автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Исследование причин немотивированных отключений ВЛ 110 кВ и разработка рекомендаций по снижению их числа

На правах рукописи

БОРОВИЦКИЙ ВАСИЛИЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН НЕМОТИВИРОВАННЫХ ОТКЛЮЧЕНИЙ ВЛ 110 кВ И РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО СНИЖЕНИЮ ИХ ЧИСЛА

Специальность 05.14.02 — Электрические станции и электроэнергетические системы

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Новосибирск — 2013

005545207

005545207

Работа выполнена в ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная

академия водного транспорта» (ФБОУ ВПО «НГАВТ»)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Овсянников Александр Георгиевич

Официальные оппоненты: Лукутин Борис Владимирович, доктор

технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий» ФГБОУ ВПО «Томский политехнический университет»

Гайворонский Александр Сергеевич,

кандидат технических наук, филиал научно-технического центра ОАО «ФСК ЕЭС» — Сибирский НИИ энергетики, заведующий отделом инжиниринга

Ведущая организация: ЗАО «Сибирская электротехника»

Защита состоится 11 декабря 2013 г. в 13 часов (ауд. 227) на заседании диссертационного совета Д 223.008.01 при ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» по адресу: 630099, г. Новосибирск, ул. Щетинкина, 33, ФБОУ ВПО «НГАВТ» (тел/факс (383) 222-49-76; E-mail: nsawt_ese@mail.ru; ese_sovet@mail.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта»

Автореферат разослан 07 ноября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационно- . Малышева го совета h- ^^jjjeJ'^- Елена Павловна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Уровень надёжности транспорта электрической энергии по воздушным линиям электропередачи (ВЛ) ограничивается их неплановыми отключениями, которые возникают вследствие отказов отдельных конструктивных элементов ВЛ, нарушений технологии изготовления, монтажа и эксплуатации и внешних воздействий. Проблемам надёжности BJI были посвящены исследования таких организаций как НИИПТ, ВНИИЭ, ЛПИ, ОРГРЭС, РОСЭП и СибНИИЭ, а также ведущих специалистов Мерхалёва С.Д., Соломоника Е.А., Гутмана И.Ю., Руцкого В.М., Новиковой А.Н., Тимашовой Л.В., Гайворонского A.C. и др. Несмотря на огромный вклад указанных организаций и специалистов в решение задач обеспечения надёжности BJ1, они остаются в поле внимания исследователей. К таким задачам можно отнести, например, борьбу с грозовыми отключениями BJI, особенно двухцепными, с выпучиванием и разрушением фундаментов опор, перекрытиями загрязнённой и увлажнённой изоляции и перекрытиями изоляции ВЛ по невыясненным или немотивированным причинам. Решение перечисленных проблем и вопросов весьма актуально.

Объектом исследования являются ВЛ преимущественно класса напряжения 110 кВ, и в отдельных вопросах - 220 кВ.

Предметом исследования являются процессы, влияющие на отключения ВЛ: грозовые перенапряжения, морозное пучение и разрушение фундаментов опор, загрязнение и увлажнение изоляции, локальные перенапряжения и орнитологические факторы — «птичьи отключения».

Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами и планом работы академии. Работа выполнялась в соответствии: с научными направлениями исследовательского комитета В2 «Воздушные линии» СИГРЭ и технического комитета № 11 «Воздушные линии электропередачи» МЭК, а также с научной целевой комплексной темой «Разработка мероприятий по повышению надёжности работы оборудования в условиях пониженных температур» (гос. регистр. № 0188.0004.137).

Идея работы заключается во внедрении наиболее эффективных мер повышения надёжности ВЛ и в объяснении причин немотивированных отключений ВЛ с привлечением наиболее комплекса явлений и признаков, в том числе, ранее не использовавшихся для этой цели.

Целью работы является разработка научных положений, технических средств и рекомендаций, позволяющих повысить надёжность

воздушных линий электропередачи класса напряжения 110 кВ. Для достижения этой цели в работе ставились и решались следующие взаимосвязанные научно-технические задачи:

- совместно с изготовителем разработать аппараты для защиты ВЛ 110 кВ от атмосферных перенапряжений в регионах с высоким удельным сопротивлением грунтов, оптимизировать места установки и оценить эффективность работы защитных аппаратов;

- опробовать конструктивные и технологические решения по усилению фундаментов опор и выбрать наиболее эффективные из них;

- провести статистическую обработку оперативной информации и выявить значимые корреляционные связи отключений ВЛ с метеорологическими, орнитологическими, режимными и прочими факторами;

- разработать математическую модель конденсационного увлажнения поверхности изоляции;

- провести расчёты локальных перенапряжений при вариации параметров коммутируемой нагрузки на отпаечных подстанциях;

- разработать рекомендации по выяснению причин немотивированных отключений ВЛ 110 кВ и по снижению их числа.

Методы исследования. В процессе выполнения исследований применялись: анализ и обобщение данных из литературных источников, методы теоретических основ электротехники и теории электрических сетей, методы математической статистики и теории вероятностей, расчёты по универсальным и специализированным компьютерным программам.

На защиту выносятся:

1 Результаты внедрения защитных аппаратов ОПН-Лир и ОПН-Лит на ВЛ 110 кВ, ранее отличавшихся низкой грозоупорностью.

2 Результаты исследований и практического опробования конструктивных и технологических решений фундаментов опор, направленных на предотвращение их морозного пучения и разрушения.

3 Корреляционные связи немотивированных отключений ВЛ с метеорологическими условиями.

4 Математическая модель конденсационного увлажнения изоляции ВЛ.

5 Результаты расчётов локальных перенапряжений, возникающих при коммутациях нагрузки на отпаечных подстанциях.

6 Орнитологические и другие признаки отключений ВЛ, вызванные вмешательством птиц.

7 Рекомендации по выяснению причин немотивированных отключений ВЛ 110 кВ и по снижению числа немотивированных отключений В Л 110кВ.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена проведением высоковольтных испытаний в аттестованных испытательных лабораториях с применением поверенных измерительных приборов и стандартных методов высоковольтных испытаний, использованием для расчётов лицензированного программного обеспечения.

Обоснованность выводов и рекомендаций работы подтверждена публикациями и обсуждениями результатов исследований на международном симпозиуме и российских научно-технических конференциях, а также массовой практической реализацией полученных результатов.

Научная новизна работы характеризуется следующими новыми научными положениями:

- установлено, что наибольшая вероятность перекрытия гирлянд стеклянных изоляторов имеет место при скорости ветра около 2 м/с;

- предложена математическая модель конденсационного увлажнения поверхности изоляторов, которая, в отличие от модели инерционного осаждения капелек тумана, обосновывает возможность перекрытия изоляции в отсутствие тумана и объясняет максимум в зависимости вероятности перекрытия изоляции от скорости ветра;

- при расследовании причин перекрытия изоляции ВЛ необходимо учитывать влияние локальных перенапряжений, которые могут иметь место, например, при коммутации нагрузки отпаечных подстанций;

- при выяснении причин немотивированных отключений ВЛ необходимо анализировать дополнительные признаки, указывающие на вмешательство птиц, в том числе мигрирующих в осеннее-зимний период;

- рекомендован порядок выяснения причин немотивированных отключений и мероприятия по снижению их числа.

