Глава 1.

Обзор работ по исследованию сближений

Проводов воздушных линий электропередачи

При воздействии ветровых нагрузок

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 сельскохозяйственных потребителей, нанося им значительный экономический ущерб. Теоретическому и экспериментальному исследованию сближения проводов и разработке мер по их ограничению посвящено много научных работ. В настоящей главе дан обзор этих работ с систематизацией материала в следующей последовательности: наблюдения за сближениями проводов воздушных линий электропередачи в производственных и экспериментальных условиях, теоретические исследования, мероприятия по ограничению сближений проводов в условиях воздействия ветровых нагрузок.

Сближения и схлестывания проводов в пролетах воздушных линий электропередачи наблюдаются часто [1, 3, 24, 32, 57, 60, 62, 91, 102, 118] и происходят, в общем случае, при следующих условиях:

– при несинхронных раскачиваниях фазных проводов в пролете под воздействием ветра;

– 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.

Раскачивание проводов под действием ветра распространено повсеместно и наблюдается в течение года то в одном, то в другом пункте сети [9, 28, 68, 102, 108, 110, 126]. Исследования, проведенные Украинской сельскохозяйственной академией [28] в 35 районах электрических сетей Украины показали, что 62,5% аварийных отключений ВЛ 10 кВ по причине опасных сближений и обрывов проводов произошли при воздействии ветровых и гололедных нагрузок.

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 [32] – на примере многолетней работы одного из переходов линии 110 кВ через реку Оку, в [9] – на основе анализа работы ВЛ 10–220 кВ в Кустанайской области, в [15] – по наблюдениям на опытном пролете в долине Силуга, в [128] – в пролетах компактных ВЛ 138 кВ (США). Данные о величинах сближений проводов в опытных пролетах и на действующих ВЛ разного класса напряжений приведены в работах Р.М. Бекметьева [8, 9, 10], Л.Б. Гарцмана и У. Умурзакова [29, 95], Ф.И. Чеботаря [118, 121], В.Е. Бучинского [20], И. Грэнта и Дж. Стиварта [128].

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 (по самописцу М-12) максимальные сближения двух горизонтально расположенных проводов не превышали 0,4…0,5 м. Аналогичные данные получены сотрудниками Управления Бонневильской энергосистемы (Bonneville Power Administration) [75] 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 [39, 68, 109], 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 сечениях 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 ВЛ 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 [20] 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 [20, 75, 128] 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, 67, 110]. Установление истинности в этом вопросе применительно к проводам малых сечений потребовало проведения теоретических и экспериментальных исследований.

Наблюдения В.Е. Бучинского, выполненные на опытной линии связи Дебальцевской гололедной станции [20], 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. Отсутствие в научных работах отечественных и зарубежных ученых информации по этому вопросу потребовало теоретического изучения маятниковых колебаний провода с гололедом и проведения экспериментальных исследований влияния параметров гололедных отложений на величину сближения проводов в натурных пролетах ВЛ 10 кВ при воздействии ветровых нагрузок.

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 указывают результаты статистических анализов аварийности сельских ВЛ 6–10 кВ в ряде энергосистем России и стран СНГ [2, 4, 13, 28, 36, 86–88, 108, 112–114, 116, 122]. Так, в электросетевых предприятиях АО «Ростовэнерго» отключения из-за обрывов и схлестываний проводов составляют 24% [113, 122], Гомельской энергосистемы – 35,6% [86], Украины – 54,6% [28], 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, 13, 80]). Проведенный нами анализ аварийных отключений сельских ВЛ 6–10 кВ Башкирской энергосистемы [97] подтвердил сказанное.

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 [127]. 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.

Палик Маркус (Югославия) [133] при определении расстояния между двумя проводами, представленными маятниками, учитывал неравномерность их нагрузки гололедом.

Т.А. Тищенко [93, 94] 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 [31] 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 [93, 94], 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 [115], 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 [62] расстояния между проводами при их свободных раскачиваниях определяют в периоды пауз между порывами ветра, когда возникают наибольшие сближения проводов, при этом период раскачивания, по данным Р.Я. Федосенко [110], должен быть менее 5 секунд. Аналогичный подход используется и в работе Н. Генкова, Г. Динева [30]. 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 учитывались 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 [34, 65] длина маятника равна 0,5 величины стрелы провеса провода, в работе [120] – 0,53, в работах [30, 62] – 0,67, а в работах [93, 94] – 2/ . Так как длина маятника связана с частотой собственных колебаний, то возникла необходимость в уточнении этого параметра применительно к проводам ВЛ 6–10 кВ путем проведения теоретических и экспериментальных исследований.

