2.8. Мероприятия по повышению надежности воздушных линий

К настоящему времени назрела необходимость в коренном обновлении электрических сетей, создании линий нового поколения, отвечающих экономико-экологическим требованиям и современному техническому уровню по долговечности и надежности. Одним из направлений развития является применение новых конструкций и материалов, позволяющих довести срок службы вновь строящихся и реконструируемых линий до 70 и более лет [21].

Актуальность и необходимость технического перевооружения ВЛ продиктованы физическим и моральным износом электрических сетей, но при этом требованиями повышения их пропускной способности. Моральный износ вызван техническим старением в результате научно-технического прогресса, а физический износ – отработкой ВЛ срока эксплуатации.

Проблемы морального износа решаются техническим перевооружением, а физического – реконструкцией и капитальным ремонтом. Анализ причин технологических нарушений в работе энергосистем позволил классифицировать отказы ВЛ, и в частности аварии, вызванные нарушением работоспособности отдельных элементов ВЛ. Этот анализ показывает, что значительное число отказов ВЛ является следствием повреждения проводов, изоляторов, а также отключений из-за грозовых перенапряжений (табл. 2.3). Опоры являются достаточно надежным элементом линий электропередачи, однако разрушения опор имеют наиболее тяжелые последствия и приводят к большим затратам, связанным с восстановлением ВЛ и недоотпуском электроэнергии.

Данные по интенсивности и частоте отказов по элементам ВЛ приведены в табл.2.5. Структура отказов показывает на очередность проведения мероприятий по повышению надежности: повышение нагрузок от ветра и гололеда на стадии проектирования нового строительства и реконструкции старых сетей. Проведение перерасчета опор старой унификации на нагрузки [8] и создание новой унификации опор; повышение качества эксплуатации на основе улучшения диагностики состояния элементов опор и проведения своевременного ремонта. Техническое перевооружение и реконструкция являются основой повышения надежности на стадии эксплуатации.

Таблица 2.5

Распределение отказов по элементам ВЛ

Элементы воздушных линий	Поток отказов в % от общего количества
	База учета грозовых перенапряжений	С учетом грозовых перенапряжений
Опоры	9	13
Провода и тросы	37	52
Изоляторы	23	31
Арматура	3	4

2.8.1. Повышение надежности опор. Для повышения надежности опор применяются: стали повышенного качества (спокойной плавки); оцинкованные детали; модернизированная конструкция стыка (двойные накладки) и т. д. Параметр потока отказов в последнее время для металлических опор составляет 0,0129, для железобетонных опор – 0,0105, для деревянных опор – 0,11 (данные 2005 года). Распределение отказов в зависимости от вида опор в процентах приведено в табл. 2.6. Можно сделать следующие выводы:

• повреждаемость опор носит износовый характер, ее величина определяется нормами проектирования, материалом, из которого изготовлены опоры, уровнем обслуживания при эксплуатации, качеством оценки технического состояния и проведения необходимых ремонтов;

• период до капитального ремонта металлических опор, запроектированных по [8, 9, 22], составляет порядка 30 – 35 лет;

• уровень отказов опор еще не стабилизировался и превышает установившийся уровень 60 – 70 годов в 1,9 – 2,0 раза.

Таблица 2.6

Распределение отказов в зависимости от вида опор %

Причина отказов	Металлические	Железобетонные	Деревянные
Нагрузки и воздействия: -ветер выше расчетного -ветер и гололед выше расчетного Итого:	33,7 13,2 46,9	21,7 24,8 46,5	52,2 5 57,2
Качество проектирования и строительства	9,2	35,5	1,5
Качество эксплуатации	26,9	18	41
Разбор конструкции посторонними лицами	16,9	-	0,3

Среди новых конструкций для ВЛ рассматривается применение стальных многогранных оцинкованных опор закрытого профиля, устанавливаемых на буронабивных, а в пучинистых грунтах – на шпунтозабивных фундаментах.

Многогранные опоры имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с решетчатыми металлическими и железобетонными конструкциями. Они:

- технологичны при изготовлении и монтаже, позволяют в короткие сроки строить и восстанавливать ВЛ;

- долговечны за счет обтекаемой формы, отсутствия мест скопления влаги и невозможности проявления фактора вандализма.