Теоретическая значимость работы заключается в развитии представлений о механизме перекрытия изоляции ВЛ в районах с лёгким загрязнением, в части количественной оценки увлажнения изоляции по конденсационному механизму и учёта возможных локальных перенапряжений.

Практическая значимость результатов работы заключается в повышении надёжности В Л 110 кВ за счёт снижения числа отказов фундаментов опор, грозовых и немотивированных отключений,

Реализация работы. Защитные аппараты ОПН-Л смонтированы на двух выбранных В Л 110 кВ ОАО «Тюменьэнерго», опыт эксплуатации в течение нескольких грозовых сезонов подтвердил высокую эффективность применения защитных аппаратов. На ряде линий проведена реконструкция фундаментов опор с применением крестовидных свай. Суммарный ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения этих решений составит более 850 тыс. руб. при сроке окупаемости капитальных вложений около 2 лет.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на 7-м семинаре Общественного Совета специалистов Сибири и Дальнего Востока по диагностике электрических установок, Хабаровск, 2012; на 4-й и 5-й Российских конференциях с межд. участием «Линии электропередачи: проектирование, строительство, опыт эксплуатации и научно-технический прогресс, Новосибирск, 2010 и 2012; на восемнадцатом международном симпозиуме по технике высоких напряжений, Сеул, Ю.Корея, 2013.

Личный вклад. Постановка научно-исследовательских задач и их решения, научные положения, выносимые на защиту, основные выводы и рекомендации диссертации принадлежат автору. Личный вклад в работах, опубликованных в соавторстве, показан в Приложении А диссертации и составляет не менее 50 %.

Публикации. Содержание работы изложено в 14 научных трудах, в том числе, в 2 статьях периодических изданий по перечню ВАК.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы из 107 наименований и четырёх приложений. Содержание изложено на 167 страницах машинописного текста, который поясняется 61 рисунком и 20 таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели и научные задачи исследования; приведены основные научные результаты, выносимые на защиту; показана научная новизна исследований и оценена их практическая значимость; отражены уровень апробации и личный вклад соискателя в решении научных задач;

даны структура и объём диссертационной работы, а также объём публикаций.

В первой главе приведён обзор состояния ВЛ, выявлены основные виды повреждений конструктивных элементов, обсуждены причины их возникновения. Выделены наиболее острые проблемы эксплуатации ВЛ и вопросы, требующие дальнейших исследований и решения.

Во второй главе проведён анализ статистики отключений ВЛ-110 кВ в ОАО «Тюменьэнерго», который показал доминирующую долю грозовых отключений, что вполне объяснимо высоким сопротивлением заземляющих устройств и, соответственно, недостаточной эффективностью защиты ВЛ тросами. Применение защитных аппаратов ОПН-Лир и ОПН-Лит (рисунок 1) подтвердило правильность решения: оно позволило сократить общее количество отключений ВЛ и полностью исключить двухцепные отключения ВЛ.

Рисунок 1 — Монтаж аппаратов ОПН-Лир (а) и ОПН-Лит (б)

Второй важной проблемой являлся поиск конструктивных и технологических решений, направленных на повышение надёжности работы фундаментов опор. Из пяти опробованных вариантов сооружение поверхностных (лежневых) фундаментов с перестановкой опор, а также усиление фундаментов крестовыми сваями признаны наиболее перспективными конструкциями при строительстве новых, так и для усиления построенных свайных фундаментов опор.

Известно, что большая доля отключений ВЛ 110 кВ связана с перекрытиями изоляции по неустановленной причине, которые названы автором «немотивированными отключениями ВЛ» — (НМО). Расследованиями НМО и прямыми высоковольтными испытаниями установле-

но, что перекрытия изоляции не связаны напрямую с какими либо дефектами изоляции, появившимися при изготовлении или во время эксплуатации. Поэтому наиболее вероятными причинами могли стать увлажнение и загрязнение, вмешательство птиц и другие причины, которые и были исследованы в диссертационной работе.

В третьей главе рассмотрен классический механизм перекрытия изоляции при загрязнении и увлажнении и его модификация, касающаяся районов с лёгкими загрязнениями. Проведён анализ метеорологических условий, сопутствовавших каждому случаю отключения на примере пятилетнего опыта эксплуатации двух «проблемных» В Л 110 кВ. К анализу по подозрению на перекрытие увлажнённой изоляции были привлечены 137 из 256 немотивированных отключений ВЛ. В архиве сервера «Погода России» были взяты значения температуры и её перепада накануне перекрытия, относительной влажности воздуха и скорости ветра. При обработке выбирались данные, относящиеся к одному из указанных метеофакторов. На рисунке 2 приведена интегральная зависимость удельного числа отключений В Л от относительной влажности воздуха. Зависимость построена по отключениям, произошедших при относительной влажности воздуха более 84 %.

В статистику распределения отключений ВЛ в зависимости от перепада температуры были включены все случаи, произошедшие в интервалах перепада от -8 до +8 градусов. Две трети отключений в выбранной группе возникли при понижении температуры в диапазоне ДТ = [0 - (-6)] °С. Связь вероятности отключений ВЛ со скоростью ветра отражена на рисунке 3. В выборку вошли данные со скоростью ветра до 8 м/с включительно. Их оказалось 134 из 137.

Видно, что максимальное количество отключений произошло при скорости ветра 2 м/с, а более 80% всех отключений возникли при скорости ветра до 4 м/с включительно. По результатам анализа связи с метеофакторами установлено сочетание признаков немотивированных

Рисунок 2 - Зависимость удельного числа отключений ВЛ 110 кВ от относительной влажности воздуха.

р, %

отключений ВЛ, которые могли иметь причиной перекрытие загрязнённой и увлажнённой изоляции.

Перекрытие гирлянд загрязнённых изоляторов могло иметь место при следующих метеоусловиях: предутреннее понижение температуры после жаркой погоды, имевшей место накануне и продолжавшейся вплоть до ночного времени; малой, но конечной скорости ветра; высокой (более 84 %) относительной влажности воздуха. Косвенное подтверждение возможному влагоразрядно-му механизму перекрытия гирлянд дали результаты электронно-оптического обследования ВЛ, показавшие, что интенсивность разрядных процессов на изоляторах существенно возрастала в предутренние часы (рисунок 4).

6 V, м/с

Рисунок 3 - Зависимость удельного числа отключений ВЛ 110 кВ от скорости ветра.

Рисунок 4 - Свечение разрядов на нижних изоляторах гирлянд ВЛ 110 кВ, полученные камерой "ЭауСог 8ирегВ".

