К ВОПРОСУ О СПОСОБАХ СНИЖЕНИЯ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПРИ ЕЕ ПЕРЕДАЧЕ

ON THE QUESTION OF WAYS TO REDUCE THE LOSS OF ELECTRICITY DURING ITS TRANSMISSION

Elina Fayzullina

3rd year undergraduate student, direction "Electric power and electrical engineering", Technical University of the Ural Mining and Metallurgical Company,

Russia, Verkhnyaya Pyshma

Daria Malkova

3rd year undergraduate student, direction "Electric power and electrical engineering", Technical University of the Ural Mining and Metallurgical Company,

Russia, Verkhnyaya Pyshma

Andrey Gusakin

scientific supervisor, Senior Lecturer, Technical University of the Ural Mining and Metallurgical Company,

Russia, Verkhnyaya Pyshma

АННОТАЦИЯ

Одной из основных задач, решаемых в электроэнергетике, является повышение надежности системы электроснабжения. Управление надежностью возможно путем изучения физических процессов системе и управление ими. Возможным вариантом повышения надежности системы электроснабжения является управление потерями в ЛЭП, связанных с коронным эффектом. В статье указаны одни из методов исключения процессов коронации с помощью гидрофобных средств и изготовления нового типа изоляторов. Проведены испытания подвесного изолятора ПС70Е в условиях использования гидрофобных составов. Получены положительные результаты в использовании гидрофобных составов по сравнению с изолятором без покрытия.

ABSTRACT

One of the main tasks solved in the electric power industry is to increase the reliability of the power supply system. Reliability management is possible by studying the physical processes of the system and managing them. A possible option to improve the reliability of the power supply system is to manage losses in power lines associated with the corona effect. The article indicates one of the methods for eliminating coronation processes using hydrophobic agents and manufacturing a new type of insulators. The suspension insulator PS70E was tested under the conditions of using hydrophobic compositions. Positive results have been obtained in the use of hydrophobic compositions compared to an uncoated insulator.

Ключевые слова: потери в электросетях, коронный эффект, гидрофобные составы, полимеры, ИК-контроль.

Keywords: losses in power grids, corona effect, hydrophobic compounds, polymer, IR control.

Работа оборудования в условиях умеренно холодного или холодного климата связана с динамическими атмосферными воздействиями. Практически 70 % от общей площади России находится в данных климатических условиях. Данные территории находятся в условиях агрессивного климата, что сильно влияет на надежность оборудования. Это обусловлено коротким дождливым летом, холодной и снежной зимой. Суровые климатические условия очень сильно влияют на сохранность ЛЭП, они быстрее изнашиваются и чаще подвергаются коррозии из-за повышенной влажности, а зимой подвергаются обледенению - все это ведет к возникновению коронного эффекта.

Статистика АО «Системный оператор Единой энергетической системы» показывает, что потребление электроэнергии в России за 2021 год увеличилось на 5,5% по сравнению с 2020, что составляет 1107,1 млрд кВт*ч.

По данным университета бизнеса и международной экономики при правительстве РФ, потери электроэнергии должны составлять не более 10 %. По распоряжению правительства РФ «Об утверждении Энергетической стратегии Российской Федерации» [6] на период до 2035 года потери при передаче электроэнергии должны составлять не более 4-5%.

Коронный эффект возникает, когда на два провода ВЛ, которые находятся на значительном расстоянии друг от друга по сравнению с их диаметрами, подается определенное критическое разрушающее напряжение, и провода окружаются слабым фиолетовым свечением. Коронный эффект сопровождают образование озона, потеря мощности, радиопомехи и характерное шипение. Коронный эффект чаще всего контролируется с помощью:

1. Высокочастотная дефектоскопия.
2. Инфракрасная дефектоскопия.
3. Электроакустический метод.

Основным способом подхода для определения коронации является ИК-контроль. Данный способ является самым информативным и практичным методом для выявления потерь при коронировании.