При проведении комплексного технического перевооружения рекомендуется создание унифицированных опор, за основу конструктивных решений которых предлагается взять многогранные опоры на базе одного модуля, позволяющего собирать одностоечные и портальные свободностоящие опоры и на оттяжках для ВЛ 35–750 кВ.

Применение унифицированных многогранных стальных опор на базе модуля для ВЛ напряжением 35–750 кВ позволяет:

- снизить расход металла до 20% по сравнению с решетчатыми конструкциями из-за применения в конструкции преднапряженных телескопических и фланцевых стыков, современной технологии гнутья листовой и фасонной стали;

- удешевить стоимость сооружений новых ВЛ на 5–10% по сравнению с ВЛ с решетчатыми конструкциями опор;

- минимизировать объем запаса строительных конструкций для ликвидации аварий на существующих ВЛ, который по количеству типоразмеров сведется к одному модулю с комплектующими деталями, обеспечить создание компактных складов аварийного резерва энергосистемы, не требующих полного набора всей номенклатуры установленных опор ВЛ 35–750 кВ;

- сократить время и трудозатраты на ремонтно-восстановительные работы, так как опоры собираются из готовых секций;

- обеспечить доставку опор в труднодоступные места, так как секции опор имеют небольшие вес и габариты;

- исключить затраты, связанные с временной установкой и последующей заменой опор, так как опоры рассчитаны на рабочие ветровые и гололедные нагрузки и устанавливаются для постоянной эксплуатации;

- исключить ущерб от вандализма, который составляет 15% и более от общего количества отказов ВЛ с решетчатыми опорами.

При разработке проектов необходимо уделить основное внимание защите металлоконструкций от коррозии путем применения метода горячего цинкования при сооружении новых линий и комбинированных покрытий при ремонте старых.

2.8.2. Применение проводов Aero-Z® для высоковольтных линий электропередач 110-1150 кВ. Провода, получившие название Aero-Z®, представляют собой полностью связанные между собой проводники, которые состоят из одного или нескольких концентрических слоев круглых проволок (внутренние слои) и проволок в виде буквы «Z» (внешние слои). Каждый слой провода имеет скрутку по длине, выполненную с определенным шагом. Название Aero-Z® появилось не только от формы внешних проводников (Z), но и от значительно лучших аэродинамических характеристик проводов по сравнению с обычными круглыми проводами.

В начале 90-х годов фирма Nexans (Alcatel Cable) [23] начала производство проводов Aero-Z® на новом технологическом уровне и с учетом всех замечаний, полученных во время эксплуатации ЛЭП. Причинами для этого были:

• необходимость увеличения пропускной способности существующих линий;

• снижение механических нагрузок, прикладываемых к опорам ЛЭП, из-за пляски проводов;

• повышение коррозионной стойкости проводов и тросов;

• снижение риска обрыва провода при частичном повреждении нескольких внешних проволок из-за внешних воздействий, в том числе в результате удара молнии;

• улучшение механических свойств проводов при налипании снега или образовании льда.

В настоящее время в Европе установлено более 3500 км такого провода на напряжения 63–70–90–150–225–400 кВ. Начиная с 1995 года в Бельгии все строящиеся или реконструируемые линии электропередачи оснащаются проводом Aero-Z®. Во Франции в ближайшие 20 лет также намечено осуществить переход на данный вид провода. В Южной Америке построено около 1000 км таких линий и планируется монтаж еще 1500 км.

Рассмотрим более подробно конструкцию провода Aero-Z®. Внутренняя часть провода аналогична обычному проводу типа АС за исключением того, что внутренние проводники могут быть изготовлены не только из стали, но и из алюминия или алюминиевых сплавов. Более того, один или несколько проводников могут быть полыми и содержать внутри оптические волокна. Внешние же слои провода выполняются из алюминиевых проводников, имеющих форму буквы «Z», причем проводники очень плотно прилегают друг к другу.