Как указывалось ранее, большинство перекрытий изоляции возникали и в отсутствие таких явных увлажняющих факторов как морось или туман. Необходимо была достаточно высокая относительная влажность воздуха. Кроме того, зависимость вероятности перекрытия от скорости ветра, полученная при анализе практического опыта эксплуа-

ям \

№й®3'М8 а? вам?

тации и приведённая на рисунке 3, находится в явном противоречии с моделью увлажнения по механизму инерционного осаждения капель адвективного тумана. Это противоречие можно снять, при конденсационном механизме увлажнения, который можно описать следующим образом. Поскольку поверхность изолятора в утренние часы имеет пониженную температуру, то на ней конденсируется влага при условии, что давление паров воды в поступающем воздухе будет больше, чем давление насыщающих паров при температуре, равной температуре поверхности изолятора

Р(Н20)>Рнас(Гю). (1)

Безразмерный поток влаги на поверхность, или так называемое число Стентона, определяется как

а -(2)

р0-£/0-ДС,

где И — коэффициент диффузии молекул воды в воздухе; р — плотность воздуха; С/о — скорость воздуха; С\ — массовая доля воды в воздухе; ДС1 - разница массовых долей воды в набегающем потоке воздуха и воздухе, в котором произошла конденсация влаги у поверхности холодного изолятора.

Число Стентона слабо меняется с ростом числа Рейнольдса, которое характеризует переход ламинарного течения в турбулентный режим. Число Рейнольдса, (Яе), для скорости воздуха 2 м/с и характерном размере изолятора составляет примерно 104. Отметим, что это значение примерно соответствует переходу от ламинарного к турбулентному режиму течения воздуха вокруг изолятора.

При выполнении количественных оценок были приняты значения вязкости г] =1,8-10~5 Па с; характерного размера изолятора й ~ 10 см; плотности воздуха р «1,3 кг/м3 и коэффициента диффузии В «2 10"5 м2/с. Для оценки массовой доли воды, считалось, что изолятор имеет температуру 5°С, а температура и относительная влажность набегающего воздуха составляют 15 °С и 80 %, соответственно. При этих численных значениях АС] составит примерно 4 -10"3.

Для Яе =104 число Стентона можно оценить из соотношения

Ло-&"-102я0,4, (3)

где Бс — число Шмидта; п = 0,66 для ламинарного течения и п = 0,6 для турбулентного течения.

& = --3-. (4)

£>-р

Подставляя значение числа Шмидта для воздуха Яс ~ 0,69 из (4), можно оценить поток конденсата на единицу площади поверхности изолятора

у^ОдР-ио'АС, ^ ^ (5)

100-0,8 см2

Полученное значение оказалось на порядок больше, чем по механизму инерционного осаждения капель адвективного тумана, что косвенно доказывает возможность перекрытия изоляции при конденсационном механизме увлажнения. Подчеркнём ещё раз, что поток конденсирующейся влаги очень сильно зависит от разности температур воздуха и изолятора и от относительной влажности воздуха. Зависимость от скорости набегающего потока также есть, но она не слишком велика. В ламинарном режиме течения она слабо увеличивается с ростом скорости. В турбулентном режиме конденсация тоже несколько увеличивается, так, например, рост скорости ветра в два раза приводит к росту скорости конденсации примерно в 1,5 раза.

В процессе десорбции воды должны происходить следующие процессы. Во-первых, если влага конденсируется в виде капель, то набегающий поток воздуха будет срывать капли за счёт того, что к поверхности капли приложена сила, связанная с движением воздуха. Во-вторых, если влага конденсируется на частичках грязи, находящихся на поверхности, то поток ветра будет отрывать частицы вместе с влагой. Тем самым, при некоторой скорости ветра может начаться уменьшение количества воды, находящейся на поверхности.

Силы, которые отрывают каплю или частицу, имеют одну и ту же природу. В случае, когда движение воздуха является ламинарным, эта сила определяется вязкостью воздуха. Для оценки её значения, можно, для простоты, считать, что воздух обтекает круглое тело. Сила сопротивления, так называемая сила Стокса, зависит от радиуса частицы, вязкости и скорости

^лам=6Я-Г|-Г-и. (6)

Если движение воздуха вокруг изолятора становится турбулентным, то сила сопротивления качественно меняет вид

-^турб = Р" ^о ■ ^ ■ к, (7)

где часть площади частицы, перпендикулярная потоку Б=ш2\

11

к — коэффициент порядка к = 0,5;

Сравнение значений сил показывает, что в турбулентном режиме срывающая сила будет примерно на два порядка превышать силу, действующую в ламинарном режиме обтекания воздухом поверхности изолятора. Отрыв частиц загрязнения (и капель воды) будет происходить, примерно тогда, когда срывающая сила начнёт превышать вес частицы (или капли). Оценки показывают, что в ламинарном режиме это не может быть достигнуто, тогда как в турбулентном режиме, при скорости примерно (2-3) м/с, возможен отрыв частиц имеющих размеры даже в десятые доли миллиметра.

Таким образом, в соответствии с рассмотренными явлениями и их количественными оценками, количество влаги, попадающей на поверхность, увеличивается с ростом скорости ветра, но при скорости К ~ (2 — 3) м/с резко усиливается процесс отрыва капель воды с поверхности изолятора. В итоге, максимальное значение интенсивности увлажнения следует ожидать именно при этой скорости ветра, что практически совпадает со скоростью ветра по зависимости на рисунке 3.

По нашим данным впервые следующим был поднят вопрос о воздействии на загрязнённую и увлажнённую изоляцию локальных коммутационных перенапряжений высокой частоты. Следует отметить, что перенапряжения при включении и выключения с концов BJI хорошо изучены. Гораздо менее исследованы перенапряжения, которые могут возникнуть, например, при отключениях нагрузки на отпаечных линиях. На BJI 110 кВ, широко распространённых в электросетевом комплексе, наличие отпаек - явление достаточно распростанённое. Сброс нагрузки на отпаечных подстанциях сопровождается переходным процессом, и при небольшой длине отпайки на данном участке BJI формируются перенапряжения достаточно высокой частоты. Важно то обстоятельство, что эти перенапряжения могут привести к перекрытию загрязнённой и увлажнённой изоляции на ВЛ, но при этом не фиксироваться на подстанциях по концам ВЛ. Данная гипотеза родилась при анализе многочисленных НМО В Л 110 кВ.

На первом этапе для расчётов использовалась программа МАЭС, а одна из реальных схем электропередачи 110 кВ была предельно упрощена: в ней была оставлена одна отпайка варьируемой длины (А=5 км и Б= 20 км), и сброс нагрузки моделировался отключением подстанции, питаемой через отпайку.

Рисунок 5 - Фазные напряжения на отпайках «А» и «Б» при отключении нагрузки.

Результаты расчётов приведены на рисунке 5 для случаев отключения нагрузки на концах отпаек разной длины. Момент отключения нагрузки примерно совпадал с максимумом переменного напряжения на фазе С. На ней же возникали наибольшие напряжения.