Следует отметить, что имеются работы [27, 59, 70, 71, 77, 79, 120, 129, 135], 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 [70, 77, 135], однако, в силу математических трудностей при описании этих процессов, результаты носили чисто качественный характер и не могут быть применены на практике.

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.

Изменение взаимного расположения проводов и увеличение расстояний между ними, как средство устранения опасных сближений проводов при ветре и гололеде [3, 9, 10, 73], требует опор повышенной прочности с удлиненными траверсами и связано с увеличением капиталовложений, трудозатрат, расхода металла. В этом направлении заслуживают внимания мероприятия, разработанные в Башкирской энергосистеме [96, 97, 102]. На применяемых конструкциях железобетонных и деревянных опор ВЛ 6–10 кВ увеличены в 1,2…1,5 раза вертикальные расстояния между проводами при сохранении существующих горизонтальных смещений. Одновременно применено повышенное тяжение проводов, равное 0,6 сопротивления временному разрыву в режиме максимальных нагрузок. Однако, в ряде случаев (длинные пролеты при переходах и пересечениях, недостаточные запасы по габариту) эти меры не обеспечивают полной защиты от опасных сближений проводов при воздействии ветровых нагрузок [96].

Качественно новым и перспективным путем предотвращения взаимного приближения проводов и перекрытий является установка изолирующих междуфазовых распорок непосредственно в пролетах линий электропередачи [10, 16, 17, 38, 57, 64, 72, 73]. Эффективность применения междуфазовых изолирующих распорок на ВЛ была установлена давно. В 1938 году В.К. Плюгачев предложил устанавливать жесткие изолирующие распорки [137], препятствующие схлестыванию проводов при их несинхронных раскачиваниях под действием ветра. В дальнейшем установка подобных распорок стала рассматриваться как средство предупреждения схлестывания проводов при их пляске [10, 16, 37, 84, 119, 125, 128, 132].

Необходимость широкого использования междуфазовых распорок в целях предотвращения схлестывания проводов при ветре и пляске подтверждается и результатами опроса энергетических предприятий всего мира, проведенного рабочей группой 11 Комитета Международной конференции СИГРЭ [134].

В нашей стране и за рубежом разработано большое число распорок различных конструкций. Так, в Канаде использовались распорки из стекловолокна с фарфоровыми наконечниками, которые позволили предупредить образование трека [125, 128]. В США успешно применялись фарфоровые распорки, а в Швейцарии на некоторых линиях между проводами подвешивались гирлянды изоляторов, что позволило предотвратить перекрытия при воздействии гололедно-ветровых нагрузок [16]. Междуфазовые распорки в виде ряда фарфоровых длинностержневых изоляторов прошли испытания в ГДР на ВЛ 220–380 кВ [130], в Японии на опытной линии в Касатори-яма [136]. В ФРГ (земля Шлезвиг-Гольштейн) в качестве распорок между проводами компактной ВЛ 20 кВ использовались литьевые эпоксидные изоляторы, выполненные в виде трехлучевой звезды [123, 124]. В СССР на ВЛ 10 и 35 кВ энергосистем Молдглавэнерго, Эстонглавэнерго, Ленэнерго, Мосэнерго были установлены изолирующие распорки из стержневых полимерных изоляторов типа НИП [57].

В связи с появлением изоляционных материалов с высокими механическими и электрическими характеристиками, разрабатываются и применяются на практике междуфазовые изолирующие распорки на основе стеклопластиковых стержней с различными покрытиями (циклоалифатическим, фторопластовым, кремнийорганическими эластомерами и т.д.) [72, 73, 90, 117]. В СССР стеклопластиковые распорки прошли опытную эксплуатацию на ВЛ 110 кВ Душанбе-Вахшского РЭС Тажглавэнерго [73], ВЛ 35 кВ Молдавской энергосистемы [117], ВЛ 10 кВ в Верхнеднепровских сетях Днепросельэлектро [60], а также на линиях 10 кВ ряда электросетевых предприятий Башкирской энергосистемы [96, 97]. Однако в научной литературе отсутствуют сведения о результатах испытаний и эффективности их работы.

