice and frost deposits, wind loads on power lines, maps of zoning by ice and wind loads on power lines, maps of zoning by ice and wind loads on lines.

Для регионов России в целом в силу климатических условий получили значительное развитие работы по проблеме гололедных и ветровых нагрузок на провода воздушных линий электропередачи (ВЛ).

Рисунок 1. Гололед на арматуре и линиях электропередачи

В районах крупных водных массивов с повышенной влажностью эта проблема является одной из основных. Значительная доля устойчивых отключений линий вызваны климатическими воздействиями: грозовыми перенапряжениями, ветровыми и гололедными нагрузками, наводнениями и пр., при этом гололедные, ветровые нагрузки и их совместные действия являются причинами наиболее тяжелых последствий от технологических нарушений на ВЛ.

В результате проведенных разработок уточнена карта гололедного районирования территории Российской Федерации [4], составленная впервые в 1965 г., и внесен ряд коррективов в указания по определению гололедных нагрузок, подготовленные для нового издания СНиП, глава «Нагрузки и воздействия». Успехи в решении этой проблемы достигнуты благодаря тому, что на сети метеорологических станций Гидрометеорологической службы накопился значительный материал наблюдений над гололедом, над которым визуальные наблюдения велись с первых лет организации метеорологической сети станций России. Первые специальные гололедные станции были созданы в Советском Союзе в 30-х годах. Позднее стали развиваться инструментальные наблюдения на постоянно действующей сети станций. В 50-х годах было создано более 1000, а в 60-х — около 3000 станций [5]. Сегодня Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет) насчитывает более 1600 специальных гололедных станций. Количество пунктов метеорологических наблюдений на территории России к 2030 году составит 5400 единиц.

В число важных задач входит гидрометеорологическое обеспечение деятельности Российской Федерации в Арктике, Антарктике и Мировом океане, которое приобретает особое значение в связи с решением задач по освоению богатейших природных ресурсов этих регионов.

В районах крупных водных массивов при расчете ВЛ и их элементов должны учитываться климатические условия ветровое давление, толщина стенки гололеда, температура воздуха, степень агрессивного воздействия окружающей среды, интенсивность грозовой деятельности, пляска проводов и тросов, вибрация.

В таблице 1 (рис.2) указаны зоны ветровых нагрузок по местности на территории России [2]:

Рисунок 2. Карта районирования территории России по давлению ветра

Таблица 1

Определения ветровой нагрузки местности

Из карты районирования территории России по давлению ветра (Рис. 2) видно, что в районах крупных водных массивов Северного ледовитого океана, Охотского моря ветровые нагрузки 45-49 м/с значительно выше, чем в средней полосе страны 25-29 м/с. Проблема гололедно-ветровых нагрузок усугубляется влиянием микроклиматических особенностей северных широт, высокой степенью агрессивного воздействия окружающей среды морского климата, низких температур, труднодоступной местности что делает эксплуатацию и обслуживание ВЛ затруднительным.

В соответствии с «Правилами устройства электроустановок» (ПУЭ) скорость ветра при гололеде для воздушных линий (ВЛ) должна приниматься равной половине максимальной расчетной скорости ветра, но не менее 15 м/с при толщине стенки гололеда 15 мм и более, т. е. выбор скорости ветра при гололеде производится по карте ветрового районирования с учетом гололедного районирования. При этом предлагается определить гололедные нагрузки на провода и тросы, использую толщину стенки гололеда, приведенную к объемному весу 0,9 г/см.

По данным о гололедных образованиях в России [1], а также по данным отдельных, характерных для каждого района гололедности, гидрометеорологических станций (ГМС), показали, что в районах гололедности I и II скорость ветра при гололеде, равная 11—12 м/с, повторяется не чаще одного раза в 15 лет, 13—14 м/с — не чаще одного раза в 25 лет; для районов гололедности III и IV скорость ветра при гололеде, равная 15 м/с, бывает один раз в 12—15 лет. Более высокие скорости ветра — около 16—20 м/с — могут наблюдаться при обледенении в районах гололедности III, IV примерно один раз в 20 лет, а скорости 12—15 м/с — частично в районе гололедности II, а также в районах гололедности III и IV один раз в 12—15 лет. Указанные исследования подтверждают рекомендации ПУЭ только в общих чертах, не определяя периода повторяемости нормативных сочетаний гололеда и ветра и не учитывая действительного объёмного веса гололедно-изморозевых отложений.

Рисунок 3. Карта зонирования среднегодовой скорости ветра на территории России

На рис.4. изображена карта ветров на территории России в реальном времени. Из рисунка видны ветровые потоки воздушных масс, обозначенные зеленым цветом.

Рисунок 4. Портал: https://earth.nullschool.net/ru/#current/wind/surface/level/equirectangular=-276.34,11.95,152

Основные методы борьбы с гололедно-изморозевыми отложениями (Рисунок 5) на проводах воздушных линий электропередачи, применяемые в России и других странах, заключаются в недопущении обледенений, уменьшении размеров и удалении гололедных отложений.

Рассмотрим основные из них [7].

Рисунок 5. Гололедно-изморозевые отложения на ВЛ

Популярным в сетях способом борьбы с гололедом при эксплуатации линий электропередачи является электротермический. Заключаются он в нагреве проводов электрическим током, обеспечивающим предотвращение образования льда, то есть профилактический подогрев или его плавку [6]. Профилактический подогрев проводов заключается в искусственном повышении тока сети ЛЭП до такой величины, при которой провода нагреваются до температуры выше 0°С. При такой температуре гололед на проводах не откладывается. Профилактический подогрев необходимо начинать до образования гололеда на проводах при климатических условиях, когда его образование становится возможным.