На рисунке 6 приведена расчётная осциллограмма фазного напряжения на шинах питающей подстанции при отключении отпайки в момент амплитудного значения напряжения. Видно, что после коммутации форма напряжения слегка искажена наложенными ВЧ колебаниями в течение времени, примерно равном полупериоду напряжения. Линейная фильтрация осциллограммы имитировала запись возможной аварийной осциллограммы «чёрным ящиком». На ней высокочастотные перенапряжения практически не видны.

При выбранных параметрах модели, максимальные перенапряжения возникали на отпайках и составили около 120 кВ, что соответствовало кратности перенапряжения Кпер ~ 1,18. Поскольку процесс перекрытия загрязнённой и увлажнённой изоляции имеет некоторую инерционность, то представлялось очевидным, что на вероятность перекрытия должна влиять не только амплитуда, но и длительность перенапряжений. В этом смысле, исходя из вида осциллограмм, приведённых на рисунке 4, можно было предположить, что наиболее вероятные места перекрытия изоляции должны сосредотачиваться вблизи отпайки Б и на ней самой (120 кВ с длительностью около 0,2 мс). Действительно, на реальной ВЛ перекрытия изоляции (в случаях, когда они были обнару-

90 <:, мс 100

Рисунок 6 — Фазное напряжение на шинах питающей подстанции при отключении отпайки.

жены) наиболее часто возникали на участке BJI с солончаковыми почвами и в пяти пролётах от отпайки, которую мы условно назвали отпайкой «Б». Нелишне также отметить, что неподалёку от этого участка BJ1 расположены несколько болотцев и достаточно большое озеро. Таким образом, есть источник загрязнения и увлажнения изоляции и возможность локального повышения напряжения при сбросе нагрузки на отпаечной подстанции, т.е. все факторы увеличивающие вероятность перекрытия изоляции.

Вблизи шатающей и приёмной подстанций перекрытия подвесной изоляции ВЛ маловероятны из-за меньшей амплитуды и короткой длительности импульсов перенапряжения.

Во второй серии расчёты с использованием программного пакета ATPDrow проводились для реальной схемы электропередачи 110 кВ с питающей (ПС 1 ), приёмной (ПС2) и отпаечными ПС (3 - 6) подстанциями и проблемными (в части НМО) линиями. Результаты расчётов показали, что высокочастотные перенапряжения слишком малы, чтобы вызвать перекрытие линейной изоляции. Какими бы большими не были возмущения на стороне низкого напряжения, они не приводили к сколь-нибудь заметным перенапряжениям на стороне 110 кВ. Исключение составил один расчётный случай, когда на ПС 3 основной нагрузкой был нагруженный двигатель (мощностью 4 МВА), который при отключения небольшой промежуток времени работал в режиме генератора (рисунок 7). Этот случай имеет место, например, в схемах электроснабжения нефтедобывающих организаций с мощными синхронными электродвигателями.

Расчётные осциллограммы фазных напряжений при коммутации данного вида нагрузки, соответствующие наиболее тяжёлому режиму коммутации при токе среза выключателя в 10 А, приведены на рисунке 8,а. Видно, что перенапряжения на стороне 110 кВ достигают величины 158 кВ, т.е. имеют кратность Кпер =1,5. При этом на шинах 110 кВ питающей и приёмной подстанций напряжения остаются почти неизменными (рисунок 8,6).

Рисунок 7 - Полная эквивалентная схема линии электропередачи 110 кВ с нагрузкой в виде мощного электродвигателя на ПС 3.

Рисунок 8 - Расчётные осциллограммы фазных напряжений в начале отпайки (а) при отключении ПС 3 {Umax = 158 кВ) и на шинах питающей ПС1 (б).

В четвёртой главе методами многофакторного анализа выявлены признаки «птичьих» и комбинированных отключений BJT. Из хронометрического анализа НМО двух BJI 110 кВ с успешным АПВ были получены распределения НМО по месяцам года (рисунок 9), в котором вы-

деляется период с апреля по сентябрь. Частые отключения BJI наблю-

дались весной в конце апреля и в начале мая.

70 60 50 40 30 20 10 0

№ откл.

Л_т_i ■ Сумма j__

; "ВЛ2 ; ||| ■

Они могли быть спровоцированы и прилетающими после зимы птицами, и увлажнением загрязнённой после зимы изоляции. Небольшой провал в июне вполне объясним обеими версиями,

123456789 10

11 12 Месяц

Рисунок 9 - Распределение отключений BJI 110 кВ по месяцам года.

если вспомнить, что в это время птицы высиживают птенцов, а «зимняя» грязь с поверхности изоляторов смыта дождями. Июльский пик НМО

и отключений в августе и сентябре, также могут быть объяснены обеими версиями: у птиц растёт «охотничья» активность, а птенцы «встают на крыло».

70

60 50 40 30 20 10 + О

№ откл.

ш

• Сумма BJI2 1ВЛ1

Часы

[ЩДмДИРЦд

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

Рисунок 10 - Распределение отключений BJI 110 кВ по времени суток.

Летом дневная жара способствует накоплению в воздухе влаги, которая затем конденсируется на поверхности изоляторов в утренние часы. Показателен и суточный график отключений, приведённый на рисунке 10. Он наглядно иллюстрирует проблему отключений ВЛ «на заре». Заметим, что подобное поведение наблюдается и на ВЛ 220

кВ, расположенных в той же географической зоне.

Гипотеза о «птичьих» отключениях ВЛ 220 кВ в Забайкалье в осенне-зимний период с перекрытием изоляции по струе помёта была усилена следующими аргументами.

- ВЛ смонтирована на железобетонных опорах. В коридоре с нею две ВЛ на металлических опорах работали почти без отключений. Это явный признак «птичьих» отключений: на ж/б опорах птицам сесть некуда, кроме как на конец траверсы над проводом.

- Конец траверсы греется индуктированными токами от магнитного поля, которое формируется фазными токами. В тихую погоду тепло не уносится ветром, конец траверсы подогревается на 10 и более градусов и для птиц становится привлекательнее других элементов. Заметим, что все осенне-зимние перекрытия случились именно в штиль.

- Тот факт, что перекрытия преимущественно случаются на фазах с длинными траверсами, также можно привлечь для усиления птичьей версии. Они и греются сильнее, а ещё на конце длинной траверсы обзор для поиска наземной добычи меньше ограничивается телом опоры.

- Косвенное подтверждение «птичьих» отключений было получено из анализа осциллограмм напряжений записанных регистратором аварийных событий, во время отключений одной из В Л в ноябре 2012 г. Фрагменты записей двух отключений приведены на рисунке 11.