На основании РД 153-34.0-20.363-99 [3]:

- ИК-контроль дает положительные результаты при нахождении тепловизора в статическом положении;

- ИК-контроль должен осуществляться при отсутствии солнца (облачная погода или ночное время суток), при минимальном воздействии ветра во время максимальных нагрузок на ток и иных климатических факторов.

Рассмотрим подвесные фарфоровые изоляторы и их применение в виде последовательно соединенных конструкций изоляций. Как видно на рис.1, [Привод. по 3, С.97] в случае пробое одного (нескольких изоляторов) в гирлянде порядок распределения рабочего напряжения в ней изменяется: большая часть его переходит в нагрузку на исправные изоляторы.

Рисунок 1. Распределение напряжения по отдельным изоляторам гирлянды ВЛ 110 кВ: 1 - нормальное распределение напряжения; 2 - распределение напряжения при наличии дефекта в 5-м изоляторе гирлянды

Исследования механизма коронного разряда показали, что разрядное напряжение гирлянды повышается с увеличением пути утечки. Также наибольшее падение напряжение приходится на ближайшие к проводам изоляторы, и как следствие - может привести к значениям, которые являются недопустимыми для эксплуатации. Высокие напряженности поля на изоляторах вблизи провода ВЛ в большинстве случаев приводят к коронированию, которое сопровождается деструкцией тела изолятора, окислением процессов на металлической арматуре и радиопомехами.

Для того, чтоб исключить коронный заряд, необходимо улучшить распределения напряжения по элементам гирлянды:

1. использовать изоляторы с полупроводящей глазурью - в этом случае увеличивается активная составляющая продольного тока гирлянды, т.е. уменьшается влияние поперечных токов емкости;
2. использование защитной арматуры: экранных колец, рогов и восьмёрок;
3. расщепление фаз линии и гирлянд изоляторов.

Анализ потерь и традиционных способов их уменьшения, возникающих при коронации в сетях, определил направления исследования в работе. Нами исследован и предложен метод снижения потерь в электрических сетях через исключение потерь на коронные разряды. Избежать коронный эффект можно следующими способами: это покрытие поверхности изолятора определенными составами и поэтапная замена стеклянных или фарфоровых изоляторов на полимерные.

Рассмотрим метод вощения [7]. На поверхность изоляции из окружающей среды попадает влага в виде росы. Отпотевание изолятора происходит из-за разности температур, а именно из-за низкой температуры изолятора относительно окружающей среды. Для данной ситуации температура изолятора должна быть меньше точки росы.

Корректировать процесс скопления влаги на ВЛ можно путем применения антизапотевателя: на поверхность, которую нужно защитить от воздействия окружающей среды, наносится защитное покрытие, оно закрепляется на материале из-за химических свойств. Принцип работы антизапотевателя состоит в том, что входящий в его состав изопропанол - спирт, создает тонкую невидимую пленку, из-за этого снижается смачиваемость материала водой, и вся влага скатывается с поверхности.

Также мы рассмотрели метод покрытия изоляторов оболочкой из кремнийорганической смеси. Перспективное направление в этой области имеет применение покрытий на основе силиконовых компаундов холодного отверждения - RTV резины [1], [2]. Многолетние опыты их эксплуатации показали, что гидрофобность силикона не имеет срока годности и специальных ограничений по условиям использования. Этому способствует свойство полимеров с низким молекулярным весом и слабой энергией связи диффундировать из объема оболочки на её поверхность.

В 2016 году испытательный центр ФГУП ВЭИ успешно провел сравнительные опыты над стеклянными изоляторами производства ЗАО «ЮМЭК» с гидрофобным покрытием, а также без него. Результаты испытаний показали, что изоляторы с гидрофобным покрытием имеют явное преимущество перед изоляторами без него в сложных климатических условиях - 5%-10% превышения измеряемых напряжений по сравнению с изоляторами без покрытия составами из кремнийорганики [4].

