Обеспечение надежности работы воздушных линий электропередачи в условиях гололедных нагрузок

Значительная доля устойчивых отключений воздушных линий электропередачи (ВЛ) вызваны климатическими воздействиями: грозовыми перенапряжениями, ветровыми и гололедными нагрузками, наводнениями и пр., при этом гололедные, ветровые нагрузки и их совместные действия являются причинами наиболее тяжелые последствий от технологических нарушений на ВЛ.
Гололедно-изморозевые отложения (ГИО) на проводах являются одной из основных внешних механических нагрузок, оказывающей существенное воздействие на воздушные линии (ВЛ), следовательно, влияющей на их технико- экономические показатели. Так, в зависимости от толщины стенки гололеда стоимость строительства и эксплуатации ВЛЭП может различаться в несколько раз. С другой стороны, 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 [28, 40].
В последние годы на разных территориях Российской Федерации, а также за рубежом [90] происходило значительное количество аварий в электрических сетях, вызванные воздействием интенсивных гололедно-ветровых нагрузок и ледяных дождей.
Вот краткий перечень основных масштабных аварийных происшествий. 16–18 ноября 2013 г. в Ленинградской области обесточены дома 33 тыс. жителей, вТверской, Архангельской областях, Карелии обесточено 76 районов. 25–27 ноября 2013 г. в регионах Центрального федерального округа (Московская, Костромская, Смоленская, Тверская обл.) нарушено энергоснабжение более 100тыс. жителей, в Дальневосточном федеральном округе (о. Сахалин, Приморский край, Еврейская автономная область) – 28,5 тыс. жителей. 2–5 декабря 2013 г. на Алтае, в Кемеровской, Новосибирской областях, Красноярском крае, Хакассии остались без энергоснабжения более 25 тыс. жителей. 13–15 декабря
5
2013 г. из-за ледяных дождей нарушено энергоснабжение 50 населенных пунктов в Ленинградской области, 500 населенных пунктов в Тверской области, 600 населенных пунктов в Ярославской области, в Архангельской области без электроэнергии остались 40 тыс. жителей. 21–24 января 2014 г. из-за ледяных дождей лишились энергоснабжения 150 тыс. жителей Краснодарского, Ставропольского краев и Адыгеи. 25–27 апреля 2014 г. оказалось нарушено энергоснабжение из-за обледенения и обрывов проводов ВЛ в Свердловской
области (30 тыс. жителей) и в Челябинской области (16 тыс. жителей).
16–18 ноября 2013 г. в Финляндии, Швеции и Норвегии было нарушено энергоснабжение более 180 тыс. домов. В США 17–19 ноября и 22–23 ноября 2013 г. в нескольких штатах Западного побережья нарушено энергоснабжение более 400 тыс. жителей. В канун рождественских праздников 23–34 декабря 2013 г. в Канаде из-за ледяных дождей обесточено 500 тыс. жителей, в США – 400 тыс. жителей, погибло 7 человек. 12–14 февраля 2014 г. из-за ледяных дождей и мокрых снегопадов в десятках штатов США обесточено 1,2 млн жителей, погибло 25 человек. 15–16 февраля 2014 г. во Франции из-за урагана «Ула» остались без
энергоснабжения более 100 тыс. домов [19, 38, 85].
В настоящее время обледенение проводов можно разделить на четыре
группы:
1 группа – обледенения, возникающие в результате сублимации водяного
пара. К ним относятся иней и кристаллическая изморозь.
2 группа – обледенения, возникающие в результате осаждения и замерзания
переохлажденной воды. К ним относятся зернистая изморозь и гололед.
3 группа – обледенения, возникающие в результате отложения и замерзания
мокрого снега.
4 группа – сложное отложение гололеда: несколько слоев изморози и
гололеда [31, 62].
К аварийным ситуациям на ВЛЭП также приводят различные виды
колебаний проводов. Наиболее распространенными являются вибрация и пляска проводов (далее – пляска).