Из осциллограмм видно, что все перекрытия произошли в отсутствие явных перенапряжений и при мгновенных значениях фазного напряжения, близких к амплитудным. Этот факт указывает на механизм «электрического» пробоя воздуха, по крайней мере, в стадии перед полным перекрытием изоляции. Два из четырёх анализируемых отключений произошли на положительном полупериоде, два — на отрицательном, т.е. эффекта полярности в явном виде не было. Обе особенности осциллограмм укладываются в логику двух противоречащих друг другу версий перекрытия «по струе помёта» и перекрытия по «грязи». Последнее, по всей видимости, также заканчивается пробоем воздушного промежутка между концом дугового канала и землёй. Но при перекрытии по поверхности должны были быть видны следы ожога

Рисунок 11 - Осциллограммы фазных напряжений при двух отключениях ВЛ: стрелками отмечены моменты отключений.

тарелок дугой, а их не было. Поэтому вернёмся к версии, перекрытия по струе помёта. Время подлёта помёта к проводу можно посчитать по времени свободного падения: в = g■Г. При в = 2,5 м получаем ( = 0,5 с или 25 периодов напряжения. Если представить струю помета относительно медленно (по сравнению с периодом напряжения) удлиняющейся от траверсы к проводу линии в виде проводящего стержня, то вполне логично, что пробой оставшегося до провода промежутка происходит вблизи максимума напряжения, достаточного для пробоя оставшегося воздушного промежутка до провода. Полярность может быть любой, поскольку промежуток «стержень - провод» обладает неоднородностью с обеих сторон. Разница будет только в направлении развития искрового пробоя. На минусе разряд будет направлен со струи помета, а на плюсе - с провода. При этом при отрицательной полярности напряжения на проводе разрядные градиенты будут немного меньше, т.к. неравномерность поля будет больше на положительном «стержне», чем на «положительном» проводе.

Остальные аргументы были взяты из орнитологических наблюдений за полярной совой, которая в ноябре мигрирует на Юг.

Версия об ещё одной из возможных причин перекрытия изоляции родилась при осмотре первого изолятора одной из демонтированных гирлянд (рисунок 12). На нём хорошо видна ржавчина, отброшенная дугой на периферию следа перекрытия. Явно, что ржавчина не была накопленной в течение долгого времени, а явилась следствием стекания струи воды, накопившейся при выпадении росы на внутренней поверхности уголка (швеллера) траверсы или поддерживающего её раскоса. Роса сначала накапливается в виде капель, которые увеличиваются в размерах, сливаются и образуют ручеёк, который увеличивается по мере слияния с другими каплями росы и в итоге стекает непосредственно на гирлянду.

Рисунок 12 - Внешний вид изолятора со следами перекрытия

- Г "Т

Среди относительно выявленных недавно, но, как выясняется, достаточно распространённых (в Сибири, Оренбуржье и других районах) причин отключений В Л 110 кВ отметим влияние паутины. Паутина пока она находится в сухом состоянии, по-видимому, может выдержать рабочее напряжение (в Оренбургских степях в засуху наблюдались гирлянды изоляторов, сплошь опутанные паутиной), но при увлажнении утренней росой инициирует перекрытие. Ясно, что после перекрытия паутина сгорает, и место перекрытия, а, тем более его причину, определить очень трудно. Пик «паутинных» отключений приходится на засушливые периоды в августе и начале сентября.

Основные выводы и рекомендации

1 Анализ отключений В Л 110 кВ в ОАО «Тюменьэнерго» показал доминирующую, с большим отрывом, долю грозовых отключений. Применение защитных аппаратов ОПН-Лир и ОПН-Лит подтвердило правильность решения: оно позволило сократить общее количество отключений В Л более чем в 10 раз и полностью исключить двухцепные отключения ВЛ.

2 Сооружение лежневых фундаментов с перестановкой опор имеет перспективы при строительстве новых опор в болотистых грунтах. Крестовые сваи останавливают дальнейшее пучение свайных фундаментов опор, если оно не превысило 1,5 м.

3 Перекрытия изоляции по невыясненным причинам составляют (12-15) % от общего числа неплановых отключений и не связаны напрямую с какими либо дефектами изоляции.

4 Гипотеза о механизме перекрытия изоляции с лёгким загрязнением, обусловленном резким изменением распределения напряжения вдоль гирлянд изоляторов при увлажнении их поверхности, требует дальнейшей экспериментальной проверки и подтверждения. Вместе с тем, можно утверждать, что общим признаком всех известных данных по перекрытиям гирлянд слабозагрязнённых изоляторов является повышенная относительная (91 %) влажность воздуха.

5 Разработана математическая модель увлажнения поверхности изоляторов по конденсационному механизму. С помощью этой модели можно объяснить установленный при статистической обработке данных по отключениям ВЛ максимум вероятности отключения ВЛ от скорости ветра при (2 - 3) м/с.

6 Предложено учитывать влияние на перекрытие загрязнённой и увлажнённой изоляции локальных повышений напряжения. Они могут

формироваться, например, при отключении отпаек и/или сбросах нагрузки, подключённой к ним, особенно в виде заторможенных двигателей (кратность перенапряжений до 1,5). Показано, что локальные повышения напряжения остаются незаметными для измерительных и регистрирующих приборов на подстанциях вследствие высокой частоты (десятки килогерц) и короткой длительности.

7 При испытаниях влагоразрядных характеристик изоляции требуется метод, более адекватно воспроизводящий метеорологические условия и процессы предваряющие и сопровождающие момент отключения ВЛ. Отдельный интерес представляет исследование механизма и оценка величины напряжений перекрытия увлажнённой и загрязнённой изоляции при сочетанном действии переменного напряжения и высокочастотных перенапряжений.

8 На практических примерах показано, что многофакторным анализом можно определить наиболее вероятные причины отключений.

9 Важными с методической точки зрения являются предложенные для анализа дополнительные признаки отключений ВЛ, вызванные вмешательством птиц. Предложено проводить анализ напряжений, записанных регистратором аварийных событий до, в момент и после отключения В Л с последующим успешным АПВ. Предложено учитывать нагрев траверс индукционными токами.

10 Сформированы рекомендации по порядку и объёму работ по определению причин немотивированных отключений ВЛ. Даны рекомендации по мероприятиям, направленным на сокращение числа немотивированных отключений.

Список научных трудов по теме диссертации

Статьи, опубликованные в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК

1 Боровицкий, В.Г. О перекрытиях по невыясненным причинам гирлянд стеклянных изоляторов на воздушных линиях 110 кВ / В.Г. Боровицкий [и др.] // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. -2013.-№1.-С. 383 -386.

2 Боровицкий, В.Г. Возможные причины отключений воздушных линий электропередачи 220 кВ в Южном Забайкалье / В.Г. Боровицкий [и др.] // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2013. - №2. -С. 290-294.

Статьи, опубликованные в российских изданиях; материалы международных и всероссийских конференций

1 Боровицкий, В.Г. Подвесные ОПН как средство повышения надёжности работы воздушных линий электропередач (опыт применения) / В.Г. Боровицкий [и др.] // Энерго-Info. - 2008. - № 11. - С. 56 -61.