Преимущества методов покрытия изоляторов гидрофобными составами:

1. Защита поверхности от пыли, грязи, влаги, а также избавление от скопления мокрого снега на изоляторах.
2. При попадании кремнийорганической смеси на поверхность изоляторов (т.е. стекла или фарфора) наблюдается ориентация метильных групп (- CH3) в сторону внешней поверхности покрытия, как следствие - проявляются гидрофобные свойства. Помимо этого, стоит отметить, что прочность связей C – Si и C – H несколько слабее связи Si-O, поэтому процессы окисления и деструкции материала изоляторов будут идти по функциональным группам и боковым цепям [4].
3. На рынке представлен широкий ассортимент таких средств. Например, Verylube, Grass, Antifog, Sonax. Все они практически имеют одинаковые характеристики и цену, что делает этот метод доступным в России.

Недостатки:

1. Данная методика является краткосрочным решением проблемы защиты изоляции. Покрытие стирается в течение 2-х лет, после чего изоляция снова подвергается коронированию.
2. Для поддержания эффекта необходим постоянный осмотр изоляции, что является дополнительной проблемой на ВЛ.
3. Стоимость гидрофобного средства высокая. Средняя цена на антизапотеватель около 1500 рублей за 250-600 миллилитров, а 100 г силиконового компаунда имеет цену от 700 рублей.
4. На рынке можно встретить много низкокачественных составов, что серьезно может повлиять на эффект от средства или на срок службы.

В ходе работы мы рассмотрели типы изоляторов на ВЛ. Самыми распространенными изоляторами на ВЛ являются стеклянные изоляторы типа ПС 70Е: они обладают высокой электрической и механической мощностью, а также простотой в визуализации профилей гирлянды [3]. Но существуют такие районы, в которых стеклянные и фарфоровые изоляторы в маленький промежуток времени становятся не годными к использованию, как следствие - приводят к потерям в сетях вследствие коронирования. УХЛ и ХЛ климаты характеризуются большими перепадами температур и непостоянством погоды, вследствие чего изоляторы либо преждевременно разрушаются, либо теряют изолирующую способность. В практике эти события происходят одновременно.

Мы предлагаем провести поэтапную замену стеклянных тарелок изолятора на полимерные. То есть по мере деструкции стеклянных тарелок в гирлянде типа ПС-70Е заменять их на тарелки из полимера. Полимерные изоляторы имеют ряд преимуществ, по сравнению со стеклянными и фарфоровыми, особенно в климатических условиях России [5].

Преимущества этого метода:

1. В перспективе на 8-12 лет возможен постепенный переход на полимерные изоляторы, что является экономически эффективным решением при высокой цене на замену целой гирлянды.
2. При замене нескольких стеклянных изоляторов на полимерные в гирлянде будет наблюдаться снижение коронного эффекта в 80-90% из-за гидрофобного покрытия полимеров.
3. Полимеры могут выдерживать температуру в диапазоне от -60 до +50 градусов, что является одним из важных свойств в условиях климата России.
4. Полимеры обладают большим выдерживаемым импульсным напряжением - в среднем на 70 кВ больше, чем стекло, что позволяет его на линиях с напряжением выше 10 кВ.
5. Конструкция оконцевателя - гнездо - полимерных изоляторов проще в монтаже, чем у стеклянных - ушко.

Но замена изоляторов на полимерные имеет свои минусы:

1. Трудоемкость, т.к. обычно этот процесс происходят без снятия изоляторов с ВЛ и требует особых мер безопасности. Для этих работ применяют различные приспособления: изолирующие тяги и захваты, лестницы, площадки и вышки с изолирующим звеном, а также поворотные монтажные краны, которые устанавливают на траверсах опор;
2. Высокая стоимость, т.к. средняя цена на замену до 3-х изоляторов колеблется от 10 до 12 тыс. рублей.

Рисунок 2. Подвесной изолятор ПС 70Е

В рамках настоящей работы были проведены испытания выше представленного подвесного изолятора ПС 70Е. Был использован гидрофобный состав на основе изопропилового спирта >30%, силиконов (5-15) % и неорганической кислоты <5%, которым покрывалась токоведущая часть изолятора. Для измерения сопротивления изолятора был использован мегаомметр ЭС0202/2-Г с выходным напряжением на зажимах  в выбранном диапазоне измерений I (0-50 МОм).