6
Пляска – один из наиболее аварийноопасных видов колебаний проводов
воздушных линий, вызывается ветром при наличии гололеда на проводе [60, 77]. Имеется информация о случаях, когда ВЛ подвергалась пляски проводов и без наличия гололедных отложений, например, под воздействием косых ветров, направленных под острым углом к проводам ВЛ, при сильных ливневых дождях и т.д. Вместе с тем наиболее часто встречающейся и опасной по своим последствиям является пляска проводов с односторонним гололедом или изморозью при скорости ветра до 90 км/ч и амплитудой до значений равных стреле провеса провода. Поэтому снижение интенсивности пляски до безопасного значения и ее устранение является в настоящее время одной из наиболее актуальных проблем при эксплуатации ВЛ [90].
Пляска проводов на линиях электропередач (ЛЭП) впервые была отмечена за рубежом (США, 1914 г.), привлекла внимание инженеров и ученых в 1928–30 гг. В СССР пляска проводов на ЛЭП впервые была отмечена в 1934 г. на одной из линий 110 кВ Мосэнерго; в 1937 г. в высоковольтных сетях Мосэнерго наблюдалась массовая пляска проводов одновременно на 26 линиях 110, 35 и 6 кВ, вызвавшая многочисленные отключения. В последующие годы пляска наблюдалась во многих энергосистемах и неоднократно служила причиной аварий и нарушений работы ЛЭП. На воздушных линиях 220–500 кВ с расщепленными проводами в фазе уже в процессе их сооружения и в первые годы эксплуатации была отмечена особая подверженность пляске расщепленной фазы, состоящей из двух и трех проводов. На таких линиях пляска проводов возникала особенно часто и интенсивно, при этом вертикальные перемещения проводов достигали 8–12 м, вызывая замыкания между фазами и грозозащитным тросом; на линиях 500 кВ известны случаи забрасывания фазы на грозозащитный трос.
На территории Российской Федерации из-за интенсивной пляски проводов происходили массовые отключения на линиях всех классов напряжений 6–500 кВ [34, 78].
Основные теоретические положения и гипотезы, объясняющие физическую сущность пляски проводов ЛЭП, были выдвинуты и разработаны в Советском

7
Союзе институтами ВНИИЭ (Всесоюзный научно-исследовательский институт электроэнергетики), ВНИИЖТ (Всесоюзный научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта), академией им. Н. Е. Жуковского, ОРГРЭС (Всесоюзный трест по организации и рационализации районных электрических станций и сетей) и другими научно-исследовательскими и проектными институтами. В основу теории пляски проводов были положены результаты испытаний элементов проводов марки М-95 длиной 1 метр (ВНИИЭ), М-120, троса С-70 длиной 0,75 м (ВНИИЖТ) и обтекателей различной формы в
аэродинамической трубе (академия им. Жуковского).
Аналогичные испытания и теоретические исследования были проведены в
Канаде в 1932 г. Ден-Гартогом [94] и в Великобритании в 1947 г. Термквистером и Бекером [99].
Проблема пляски проводов и защиты линий от ее опасных последствий является одним из важнейших вопросов эксплуатации, проектирования и строительства воздушных линий электропередач.
Эти вопросы начиная с 1954 г. находят отражение в ПУЭ в разделе «Расположение проводов и тросов и расстояние между ними» [58], а также в «Методических указаниях по районированию территории энергосистем и трасс ВЛ по частоте повторяемости и интенсивности пляски проводов» [44], выпущенных в 1993 г.
Согласно п. 2.5.16 ПУЭ-7 плавка гололеда (ПГ) предусматривается на проводах и тросах ВЛ, эксплуатируемых в районах с величиной стенки гололедообразования более 25 мм, в районах с частыми гололедообразованиями при сильном ветре и в районах с частой и интенсивной пляской проводов [58].
Также для борьбы с пляской проводов перспективным является применение инновационных композитных проводов, повивы проволок которых выполнены из алюминиево-циркониевых и других сплавов. Номенклатура зарубежных и отечественных композитных проводов разнообразна и насчитывает более двух десятков модификаций. Эти провода по сравнению с традиционными обладают рядом преимуществ: большей пропускной способностью по передаваемой

8
мощности, меньшей стрелой провеса и более высокими показателями рабочей
температуры (высокотемпературные провода) [39].
На ВЛ с предусмотренной плавкой гололеда должен быть обеспечен
мониторинг гололедообразования, при этом рекомендуется применять сигнализаторы начала гололедообразования и контрольные устройства окончания плавки [58].
Существует достаточно большое количество комплексов ПГ, определяемых схемой сети, свойствами нагрузки потребителей электрической энергии, возможностью вывода в ремонт линий и прочими факторами. При всем при этом с учетом статистических данных аварийных событий в электрических сетях актуальной проблемой, ограничивающей надежное и бесперебойное электроснабжение потребителей электрической энергии, является отсутствие на практике оптимального комплекса по борьбе с гололедом, включающего в себя системы мониторинга и плавки гололеда.
Идея работы заключается в разработке перспективных технических решений по обеспечению качественного и надежного электроснабжения потребителей во время гололедообразования на проводах ВЛ.
Степень разработанности темы
Значительный вклад в изучение проблемы борьбы с гололедными явлениями на проводах ВЛ внесли такие ученые и специалисты, как БургсдорфВ.В., Гузаиров М.Б., Рудакова Р.М., Вавилова И.В., Левченко И.И., Минуллин Р.Г. и др.
Развитию теории и практики средств борьбы с гололедом на ВЛ уделяли внимание Бучинский В.Е., Руднева А.В., Максимов В.А., Крылов С.В., Коган Ф.Л., Минуллин Р.Г., Аскаров Р.Р., Каверина Р.С., Балыбердин Л.Л., Никитина Л.Г., Никонец Л.А., Хрущ П.Р., Сацук Е.И., Ловецкая Е.Н., Савваитов Д.С., Васин В.П., Шкапцов В.А., Пустыльников Л.Д., Морошкин Ю.В., Скопинцев В.А., Цхяев А.Д., Федоров Ю.Г., Нубарьян А.В., Dr. Masoud Farzaneh, Pierre Admirat, William A. Chisholm.
Большинство работ в данной области относятся к методам борьбы с гололедом посредством плавки. При этом на время проведения плавки