2 Боровицкий, В.Г. Эксплуатация фундаментов опор BJI в условиях Крайнего Севера. Проблемы и решения / В.Г. Боровицкий // Новости Электротехники. - 2010. - № 2. - С. 72 - 74.

3 Боровицкий, В.Г. Опыт применения линейных защитных аппаратов (ОПН) / В.Г. Боровицкий [и др.] // Линии электропередачи 2010: проектирование, строительство, опыт эксплуатации и научно-технический прогресс: материалы четвёртой Российской науч.-практ. конф. с междунар. участ. - Новосибирск. - 2010. - С. 136 — 142.

4 Боровицкий, В.Г. Проблемы утренних отключений воздушных линий электропередачи / В.Г. Боровицкий, А.Г. Овсянников // Линии электропередачи 2010: проектирование, строительство, опыт эксплуатации и научно-технический прогресс: материалы четвёртой Российской науч.-практ. конф. с междунар. участ. — Новосибирск. — 2010. — С.274 - 279.

5 Боровицкий, В.Г. Локальные высокочастотные перенапряжения на ВЛ 110 кВ / В.Г. Боровицкий [и др.] // Материалы 7-го семинара Общественного Совета специалистов Сибири и Дальнего Востока по диагностике электрических установок. — Новосибирск: СИБПРИНТ. -2012. — С.14 — 22.

6 Боровицкий, В.Г. Сравнение способов увлажнения при определении влагоразрядных характеристик / В.Г. Боровицкий [и др.] // Материалы 1-го семинара Общественного Совета специалистов Сибири и Дальнего Востока по диагностике электрических установок. - Новосибирск: СИБПРИНТ. - 2012. - С.48 - 60.

7 Боровицкий, В.Г. Высокочастотные перенапряжения на ВЛ 110 кВ при отключениях отпаечных линий / В.Г. Боровицкий [и др.] // Линии электропередачи 2012: проектирование, строительство, опыт эксплуатации и научно-технический прогресс: материалы пятой Российской науч.-практ. конф. с междунар. участ., Новосибирск, 11-13 сентября 2012 г. - Новосибирск. - 2012. - С. 190 - 195.

8 Боровицкий, В.Г. Связь вероятности перекрытия изоляции BJT 110 кВ с метеорологическими факторами / В.Г. Боровицкий [и др.] // Линии электропередачи 2012: проектирование, строительство, опыт эксплуатации и научно-технический прогресс: материалы пятой Российской науч.-практ. конф. с междунар. участ., Новосибирск, 11-13 сентября 2012 г. - Новосибирск. - 2012. - С. 196 - 202.

9 Боровицкий, В.Г. Отключения отпаечных линий В Л 110 кВ. Влияние высокочастотных перенапряжений / В.Г. Боровицкий, А.Г. Овсянников // Новости электротехники, 2012, № 6 (78). - С. 58 - 60.

10 Borovitsky, V.G. Possible reasons of transmission line unexplained outages /V.G. Borovitsky, A.G. Ovsyannikov // Proc. of 18th ISH, Seoul, 25-30 August 2013. [Электронный ресурс]. - Paper PG-08. - C. 2295 - 2298 / Book of abstracts. - C. 509.

Отчёты о научно-исследовательских работах

1 Системный подход в разработке усовершенствованных электросетевых конструкций: отчёт о НИР (промеж.), г/б —11/ ФБОУ ВПО «Новосиб. гос. акад. вод. трансп.»; рук. Горелов В.П.; ис-полн. Боровицкий В.Г. [и др.]. - Новосибирск, 2013. - 118 с. - Библи-огр.: с. 102-118. - ГР №01.88. 0004137. - Инв. № 02201100473.

2 Исследование причин немотивированных отключений ВЛ 110 кВ и разработка рекомендаций по снижению их числа: отчёт о НИР (промеж.), г/б - 11/ ФБОУ ВПО «НГАВТ»; рук. Горелов В.П.; отв. исполн. Боровицкий В.Г. [и др.]. - Новосибирск, 2013. - 164 с. - Биб-лиогр. с. 155-164. - ГР №01.88. 0004137.

Личный вютад в статьях, опубликованных в соавторстве составляет не менее 50 %.

Подписано в печать 23.10.2013 г. с оригинал-макета.

Бумага офсетная № 1, формат 60 х 84 1/16, печать трафаретная - Riso. Уел печ. л. 1,3. Тираж 130 экз. Заказ №119. Бесплатно.

ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта»

ФБОУ ВПО («НГАВТ»).

630099, Новосибирск, ул. Щетинкина, 33.

Отпечатано в типографии ФБОУ ВПО «НГАВТ»

ФБОУ ВПО «НОВОСИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ВОДНОГО ТРАНСПОРТА»

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН НЕМОТИВИРОВАННЫХ ОТКЛЮЧЕНИЙ ВЛ 110 кВ И РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО СНИЖЕНИЮ ИХ ЧИСЛА

Специальность 05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические системы

Диссертация на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Овсянников Александр Георгиевич

На правах рукописи

БОРОВИЦКИЙ

Василий Геннадьевич

Новосибирск - 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................4

ГЛАВА 1 ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ И ТЕХНИЧЕСКОЕ

ОБСЛУЖИВАНИЕ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ........11

1.1 Причины технологических нарушений и отказов воздушных линий электропередачи ..11

1.2 Регламентированные методы оценки технического состояния воздушных линий электропередачи и их совершенствование.................32

1.3 О некоторых общих проблемах эксплуатации воздушных линий электропередачи .. 43

1.4 Выводы .. ... 48 ГЛАВА 2 ПОВЫШЕНИЕ НАДЁЖНОСТИ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ 110 кВ ПУТЁМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ИХ КОНСТРУКЦИИ.............................................................................49

2.1 Статистика отказов ВЛ 110 кВ в ОАО «Тюменьэнерго» .... 49

2.2 Совершенствование конструкций и технологии монтажа фундаментов В Л 51

2.3 Повышение грозоупорностиВЛ 110 кВ ............63

2.4 Общая характеристика отключений ВЛ 110 кВ по невыясненным причинам . 74

2.5 Выводы .81 ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИЧИН ПЕРЕКРЫТИЯ ИЗОЛЯЦИИ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ................................83

3.1 Классический механизм перекрытия загрязнённой и увлажнённой изоляции ..........................83

3.2 Модификация механизма перекрытия изоляции при загрязнении и увлажнении .92

3.3 Практический пример определения зависимости вероятности отключений линий от метеорологических условий ...99

3.4 Анализ процессов адсорбции-десорбции влаги на поверхности изолятора 110

3.5 Связь отключений BJI с режимом электропередачи ... 116

3.6 Полевые регистрации локальных перенапряжений ........................125

3.7 Выводы ..........................................................................129

ГЛАВА 4 МНОГОФАКТОРНЫЙ АНАЛИЗ НЕМОТИВИРОВАННЫХ ОТКЛЮЧЕНИЙ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ 110 кВ И РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО СНИЖЕНИЮ ИХ

