Методы борьбы с гололедными образованиями на проводах линий электропередачи и способы их обнаружения
Науч. руковод. – к.т.н. доцент А.Р. ВАЛЕЕВ
Уфимский государственный авиационный технический университет
МЕТОДЫ БОРЬБЫ С ГОЛОЛЕДНЫМИ ОБРАЗОВАНИЯМИ НА ПРОВОДАХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ И СПОСОБЫ ИХ ОБНАРУЖЕНИЯ
Аннотация: задачей данной статьи является анализ опасности образования гололедных отложения на проводах линий электропередачи (ЛЭП). Обзор методов борьбы с гололедообразованием и способов его обнаружения.
Ключевые слова: гололёд, гололёдные отложения, карта гололёдных нагрузок, район по гололёду, линии электропередачи, опоры, обрыв проводов, механические методы, электротермические методы, физико-химические методы, электромеханические методы, плавка льда, методы обнаружения гололёда.
Значительная доля устойчивых отключений воздушных линий электропередачи (ВЛ) вызваны климатическими воздействиями, такими как грозовые перенапряжения, ветровые и гололёдные нагрузки, наводнения и т.п. При этом гололёдные, ветровые нагрузки и их совместные действия являются причинами наиболее серьезных неполадок на ВЛ и их тяжелых последствий.
Гололёдные отложения на проводах являются одной из основных внешних механических нагрузок, оказывающих существенное воздействие на воздушные линии (ВЛ), следовательно, влияющих на их технико-экономические показатели. Так, в зависимости от толщины стенки гололёда стоимость строительства и эксплуатации ВЛЭП может различаться в несколько раз. Кроме того, недоучет нагрузок приводит к снижению надежности ВЛ в ходе ее эксплуатации, что неизбежно вызывает перебои и срывы в их функционировании и, как следствие, увеличение затрат на ремонт и восстановительные работы.
В последние годы на разных территориях Российской Федерации, а также за рубежом происходило значительное количество аварий в электрических сетях, вызванных воздействием интенсивных гололёдно-ветровых нагрузок и ледяных дождей. Это вызвано изменениями климата, в результате которых гололёдно-ветровые нагрузки увеличиваются. Поэтому необходимо иметь современные данные о толщине стенки гололёда и разработка карты гололёдных образований является актуальной задачей.
Гололёдные образования на ЛЭП и их опасность
В настоящее время происходят глобальные изменения климата, которые способствуют изменению ветровых и гололёдных явлений. Они становятся чаще и сильнее.
По всему миру все более актуальными становятся проблемы надежного энергоснабжения потребителей, находящихся в регионах с гололёдно-ветровыми нагрузками.
По данным из источника [2] в конце 2010 – начале 2011 гг. «ледяные дожди» привели к масштабным авариям в Западной Европе, Скандинавии, Прибалтике, Японии, Китае, десятках штатов США. В России пострадали территории Приволжского федерального округа: Ульяновская и Самарская области, Республика Татарстан. Особенно сильно пострадали регионы Центрального федерального округа – население более чем 500 тысяч человек, промышленно-хозяйственный комплексы и социальные объекты на длительное время остались без энергоснабжения. Убытки исчислялись сотнями миллионов рублей.
Для снабжения электроэнергией потребителя на большие расстояния применяются воздушные линии электропередачи (ЛЭП), так как они являются наиболее выгодным способом передачи электроэнергии. Основным их элементом являются токоведущие части – провода, а также металлические или деревянные опоры. В регионах с гололёдно-ветровыми нагрузками в зимнее время года провода подвержены образованию на них гололёдных отложений. В осенне-зимних и весенне-зимних сезонах отрицательные температуры, высокая влажность, ветры и резкие перепады температуры воздуха также способствуют образованию гололёдных отложений на проводах воздушных линий.
Согласно источнику [3] расчеты показывают, что, например, провод марки АС-185/43 диаметром 19,6 мм километровой длины имеет массу 846 кг; при толщине гололёда 20 мм она увеличивается в 3,7 раза, при толщине 40 мм – в 9 раз, при толщине 60 мм – в 17 раз. При этом общая масса линии электропередачи из восьми проводов километровой длины возрастает соответственно до 25, 60 и 115 тонн, что приводит к обрыву проводов и поломке металлических опор (рис. 1.2).
Как видно из источника [3], наличие отложений гололёда на проводах воздушных линий (ВЛ) приводит к заметному увеличению их массы, что существенно повышает механические нагрузки на все элементы, особенно при воздействии ветра. Это приводит к авариям на ЛЭП, описанным в источниках [3] и [4]: обрыв токопроводящих проводов и грозозащитных тросов под тяжестью снега и льда, недопустимо близкое сближение проводов и их сильное раскачивание (так называемая «пляска»), ухудшение защитных свойств изоляторов, разрушение опор.