Испытания проводились в трех условиях: сухое покрытие изолятора, мокрый изолятор и изолятор, покрытый гидрофобным составом.  Для всех трех случаев измерения проводились идентично: расстояние между щупами мегаомметра, приложенными к токоведущей части изолятора, менялось от 2 до 26 мм. В первом опыте проводилось измерение сопротивления сухого изолятора. Во втором опыте изолятор был обмочен водой. В третьем опыте небольшое количество состава было распределено по поверхности изолятора в два последующих слоя, далее изолятор был также обмочен.

В результате проведения опытных испытаний был получен график (Рисунок 3), который показывает, что изолятор с гидрофобным покрытием имеет лучшие диэлектрические свойства по сравнение с необработанным изолятором. У необработанного изолятора выход на константу происходит на расстоянии 26 мм от токоведущей части, при этом изолятор, покрытый гидрофобным покрытием, имеет лучшие параметры с выходом на константу, которые происходят на 16 мм. Это свидетельствует об увеличении поверхностного сопротивления изолятора.

Рисунок 3. Результаты испытаний

Таким образом, мокрый изолятор с гидрофобным покрытием имеет более высокие характеристики сопротивления. На расстоянии 10 мм от токопроводящей жилы ЛЭП на поверхности необработанного изолятора сопротивление R=6 МОм, а для обработанного – R=18 МОм. Это связано с тем, что капли на тарелке изолятора, покрытого гидрофобным составом, не образуют гидропленку. Покрытие изолятора гидрофобным составом позволяет получить наилучшие диэлектрические свойства в условиях осадков.

В результате исследования было рассмотрено несколько методов исключения коронации таких как: использование специальных гидрофобных состав и поэтапная замена изоляторов на полимерные. Исключая коронацию, мы сможем снизить потери в электросетях и увеличить надежность системы электроснабжения.

Список литературы:

1. Matsuoka, R. Investigation of Field Energized RTV Coated Porcelain Insulators / R. Matsuoka, H. Shinokubo, K. Kondo, R. S. Gorur // Proceedings of 1995 International Symposium on Electrical Insulating Materials (Tokyo, 17-20 Sept. 1995). – IEEE, 1995. - № 19. -  С. 34-37.
2. Cherney, E. A. The loss and recovery of hydrophobicity of RTV silicone rubber insulator coatings / E. A. Cherney, S. H. Kim, R. Hackam // IEEE Transactions on Power Delivery, 1990. – V. 5, Issue 3. – С. 1491-1499.
3. РД 153-34.0-20.363-99. Основные положения. Методики инфракрасной диагностики электрооборудования и ВЛ : официальное издание : утверждены Департаментом стратегии развития и научно-технической политики РАО "ЕЭС России" 14.12.99 г. : введен впервые : дата введения 2000-06-01. – Москва : СПО ОРГРЭС, 2000.
4. Трифонов, В. З. Перспективы использования изоляторов с гидрофобным покрытием : [сайт журнала] / В. З. Трифонов, М. В. Шеленберг,  Е. Д. Ким  // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение. - URL: https://eepir.ru/technical_article/perspektivy-primenenija-stekljannyh-i/ (Дата обращения: 18.09.2022 г.). – Текст : электронный.
5. Полимерные изоляторы. Достоинства и недостатки : [статья с сайта] // Studwood.net : учебные материалы онлайн. – URL: https://studwood.net/578629/tovarovedenie/polimernye_izolyatory_dostoinstva_nedostatki (дата обращения 10.10.2022). – Текст : электронный.
6. Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2035 года : Распоряжение Правительства РФ № 1523-Р : [принят Правительством Российской Федерации 09.10.2020]. - URL: https://docs.cntd.ru/document/565068231 (дата обращения: 18.04.2022). – Текст : электронный.
7. Изоляция аппаратов высокого напряжения - вопросы отпотевания изоляторов : [статья с сайта] // Электрические сети : сайт об электрических сетях. - URL: https://leg.co.ua/arhiv/podstancii/izolyaciya-apparatov-vysokogo-napryazheniya/Page-26.html (дата обращения: 20.09.2022). – Текст : электронный.