ЧИСЛА . 131

4.1 Хронометрический анализ немотивированных отключений В Л . 131

4.2 Признаки отключений В Л вследствие вмешательства птиц .. 133

4.3 Смешанные и другие причины отключений ВЛ .. 143

4.4 Разработка рекомендаций по выяснению причин немотивированных отключений В Л 147

4.5 Рекомендации по снижению числа немотивированных отключений

ВЛ ..................................................153

4.6 Выводы 154 ЗАКЛЮЧЕНИЕ .. 155 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 157 ПРИЛОЖЕНИЕ А. Вклад соискателя в опубликованные научные разработки, принадлежащие соавторам, коллективно с которыми

они были написаны . 168 ПРИЛОЖЕНИЕ Б Акты (копии) о внедрении научных положений

и выводов диссертации 170 ПРИЛОЖЕНИЕ В. Протокол (копия) высоковольтных испытаний

демонтированных с ВЛ гирлянд изоляторов ... 172

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Протокол (копия) обследования ВЛ 181

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Основными элементами электросетевого хозяйства являются воздушные линии электропередачи (BJ1) класса напряжения 110 кВ. Их протяжённость самая большая среди линий, предназначенных для передачи электрической энергии. Возросшие требования к надёжности BJI и экономические потери при случайных отключениях BJI диктуют необходимость выяснения причин отключений и разработки мероприятий по сокращению их числа, проведения работ по осознанному и целенаправленному обслуживанию и ремонту ВЛ.

Наибольшее число отключений BJI 110 кВ имеет причиной воздействие атмосферных перенапряжений от прямых ударов молнии в линию. На территории ОАО «Тюменьэнерго» проблема грозоупорностиВЛ обострена ещё и вследствие высокоомных сопротивлений заземления опор, вызванных, в свою очередь, высоким удельным сопротивлением мёрзлых и песчаных грунтов. Вполне разумной альтернативой в этой ситуации представлялась установка на опорах подвесных защитных аппаратов, выполненных на основе нелинейных ограничителей перенапряжений и искровых промежутков. Разработкой технических требований к этим аппаратам занимались такие организации как ВНИИЭ, СибНИИЭ, НГТУ, НИИПТ, «Феникс-88» под руководством таких учёных и специалистов как Ка-домская К.П., Гайворонский A.C., Кузьмичёва К.И., Дмитриев М.В. и др.

Фирмой «Феникс-88» при участии автора были разработаны оптимальные конструкции защитных аппаратов, определены наиболее необходимые места их размещения и выполнен монтаж аппаратов на реальных линиях. Опыт эксплуатации защищённых таким образом линий, полученный в течение нескольких грозовых сезонов уже доказал правильность выбранного решения.

Ещё одной из проблем, требовавших вмешательства в конструктивные решения элементов ВЛ-110 кВ была проблема обеспечения надёжности фундаментов опор. Наиболее серьёзный ущерб линиям в тюменском регионе наносит повреждение фундаментов опор из-за морозного пучения, а также разрушение бе-

тона свай из-за резких перепадов температур и воздействия агрессивной среды в местах разлива нефти, обводнения с примесями химических компонентов, используемых в процессе нефтедобычи.

Автором совместно с несколькими проектными организациями разработаны и опробованы в реальных условиях эксплуатации несколько вариантов конструктивного и технологического исполнения фундаментов: обваловка фундаментов опор на высоту, исключающую оттаивание зоны сезонного промерзания грунта; установка термостабилизаторов - сезонно-охлаждающих устройств вблизи свай фундамента;применение винтовых свай; сооружение поверхностных (лежневых) фундаментов и перестановка опор и усиление фундаментов крестовыми сваями. Последнее решение видится наиболее перспективным как при строительстве новых, так и для предотвращения выпучивания уже построенных свайных фундаментов опор.

Третьей в иерархии проблем надёжности эксплуатации ВЛ 110 кВ, причём не только в тюменском регионе, а и мировом масштабе является проблема отключений по невыясненным причинам. В своём большинстве отключения линий связаны с немотивированными, т.е. неподдающимися объяснению перекрытия изолирующих подвесок проводов, как гирлянд стеклянных изоляторов, так и полимерной изоляции. Несмотря на то, что доля их в общем числе аварийных отключений ВЛ невелика, отключения ВЛ из-за немотивированного перекрытия гирлянд изоляции вызывают серьёзную озабоченность эксплуатирующего персонала. Автором рассмотрены три возможные причины немотивированных перекрытий изоляции: загрязнение и увлажнение изоляции, вмешательство птиц и локальные перенапряжения, а также сочетанные варианты этих и других событий.

Показано, что классические представления о механизме перекрытия загрязнённой и увлажнённой изоляции, развитые в работах НИИПТа (Мерхалёв С.Д., Соломоник Е.А и др.), СредАзНИИЭ (Кравченко В.А., Руцкий В.М. и др.) и СибНИИЭ (Шумилов Ю.Н., Аксёнов В.А. и др.) не могут реализоваться в ре-

гионах с лёгкой степенью загрязнения, к которым относится большинство районов строительства В Л 110 кВ в ОАО «Тюменьэнерго», а длина пути утечки изоляции на В Л 110 кВ с запасом превышает рекомендованную в ПУЭ и других нормативных документах величину. Для объяснения иной возможной реализации механизма перекрытия привлечены и развиты представления о перераспределении напряжения вдоль гирлянды изоляторов за счёт последовательного сверху вниз увлажнения изоляторов гирлянды и перекрытия перегруженных по напряжению нижних изоляторов по механизму электрического пробоя воздуха вдоль поверхности диэлектрика. Применительно к этой цели была сформулирована и решена задача, касающаяся увлажнения поверхности изолятора по механизму конденсации влаги из воздуха, обтекающего изолятор.

Кроме того, установлено, что во многих случаях отключения линий не могут быть объяснены перекрытиями увлажнённой изоляции потому, что они возникают при метеорологических факторах, не обеспечивающих реализацию указанных механизмов, например, при низкой относительной влажности или при отрицательных температурах воздуха. В этих случаях наиболее вероятным объяснением является вмешательство птиц. Хронологический анализ предваряющих и сопровождающих перекрытия процессов с привлечением орнитологических и других наблюдений помогает выявить виновников отключений и сформировать конкретный план действий по сокращению или полному исключению вмешательства птиц.

Подводя итог сказанному, отметим ещё раз, что несмотря на огромный вклад указанных выше организаций и специалистов в решение задач обеспечения надёжности ВЛ, эти задачи остаются в поле внимания исследователей. К таким задачам можно отнести, борьбу с грозовыми отключениями ВЛ, с выпучиванием и разрушением фундаментов опор, перекрытиями загрязнённой и увлажнённой изоляции и перекрытиями изоляции ВЛ по невыясненным или немотивированным причинам.

Решение перечисленных проблем и вопросов весьма актуально.