Согласно источнику [4] для восстановления требуется значительное время, капитальные вложения, материальные ресурсы и трудозатраты, зачастую велик ущерб от аварийного недоотпуска электроэнергии в отраслях народного хозяйства и коммунально-бытовой сфере.
По ПУЭ-7 [1] определение расчетных условий по ветру и гололеду должно производиться на основании соответствующих карт климатического районирования территории (рис. 1).
Рис. 1. Карта районирования РФ по толщине стенки льда
Методы и устройства для борьбы с гололёдными образованиями на ЛЭП
В настоящее время существует четыре способа борьбы с гололёдными образованиями на проводах ЛЭП (рис. 2).
Рис. 2. Современные методы борьбы с гололёдными образованиями
Механические методы борьбы с гололёдными образованиями
Механические методы заключаются в основном в применении специальных приспособлений, предназначенных для сбивания льда с проводов [4, 5]. Это самый просто способ устранения льда, который осуществляют с помощью длинных шестов, с земли, либо с автовышки. При этом требуется доступ к ЛЭП, который может быть осложнен плохими погодными условиями, плохой дорогой, а кроме того, нарушает нормальную работу данного участка ЛЭП. Также к минусам данного способа можно отнести то, что он не препятствует обледенению, а только устраняет его.
Иногда используется способ очистки проводов, который подразумевает использование специального передвижного устройства – роликов-ледорезов.
В источнике [6] указано, что 2005 г. группа специалистов из компании «Хайдро-Квебек» во главе с Андре Леблоном разработала и провела практические испытания многозарядного пневматического устройства для удаления гололеда (рис. 2.5). Оно ударными усилиями разрушает наледь.
Согласно [6] сравнительные оценки показывают, что для применения механических методов разрушения и удаления гололеда требуется в 100 тысяч раз меньше энергии, чем при использовании тепловых методов удаления сформировавшихся гололедных отложений (плавки гололеда).
В настоящее время разработано дистанционно управляемое устройство для механического удаления льда.
Устройство подобного типа представляет собой питаемую от аккумуляторных батарей перемещающуюся по проводу каретку, оснащенную режущими устройствами высокой прочности, взламывающими за счет толкающих усилий каретки гололедную муфту, освобождая провод от отложений [6].
Механический метод требует привлечения большого количества рабочих, занимает много времени и применяется только на коротких участках линии, в случаях, когда он экономически более выгодный, чем плавка гололёдных отложений.
Электротермические методы борьбы с гололёдными образованиями
Данный вид методов заключается в нагреве проводов током до температуры выше 0 градусов, что обеспечивает плавление льда и предотвращение его образования при профилактическом подогреве.
По источнику [3] профилактический подогрев необходимо начинать до образования гололеда на проводах при климатических условиях, когда его образование становится возможным. При профилактическом подогреве следует, как правило, применять такие схемы питания, которые не требуют отключения потребителей. При уже образовавшемся гололеде плавка осуществляется путем искусственного повышения тока сети ЛЭП до такой величины, при которой выделяемой в проводах теплоты достаточно для расплавления гололеда с нормативной толщиной стенки при нормативных значениях температуры окружающей среды и скорости ветра.
Рекомендации по применению плавки гололеда приведены в п. 2.5.16 ПУЭ-7 [1]. Они распространяются на воздушные линии электропередачи напряжением выше 1 кВ и до 750 кВ. Рекомендуется предусматривать плавку гололеда на проводах и тросах ВЛ, проходящих в районах с толщиной стенки гололеда 25 мм и более с повторяемостью 1 раз в 25 лет (IV-й район по гололеду и выше), а также с частыми образованиями гололеда или изморози в сочетании с сильными ветрами и в районах с частой и интенсивной пляской проводов. Для сетевых предприятий, у которых свыше 50 % ВЛ проходят в указанных районах, рекомендуется разрабатывать общую схему плавки гололеда. При обеспечении плавки гололеда без перерыва электроснабжения потребителей можно снижать нормативную толщину стенки гололеда в III-м и выше районах по гололеду на величину до 15 мм, при этом нормативная толщина стенки гололеда должна быть не менее 20 мм.
Плавку гололёда можно осуществлять переменным и постоянным током. Согласно [7] в линиях значительной длины и сечения из-за относительно большой индуктивности проводов, экономически более выгодно производить плавку постоянным током, при котором напряжение источника питания, а соответственно, и его мощность согласно снижается в 5-10 раз по сравнению с источником переменного тока. Правда, при этом требуется применение специальных мощных высоковольтных выпрямительных установок. Поэтому обычно плавку переменным током применяют на высоковольтных линиях напряжением 110 кВ и ниже, а постоянным – выше 110кВ.
