автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Обеспечение работоспособности воздушных линий 35 кВ сельских распределительных сетей, расположенных в обводненных грунтах

На правах рукописи

ЛЯХОВЕЦКАЯ Людмила Владимировна

ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ 35 КВ СЕЛЬСКИХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ, РАСПОЛОЖЕННЫХ В ОБВОДНЕННЫХ ГРУНТАХ

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005548121

!■! п7 I "У! | р

ПЫ, и V : 1 Ь

Челябинск - 2014

005548127

Работа выполнена на кафедре «Электрические машины и эксплуатация электрооборудования в сельском хозяйстве» ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Буторин Владимир Андреевич

Официальные оппоненты: Лещииская Тамара Борисовна,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Электроснабжение и электротехника» им. И. А. Будзко ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет им. В. П. Горячкина»

Кабашов Владимир Юрьевич,

доктор технических наук, доцент, доцент кафедры безопасности жизнедеятельности и экологии ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Красноярский

государственный аграрный университет»

Защита состоится «3» июля 2014 г., в 12.30 часов на заседании диссертационного совета Д 220.069.01 на базе ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия» по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 75.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия» http://www.csaa.ru.

Автореферат разослан «30» апреля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Плаксин

Алексей Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Надежное функционирование электросетей, обеспечивающих электроэнергией предприятия сельскохозяйственного производства, является актуальной проблемой в связи с сезонностью полевых работ, сроками хранения и переработки скоропортящихся продуктов, специфическими природно-климатическими условиями равнинной сельской местности.

Эта проблема актуальна и для Костанайской области Северного Казахстана, которая является одним из крупнейших производителей товарной пшеницы во всем постсоветском пространстве СНГ. В настоящее время в обслуживании электроэксплуатационных предприятий Костанайской области находится более 5200 км линий электропередач сельских распределительных сетей напряжением 35 кВ. Часть территорий, на которых расположены трассы BJI-35 кВ, в настоящее время оказались в зоне обводнения. Обводнение вызвано непредвиденным подъемом грунтовых вод даже в ранее засушливых районах области. По данным ТОО «Коста-найводпроект», в низменной местности грунтовые воды выходят на поверхность земли и сохраняются там до конца июня - начала июля. В этих условиях нарушается устойчивость железобетонных (ж.б.) опор BJI вплоть до их падения. Существующие способы закрепления промежуточных ж.б. опор в обводненных грунтах являются недостаточно эффективными. Нарушению устойчивости опор способствует значительная ветровая нагрузка в V районе по величине скоростного напора и скорости ветра, присущая некоторым территориям Костанайской области.

Таким образом, задача по обеспечению работоспособности сельских распределительных сетей, трассы которых расположены на обводненных территориях, путем повышения устойчивости свобод-ностоящих ж.б. опор является актуальной, требующей дальнейшего развития и совершенствования.

Исследования проводились в соответствии с общими тенденциями развития экономики PIC, заложенными в «Стратегии индустриально-инновационного развития на 2003-2015 гг.».

Цель исследования. Обеспечение длительности работоспособного состояния BJI-35 кВ сельских распределительных сетей,

расположенных на обводненных территориях, путем повышения устойчивости их опор.

Из поставленной цели вытекают задачи исследования:

1. Обосновать взаимосвязь между показателями экономичности и надежности ВЛ-35 кВ сельских распределительных сетей, расположенных в обводненных грунтах.

2. Обосновать математическую модель надежности ВЛ-35 кВ сельских распределительных сетей.

3. Разработать методику определения рационального параметра типа закрепления в грунте свободностоящих ж.б. опор на конических центрифугированных стойках для ВЛ-35 кВ сельскохозяйственного назначения.

4. Разработать технические средства для повышения устойчивости опор ВЛ-35 кВ, расположенных в обводненных грунтах.

Объект исследования. Метод установления рационального параметра типа закрепления ж.б. опор ВЛ-35 кВ сельскохозяйственного назначения, расположенных в обводненных грунтах.

Предмет исследования. Взаимосвязь параметра типа закрепления опоры с коэффициентом готовности и экономическими показателями функционирования ВЛ-35 кВ сельскохозяйственного назначения на обводненных территориях.

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту:

1. Установлена взаимосвязь между показателями надежности и экономичности ВЛ-35 кВ. Обоснован параметр нового типа закрепления опор ВЛ-35 кВ сельских распределительных сетей в обводненных грунтах.

2. Разработана математическая модель надежности ВЛ-35 кВ сельскохозяйственного назначения для стационарного участка ее работы, позволяющая получать численные значения коэффициента готовности.

3. Предложена методика оценки рационального параметра типа закрепления свободностоящих ж.б. опор на конических центрифугированных стойках при их эксплуатации в обводненных грунтах.

Практическая ценность работы и ее реализация:

1. Разработанная модель надежности позволяет получить значения коэффициента готовности с учетом интенсивностей отказов

и восстановлений основных элементов ВЛ-35 кВ сельских распределительных сетей.

2. Полученная взаимосвязь между показателями экономичности и надежности позволит принять обоснованное решение при выборе типа закрепления свободностоящих ж. б. опор в обводненном грунте.

3. Разработан новый тип закрепления в обводненном грунте свободностоящих ж.б. опор на конических центрифугированных стойках, позволяющий повысить коэффициент готовности ВЛ-35 кВ сельскохозяйственного назначения за счет обеспечения устойчивости опор их ВЛ. Новизна технического решения подтверждена двумя патентами РК.

4. Разработанная конструкция аэродинамического гасителя колебаний проводов способствует повышению устойчивости опор ВЛ-35 кВ в V районе по величине ветровой нагрузки. Новизна технического решения подтверждена патентом РФ.