Сравним данные для проводов Aero-Z со справочными данными для отечественных проводов марки АС [24]. Для примера возьмем провод АС 300/39 и провод Aero-Z типа 346-2Z. Удельное сопротивление провода Aero-Z на 3 % меньше, чем у обычного провода (0,097 и 0,1 Ом/км соответственно), следовательно на столько же будут меньше тепловые потери в проводе при транспортировке электроэнергии. Удельная масса провода на 18 % меньше по сравнению с проводом АС (958 кг/км и 1132 кг/км), диаметр – на 7 % (22,4 мм и 24 мм). Но наиболее наглядно преимущество проводов Aero-Z подтверждает сравнение усилия на разрыв: разница составляет 23 % (90,6 кг у АС против 111,3 кг у Aero-Z).

Кроме того, более гладкая внешняя поверхность приводит к существенному снижению потерь на корону (напряженность электрического поля, при котором начинается коронный разряд, у провода Aero-Z примерно на 15% выше, чем у обычного провода).

Лабораторные испытания на воздействие удара молнии в провод показали, что при повреждении до пяти Z-образных проводников сохраняется полная механическая прочность. Благодаря форме проводников и плотности скрутки практически исключается проникновение во внутренние слои воды и загрязнений, следовательно, снижается коррозия внутренних слоев провода.

Особо остановимся на поведении провода в условиях налипания снега. По мере накопления мокрого снега на проводе центр тяжести смещается, и провод в пролете поворачивается. Однако снег продолжает идти и цикл продолжается сначала. В результате традиционный провод получает дополнительные крутящие моменты или начинает расплетаться (в зависимости от направления ветра).

Провод Aero-Z, обладая более высоким сопротивлением кручению, в этих условиях практически не поворачивается, что приводит к самосбросу излишнего снега под действием собственной массы.

За счет более гладкой внешней структуры провода Aero-Z имеют примерно на 30-35 % меньшее аэродинамическое сопротивление ветровым нагрузкам по сравнению с обычным проводом. Этот факт приводит к резкому снижению пляски проводов, как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении, что в свою очередь значительно облегчает работу опор и гирлянд при сильных ветрах и снижает эксплуатационные расходы.

Перейдем далее к рассмотрению экономического аспекта. В силу более сложного технологического процесса изготовления проводов Aero-Z по сравнению с обычными проводами их стоимость на рынке будет выше (до 80 %). Оценку экономического эффекта рассмотрим на примере строительства двуцепной ЛЭП 330 кВ длиной 30 км. Приблизительные затраты на этот проект можно разделить на: расходы на установку опор, подвеску изоляторов и т.д. – 820 млн руб.; расходы на провода – 190 млн руб.; расходы на проектные работы, услуги шефнадзора и т.д. – 250 млн руб. Суммарные затраты составят 1260 млн руб.

Однако, учитывая лучшие механические характеристики проводов Aero-Z, мы можем снизить расходы на опоры, увеличив при этом длину пролета, приблизительно на 10 %. Также примерно на 15 % снижаются потери (тепловые и потери от коронного разряда) в ЛЭП при транспортировке электроэнергии.

Таким образом, с учетом зарубежного опыта и наших расчетов, можно сказать, что использование провода Aero-Z вместо обычного приводит к тому, что разница в стоимости окупится за 5-6 лет эксплуатации ЛЭП, а еще через 8-10 лет полностью окупятся затраты на строительство и эксплуатацию линии (мы исходили из 25-летнего срока службы ВЛ).

Предлагаемые на российском рынке провода Aero-Z имеют следующие основные преимущества по сравнению с обычными проводами: резкое снижение потерь при транспортировке электроэнергии по линиям электропередачи (особенно по магистральным); повышение пропускной способности ЛЭП при том же сечении фазных проводов; практически полное отсутствие внешней коррозии проводников; резкое снижение пляски проводов от ветровых нагрузок; уменьшение налипания снега и льда на проводах; уменьшение нагрузки на поддерживающие устройства ЛЭП, что приводит к возможному увеличению длин пролетов и экономии до 10 % числа опор; возможность организации каналов передачи информации по оптоволокну внутри проводов и молниезащитных тросов и т.д.