Объектом исследования являются ВЛ преимущественно класса напряжения 110 кВ, и в отдельных вопросах - 220 кВ.

Предметом исследования являютсяпроцессы, влияющие на отключения ВЛ: грозовые перенапряжения, морозное пучение и разрушение фундаментов опор, загрязнение и увлажнение изоляции, локальные перенапряжения и орнитологические факторы —«птичьи» отключения.

Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами и планом работы академии. Работа выполнялась в соответствии: с научными направлениями исследовательского комитета В2 «Воздушные линии» СИГРЭ и технического комитета № 11 «Воздушные линии электропередачи» МЭК, а также с научной целевой комплексной темой «Разработка мероприятий по повышению надёжности работы оборудования в условиях пониженных температур» (гос. регистр. № 0188.0004.137).

Идея работы заключается во внедрении наиболее эффективных мер повышения надёжности ВЛ и привлечениикомплекса явлений и признаков при объяснении причин немотивированных отключений ВЛ.

Целью работы является разработка научных положений, технических средств и рекомендаций, позволяющих повысить надёжность воздушных линий электропередачи класса напряжения 110 кВ. Для достижения цели в работе ставились и решались следующие взаимосвязанные научно-технические задачи:

- совместно с изготовителем разработать аппараты для защиты В Л 110 кВ от атмосферных перенапряжений в регионах с высоким удельным сопротивлением грунтов, оптимизировать места установки и оценить эффективность работы защитных аппаратов;

- опробовать конструктивные и технологические решения по усилению фундаментов опор и выбрать наиболее эффективные из них;

- провести статистическую обработку оперативной информации и выявить значимые корреляционные связи отключений ВЛ с метеорологическими, орнитологическими, режимными и прочими факторами;

- разработать математическую модель конденсационного увлажнения поверхности изоляции;

- провести расчёты локальных перенапряжений при вариации параметров коммутируемой нагрузки на отпаечных подстанциях;

- разработать рекомендации по выяснению причин немотивированных отключений В Л 110 кВ и по снижению их числа.

Методы исследования. В процессе выполнения исследований применялись: анализ и обобщение данных из литературных источников, методы теоретических основ электротехники и теории электрических сетей, методы математической статистики и теории вероятностей, расчёты по универсальным и специализированным компьютерным программам.

На защиту выносятся:

1 Результаты внедрения защитных аппаратов ОПН-Лир и ОПН-Лит на ВЛ 110 кВ, ранее отличавшихся низкой грозоупорностью.

2 Результаты исследований и практического опробования конструктивных и технологических решений фундаментов опор, направленных на предотвращение их морозного пучения и разрушения.

3 Корреляционные связи немотивированных отключений ВЛ с метеорологическими условиями.

4 Математическая модель конденсационного увлажнения изоляции ВЛ.

5 Результаты расчётов локальных перенапряжений, возникающих при коммутациях нагрузки на отпаечных подстанциях.

6 Орнитологические и другие признаки отключений ВЛ, вызванные вмешательством птиц.

7 Рекомендации по выяснению причин немотивированных отключений В Л 110 кВ и по снижению их числа.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена проведением высоковольтных испытаний в аттестованных испытательных лабораториях с применением поверенных измеритель-

ных приборов и стандартных методов высоковольтных испытаний, использованием для расчётов лицензированного программного обеспечения.

Обоснованность выводов и рекомендаций работы подтверждена публикациями и обсуждениями результатов исследований на международном симпозиуме и российских научно-технических конференциях, а также массовой практической реализацией полученных результатов.

Научная новизна работы характеризуется следующими новыми научными положениями:

- установлено, что наибольшая вероятность перекрытия гирлянд стеклянных изоляторов имеет место при скорости ветра около 2 м/с;

- предложена математическая модель конденсационного увлажнения поверхности изоляторов, которая, в отличие от модели инерционного осаждения капелек тумана, обосновывает возможность перекрытия изоляции в отсутствие тумана и объясняет максимум в зависимости вероятности перекрытия изоляции от скорости ветра;

- при расследовании причин перекрытия изоляции ВЛ необходимо учитывать влияние локальных перенапряжений, которые могут иметь место, например, при коммутации нагрузки отпаечных подстанций;

- при выяснении причин немотивированных отключений ВЛ необходимо анализировать дополнительные признаки, указывающие на вмешательство птиц, в том числе мигрирующих в осенне-зимний период;

- рекомендован порядок выяснения причин немотивированных отключений и мероприятия по снижению их числа.

Теоретическая значимость работы заключается в развитии представлений о механизме перекрытия изоляции ВЛ в районах с лёгким загрязнением, в части количественной оценки увлажнения изоляции по конденсационному механизму и учёта возможных локальных перенапряжений.

Практическая значимость результатов работы заключается в повышении надёжности BJ1 110 кВ путём снижения числа грозовых и немотивированных отключений, предотвращения отказов фундаментов опор.

Реализация работы.Опыт эксплуатации в течение нескольких грозовых сезонов подтвердил высокую эффективность применения защитных аппаратов. На нескольких линиях проведена реконструкция фундаментов опор с применением крестовидных свай. Суммарный ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения этих решений составит более 850 тыс. руб. при сроке окупаемости капитальных вложений около 2 лет (см. Приложение Б).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на 7-м семинаре Общественного Совета специалистов Сибири и Дальнего Востока по диагностике электрических установок, Хабаровск, 2012; на 4-й и 5-й Российских конференциях с межд. участием «Линии электропередачи: проектирование, строительство, опыт эксплуатации и научно-технический прогресс, Новосибирск, 2010 и 2012; на восемнадцатом международном симпозиуме по технике высоких напряжений, Сеул, Ю. Корея, 2013.

Личный вклад. Постановка научно-исследовательских задач и их решения, научные положения, выносимые на защиту, основные выводы и рекомендации диссертации принадлежат автору. Личный вклад в работах, опубликованных в соавторстве, показан в Приложении А диссертации и составляет не менее 50 %.

Публикации. Содержание работы изложено в 14 научных трудах, в том числе, в 2 статьях периодических изданий по перечню ВАК.

Структура и объём днссертации.Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы из 107 наименований и четырёх приложений. Содержание изложено на 167 страницах основного текста, который поясняется 61 рисунком и 20 таблицами.

ГЛАВА 1 ПОКАЗАТЕЛИ НАДЁЖНОСТИ И ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

1.1 Причины технологических нарушений и отказов воздушных линий электропередачи

Уровень повреждаемости элементов ВЛ определяется как свойствами конструкций, так и условиями их эксплуатации. Основные причины отказов элементов В Л и их удельный вес в общем числе отказов [1], приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Удельный вес причин отказов основных элементов ВЛ(35 -500) кВ в 1981-86 гг.

Причины отказа Распределение отказов по элементам ВЛ, %

Опоры Провода Изоляторы

Жел.-бетон. Стальные Деревянные

Атмосферные и климатические воздействия 46,5 51,0 51,8 35,5 41,7

Сторонни