Физико-химические методы борьбы с гололёдными образованиями
Данный вид методов начал всё больше применяться в последнее время. Его суть заключается в нанесении на провода специальных химических веществ, которые устойчивы к холоду и замерзают при температурах, значительно более низких, чем вода.
Согласно [3] Одним из наиболее перспективных методов снижения адгезии является создание супергидрофобных покрытий. 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, ото льда будет несложно избавиться. Был проведен ряд исследований, которые показали эффективность данного метода. Кроме того, было выяснено, что разработанное супергидрофобное нанотекстурированное покрытие на основе нановолокон оксида алюминия выдерживает до 100 циклов заморозки/разморозки без существенной деградации текстуры и супергидрофобного состояния.
Разработка физико-химических методов продолжается дальше
Электромеханические методы борьбы с гололёдными образованиями
Данные методы являются новым видом способов борьбы с гололёдом. Он подразумевает удаление гололёдных образований с помощью электромеханического воздействия на них, при этом, без отключения потребителя. Принцип работы описан в [3]: 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. В результате, так как применяется не термическое, а механическое воздействие, прогнозируется существенное снижение времени и энергии, требуемых на очистку.
На основе данного метода канадские ученые разработали автоматизированное механическое устройство сброса льда.
Методы обнаружения гололёдных образований на проводах ЛЭП
Своевременное обнаружение гололёдных образований на проводах является важным мероприятием для обеспечения надежности безаварийной работы ЛЭП.
Основные способы обнаружения приведены в источнике [9]: метод прогнозирования гололёдообразования, метод взвешивания проводов.
Прогнозирование гололедообразования на основе метеорологических данных воздушной среды применяют во многих странах, где обледенение линий электропередачи является актуальной проблемой, чтобы смягчить или избежать его влияние на работоспособность этих линий. Основой прогноза являются закономерности таких метеорологических явлений, как влажность и температура окружающего воздуха, ветровые давления, их изменения с высотой от поверхности земли [9]. При этом учитываются рельеф местности, где проходит трасса воздушной линии электропередачи, высота над уровнем моря, а также климатические и погодные условия. Прогноз осуществляется применительно к техническим параметрам воздушной линии. Необходимо достоверное предсказание явлений обледенения проводов на несколько дней вперед [9]. К сожалению, данные рассматриваемого способа прогноза являются предупреждением о возможном возникновении гололедообразования и не могут быть конкретным указанием о начале плавки гололеда, образовавшегося на проводах воздушных линий электропередачи.
Метод взвешивания проводов по [9] является наиболее объективным методом измерения величины гололедной нагрузки на проводах воздушной линии является метод измерения веса одного или нескольких пролетов провода воздушной линии. Величина натяжения провода при этом определяется нагрузками от гололеда и ветра, а также температурой окружающей среды. Оценка степени напряженного состояния провода и сравнение ее с предельно допустимым значением осуществляется с помощью весовых датчиков. Показания весового датчика передаются на диспетчерский пункт с использованием канала связи [9]. Кроме того, датчики измеряют физические параметры окружающей среды, электрические характеристики провода.
1. ПУЭ. Правила устройства энергоустановок, издание седьмое с изменениями и дополнениями на 1 октября 2010 г.
2. Р., А., Ю., Ю., Р. Региональная карта расчетных районов территории Республики Башкортостан по толщине стенки гололеда (с. 7-13). — Электротехнические комплексы и системы: межвузовский научный сборник; Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т / Уфа: УГАТУ, 2011.– 267 с.
3. Э., Х., А. СПОСОБЫ УДАЛЕНИЯ ЛЬДА С ПРОВОДОВ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ (с. 794 — 823). – Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2015. №3
4. И. Диагностика, реконструкция и эксплуатация воздушных линий электропередачи в гололедных районах. М.: Издательский дом МЭИ, 2007. 448 с.
5. Ф. Предотвращение и ликвидация гололедных аварий в электрических сетях. Пятигорск: Изд-во РП «Южэнерготехнадзор», 2000. 284 с.
7. Способ и устройство для борьбы с гололедом на линиях электропередач / И.: пат. 2356148 C1 Росс. Федерация, МПК H 02 G 7/16., № 000/09; заявл. 15.05.2008; опубл. 20.05.2009, бюл. № 14.
8. И. Автоматизированная система удаления льда с проводов ЛЭП – автореферат диссертации. КНАГТУ, 2016.
9. Р.Г. Минуллин, Э.Ю. Абдуллазянов, В.А. Касимов, М.Р. Яруллин. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ГОЛОЛЕДА НА ПРОВОДАХ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ЧАСТЬ 1. МЕТОДЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ И ВЗВЕШИВАНИЯ ПРОВОДОВ (с. 68-78) – Проблемы энергетики, 2013, № 7-8.
Источник