Распорки французской фирмы «Ceraver» типа Armourlite TT-16-330С были установлены между фазными проводами ВЛ 110 кВ энергосистемы Норильского горно-металлургического комбината [66]. Свыше 120 тысяч стеклопластиковых стержней с фторопластовыми покрытиями, изготовленных итальянской фирмой «Re-bosio», эксплуатируются на ВЛ напряжением 66–132 кВ [11]. Для ВЛ 6–10 кВ АО «Армсеть» совместно с Мосэнерго разработало междуфазовую распорку МИКР-10 с повышенными изоляционными свойствами [58].

Стержневые изолирующие распорки не устраняют пляску проводов, а в ряде случаев приводят к синхронным колебаниям всех связанных проводов как единой колебательной системы [1, 10]. Известны конструкции распорок, которые обеспечивают незначительное демпфирование колебаний за счет введения упругих элементов [139], вкладышей из силиконовой резины [26] и т. д. Из-за своей сложности они не нашли практического применения на ВЛ. Тем не менее, проблема создания распорок-гасителей, обладающих повышенным демпфирующим действием, заслуживает внимания [18, 26, 43]. В связи с этим потребовалась разработка конструктивно простых изолирующих междуфазовых распорок из стеклопластика, обеспечивающих демпфирование колебаний проводов с большими амплитудами.

Одним из перспективных направлений снижения интенсивности маятниковых раскачиваний проводов под действием ветра является разработка инерционных гасителей [18, 43]. Однако до последнего времени этим устройствам не уделялось достаточного внимания. Имеются некоторые сведения об инерционных гасителях колебаний, разработанных за рубежом [81]. Сложность и громоздкость этих гасителей ограничивает возможность их практического использования на ВЛ 6–10 кВ. Поэтому возникла необходимость в создании простого и эффективного гасителя маятниковых раскачиваний проводов для сельских ВЛ 6–10 кВ.

Снижение несинхронности колебаний фазных проводов при ветре, вызывающей их опасные сближения и схлестывания, может быть достигнуто исключением разрегулировки стрел провеса проводов в пролете ВЛ 6–10 кВ [2, 3, 110]. Возникновение разрегулировки стрел провеса в большинстве случаев вызвано низкой механической прочностью крепления провода к штыревому изолятору, что приводит к его продольным смещениям при односторонних усилиях, возникающих в динамических режимах воздействия гололедно-ветровых нагрузок [7, 36, 92, 100, 102, 109]. Однако, в отрасли работы по совершенствованию конструкции этого элемента ВЛ практически не проводятся. В типовых проектах в течение многих лет применяются лишь два вида крепления: проволочная вязка на шейке или головке штыревого изолятора [76] и антивибрационный зажим ЗАК-10-1 [7, 138].

По причине неудовлетворительной конструкции крепления провода к изолятору возникает до 17% аварийных отключений ВЛ 6–10 кВ [4, 7, 13, 36]. Проволочная вязка не способна выдерживать длительные динамические нагрузки при колебаниях проводов под воздействием ветра и гололеда, при этом происходит интенсивный износ вязки, ее разрушение, а также перетирание повивов провода о шейку штыревого изолятора с последующим обрывом. В зажимах ЗАК-10-1 при проскальзывании провода под действием продольных сил возникает износ повивов провода в зонах контакта с изолятором и двумя захватами зажима [100, 102]. Поэтому совершенствование конструкции крепления провода к штыревому изолятору для ВЛ 6–10 кВ представляет актуальную задачу. Для ее решения возникла необходимость в изучении опыта эксплуатации применяемых креплений на действующих ВЛ 10 кВ в разных климатических условиях, проведении экспериментальных исследований их работоспособности в лабораторных условиях и разработке новых конструкций повышенной прочности.

Таким образом, на основе анализа обзора отечественных и зарубежных научных работ возникла необходимость в проведении теоретических и экспериментальных исследований взаимных перемещений проводов, вызывающих их сближения, в условиях воздействия ветровых нагрузок применительно к сельским ВЛ 6–10 кВ, разработке мероприятий по ограничению сближения фазных проводов в пролете, новых конструкций крепления провода к штыревому изолятору.