Так же для борьбы с обледенением в последние годы стали активно применять физико-химические методы, заключающиеся в нанесении на провода растворов специальных веществ, которые замерзают при температурах значительно более низких, чем вода. Одним из наиболее перспективных методов является нанесение супергидрофобных покрытий с низкой адгезией к водным средам, снегу и льду. Специалисты Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН разработали и испытали супергидрофобные покрытия, которые помешают проводам обледенеть, а если такое всё же произойдёт, то ото льда будет несложно избавиться.

Испытания супергидрофобных покрытий в потоке водного аэрозоля проводились при температуре -5 °С и скорости ветра 10 м/с. Спустя минуту на алюминиевом образце без покрытия уже появляется слой льда, а на алюминиевом с супергидрофобным покрытием – отсутствует (рисунок 6).

Рисунок 6. Испытания супергидрофобных покрытий в потоке водного аэрозоля при температуре -5 °С и скорости ветра 10 м/с.

В Байкальском институте природопользования разработан способ нанесения фторопластовых композитов на металлические предметы, в том числе на провода ЛЭП. Материал можно крепить на ВЛ через бронзовый пористый слой. Не секрет, что фторопласт обладает уникальными качествами. Он термостоек, горит при температуре свыше 400 градусов, не боится самых низких температур, экологически безопасен и надежен в работе при больших механических нагрузках. Все эти свойства необходимы для эксплуатации линий электропередачи. При нанесении фторопласта на провода исключаются обледенения, а также возможность короткого замыкания и возгорания.

Электромеханические способы удаления льда с проводов линий электропередач образуют класс новых способов и устройств борьбы с гололедом на ВЛ. Удаление гололеда предлагается производить не с помощью термического воздействия от протекающего по проводам тока, а с помощью электромеханического воздействия на лед. Принцип работы устройств следующий. По проводам линии пропускают импульсы тока определенной частоты и формы.

При протекании тока по проводам возникает сила Ампера, под действием которой происходят механические колебания, которые предупреждают образование обледенения и разрушают корку льда.

Механические способы, используемые чаще всего, заключаются в применении специальных приспособлений, обеспечивающих сбивание льда с проводов. Самый простой способ механического удаления гололеда - сбивание, которое производится при помощи длинных шестов с земли или из корзины автовышки, но они требуют физического доступа к ЛЭП, что может нарушать нормальную работу участка (рисунок 6). К тому же механическое воздействие не препятствует обледенению, а устраняет его.

Рисунок 6. Механическое удаление гололеда

Удаление гололеда с проводов шестами влечет за собой привлечение значительного человеческого ресурса. Указанный метод требует много времени и применяется только на коротких участках линий, когда плавка электрическим током экономически нецелесообразна или технически невыполнима.

В числе стран с высоким риском аварий связанных с гололедно-изморозевыми образованиями на ВЛЭП является Норвегия.

В королевстве создан научно-исследовательский проект Icebox от компании Statnett. Государственное предприятие Statnett является системным оператором норвежской энергетической системы [8]. 

Проект Icebox направлен на разработку экономически эффективных приборов, целью которого является прогнозирование, предотвращение и эффективное устранение гололедно-изморозевых образований на линиях электропередачи в реальном времени.

В рамках этого проекта разработан специальный прибор – тензодатчик, который оперативно осуществляет подробный мониторинг нагрузки ГИО в режиме реального времени на больших расстояниях (рисунок 7). Датчик монтируется на конструкцию опоры ВЛЭП и имеет электронный блок, способный передавать данные через мобильную сеть.

Рисунок 7. Тензодатчик смонтированный на ВЛЭП

Питание осуществляется от небольшой батареи, которой хватает на 10 лет эксплуатации. Благодаря прибору диспетчерская служба оперативно реагирует на возникающие угрозы обледенения линий электропередачи.

Выводы

1. Использование в расчетах скорости ветра при гололеде, равной в соответствии с ПУЭ половине максимальной скорости ветра, в ряде случаев приводит к существенной погрешности.

2. Выбор скорости ветра при гололеде с учетом особенностей рельефа позволит рационально использовать капиталовложения при сооружении ВЛ распределительных сетей и повысит надежность их эксплуатационных качеств.

Список литературы:

1. Расчетные климатические условия для высоковольтных линий электропередачи. Т.1. Гололедные нагрузки воздушных линий электропередачи в СССР. М., Госэнергоиздат, 1960г. 206 с. (Труды ВНИИЭ. Вып. 10.). Бургсдорф В.В., Муратов Н.С. (ред.).
2. ПУЭ-7. Раздел 2, гл.2.5. Климатические условия и нагрузки.
3. Справочник по климату СССР. Гололедно-изморозевые явления и обледенение проводов. 1970— 1972.
4. Указания по определению гололедных нагрузок. СН 318-65. М., Госстройиздат, 1966. 19 с.
5. «Метеорологические нагрузки на сооружения» УДК 551.574.42 + 551.578.4 (061.6) Под редакцией д-ра геогр. наук М. В. ЗАВАРИНОЙ и канд. геогр. наук И. Д. КОПАНЕВА. Ленинградский Гидрометеорологический институт. 1974г.
6. Левченко И.И. Диагностика, реконструкция и эксплуатация воздушных линий электропередачи в гололедных районах. М.: Издательский дом МЭИ, 2007. – 494 с.
7. Никитина И.Э., Абдрахманов Н.Х., Никитина С.А. Способы удаления льда с проводов линий электропередачи // Нефтегазовое дело. – 2015. - №3. –C.794-823. - [Электронный ресурс]: http://www.ogbus.ru
8. [Электронный ресурс]: https://www.statnett.no/en/about-statnett/innovation-and-technology-development/our-prioritised-projects/icebox/