9
производится вывод ВЛ из работы, что может привести к перерывам электроснабжения потребителей. На сегодняшний день процессы плавки гололеда
без отключения потребителей недостаточно изучены.
В области мониторинга за гололедообразованием на ВЛ имеются лишь
исследования, посвященные определению массы гололеда на отдельных участках, и не рассматриваются вопросы контроля гололедообразования в объеме энергосистемы.
Поэтому необходимо проведение полноценного комплексного исследования, посвященного изучению процессов плавки гололеда без отключения потребителей и разработке системы мониторинга с контролем гололедообразования по энергосистеме в целом, что и определяет актуальность темы диссертационной работы.
Цель работы: разработка электротехнических систем, направленных на повышение качества и надежности электроснабжения потребителей в условиях воздействия гололедно-ветровых нагрузок, их апробация, анализ эффективности и внедрения в электроэнергетических системах.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи.
1. Исследования по районированию территории РБ по толщине стенки гололеда и по частоте повторяемости и интенсивности пляски проводов.
2. Разработка систем плавки гололеда без отключения потребителей с расчетом экономической эффективности внедрения.
3. Имитационное и экспериментальное исследование систем плавки гололеда без отключения потребителей.
4. Разработка, исследование и опытное испытание автоматизированной системы мониторинга гололедно-ветровых нагрузок на проводах и грозозащитных тросах действующих ВЛ с расчетом экономической эффективности внедрения.
Научная новизна:
1. Анализ аварийных отключений ВЛ в сетях 35–220 кВ ООО «Башкирэнерго» и разработанные карты районирования Республики Башкортостан по толщине стенки гололеда и по частоте повторяемости и интенсивности пляски

10
проводов с учетом измененных климатических нагрузок, позволяющие разрабатывать компоненты комплексов по борьбе с гололедом для повышения
надежности воздушных линий с учетом актуальных климатических нагрузок.
2. Схема соединения оборудования распределительных устройств (РУ) подстанций (ПС) и ВЛЭП в составе системы плавки гололеда посредством наложения постоянного тока на переменный, позволяющая плавить гололед без отключения потребителей. Данная схема исключает протекание постоянного тока плавки гололеда через силовые трансформаторы во время проведения плавки, а также позволяет увеличить зону охвата плавки гололеда, увеличить надежность работы энергосистем в режимах гололедно-ветровых воздействий и снизить риск
ошибки оперативного персонала.
3. Результаты численных экспериментов, выполненных на разработанной
компьютерной имитационной модели предложенной схемы соединения оборудования РУ ПС и ВЛЭП. На основании проведенного экспериментального исследования доказана адекватность разработанной модели.
4. Система контроля гололедно-ветровых нагрузок, позволяющая повысить оперативность контроля гололедно-ветровых нагрузок на проводах и грозозащитных тросах ВЛ, качество принимаемых оперативным персоналом решений и уменьшить число ошибок при управлении режимом работы энергосистемы на основании данных, полученных от системы, снизить затраты на обслуживание и капитальный ремонт энергетического оборудования.
5. Комплексная система контроля гололедообразования на воздушных линиях электропередачи, включающая взаимодополняющие локационные и весовые системы контроля гололедной нагрузки, повышающая достоверность измерения и передачи значений гололедных и ветровых нагрузок. Предложена карта расстановки локационных систем в сетях 110 кВ для обеспечения наблюдаемости ВЛ в гололедоопасных районах РБ. В рамках комплексной системы контроля гололедообразования предложен метод организации опроса СКГН по сигналу о начале гололедообразования, полученному от локационного

11
зондирования, позволяющий увеличить надежность функционирования системы и
снизить капитальные вложения за счет уменьшения энергопотребления. Теоретическая значимость работы заключается в развитии методологии
плавки и мониторинга гололедообразования.
Практическая значимость работы:
1. Карта районирования территории РБ по толщине стенки гололеда, карта районирования территории РБ по частоте повторяемости и интенсивности пляски проводов для применения комплексов борьбы с гололедом в соответствии с существующими климатическими нагрузками.
2. Системы плавки гололеда без отключения потребителя посредством наложения постоянного тока на переменный для бесперебойного электроснабжения потребителей во время плавки гололеда.
3. Компьютерная имитационная модель, позволяющая выполнять моделирование работы системы плавки гололеда.
4. Система мониторинга за гололедообразованием на проводах ВЛ, позволяющая своевременно проводить мероприятия по повышению надежности электроснабжения потребителей во время гололедообразования. Карта-схема расстановки локационных систем в сетях 110 кВ для обеспечения наблюдаемости ВЛ в гололедоопасных районах РБ.