5. Предлагаемый тип закрепления ж.б. опор на конических центрифугированных стойках может быть использован проектно-конструкторскими и эксплуатационными организациями. Данный тип закрепления принят к внедрению в ТОО «ГиП Проект» и в ТОО «Межрегионэнерготранзит» г. Костаная.

6. Материалы теоретических и экспериментальных исследований по теме «Обеспечение работоспособности воздушных линий 35 кВ сельских распределительных сетей, расположенных в обводненных грунтах» используются в курсе лекций по дисциплинам «Эксплуатация электрооборудования», «Эксплуатация систем электроснабжения» и «Надежность электроснабжения» в ЧГАА.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований обсуждались на международных научно-технических конференциях: «Социально-экономические и экологические проблемы в сельском хозяйстве России и стран СНГ» (г. Оренбург, 2006 г.), «Сат-паевские чтения» (г. Павлодар, 2006 г.); «Наука и технологии: шаг в будущее 2006» (г. Белгород, 2006 г.); «Сто лет маслодельной кооперации» (г. Куртамыш, 2007 г.); «КНсоуе аэрек1у уес!еске стпоэи - 2008» (РгаЪа, 2008); «Современные направления теоретических и прикладных исследований 2009» (г. Одесса, 2009 г.); «\Vschodnia Бро1ка -2009» (Ргсетуз!, 2009 г.); «Аграрная наука - основа инновационного

развития АПК» (г. Курган, 2011 г.); «Актуальные проблемы энергетики АПК» (г. Саратов, 2011 г.); «Регерекгу \viczne оргасоугаша Ба пайка 11ес1иикапп —2011» (г. Белгород, 2011 г.), «Достижения науки — агропромышленному производству» (г. Челябинск, 2011-2013 гг.).

Публикация. По теме диссертации опубликовано 26 научных работ, в том числе 5 в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, и три патента на изобретение.

Структура в объем диссертации. Диссертация изложена на 165 страницах машинописного текста, в том числе 124 страницах основного текста, содержит 31 рисунок, 19 таблиц, состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка используемой литературы и приложений. Список используемой литературы включает в себя 96 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, обоснованы цель и задачи исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» приведено краткое описание состояния энергетики Казахстана и Ко-станайской области. Указано, что надежное и бесперебойное электроснабжение потребителей существенно зависит от работоспособности электрических сетей.

Выполнен обзор существующих типов закрепления свобод-ностоящих ж.б. опор в грунте, обзор причин и характера повреждений элементов ВЛ, существующих конструкций и принципа работы гасителей вибрации проводов. Проанализированы показатели надежности ВЛ в условиях эксплуатации. Вопросам обеспечения надежности сельских распределительных сетей посвящены работы И. А. Будзко, Н.М. Зуля, В. П. Калявина, Е.А. Конюховой, Т. Б. Ле-щинской, И. В. Наумова, Л.М. Рыбакова, Н.Е. Савоськина, М.А. Та-ранова, В.Я. Хорольского и др. Важнейшим показателем, оценивающим эффективность функционирования ВЛ как системы электроснабжения, является коэффициент готовности Кг

Отказы, вызванные нарушением устойчивости свободностоя-щих ж.б. опор в обводненных грунтах, в значительной степени зависят от типа закрепления опор в грунте и от величины ветровой нагрузки на провода, приводящей к раскачиванию опор в месте закрепления. Существующие в настоящее время способы повышения устойчивости опор с помощью ригелей не обеспечивают должного уровня их закрепления в обводненных грунтах. На основании изложенного сформулированы цель работы и задачи исследования.

Вторая глава «Теоретические предпосылки обеспечения работоспособности ВЛ-35 кВ сельских распределительных сетей» посвящена определению экономического критерия работоспособности ВЛ и разработке математической модели ее надежности.

Обеспечение работоспособности ВЛ-35 кВ связано с затратами и получением дополнительного дохода. Эффективность предлагаемых мероприятий оценивается максимальным годовьм экономическим эффектом Эр связанным с новым значением коэффициента готовности. Годовой экономический эффект от внедрения мероприятий по обеспечению работоспособности ВЛ определяется как

где ДИ - абсолютное изменение годовых издержек по эксплуатации ВЛ, руб.;

ДУ - абсолютное снижение годового экономического ущерба от уменьшения числа отказов ВЛ, руб.;

ДК- абсолютное годовое изменение капиталовложений в модернизацию ВЛ-35 кВ с целью повышения надежности ее работы, руб.

В работе доказано, что сокращение издержек при внедрении мероприятий по повышению надежности ВЛ составит

где С - среднестатистическая стоимость устранения отказов в год, руб./отказ;

^ - время эксплуатации ВЛ в течение года, ч; Тв - среднее время восстановления ВЛ за год, ч;

ЭГ=ДИ+ДУ+ДК,

(1)

Кп, Кт - базовый и новый коэффициенты готовности ВЛ соответственно.

Исследования показали, что абсолютное сокращение технологического ущерба от недодачи потребителям энергии определяется по формуле

где у0 — удельный ущерб от недоотпуска 1 кВт-ч электроэнергии, руб./кВтч;

Р - активная мощность, кВт.

Величина ДК представляет разность между базовыми и новьми капиталовложениями в систему электроснабжения с учетом повышения ее надежности. Базовые и новые капиталовложения определяются стоимостью изготовления и установки опоры в грунт.

Дополнительные капиталовложения определяются как

где а—коэффициент, учитывающий стоимость затрат на изготовление и установку 1 кг массы системы «опора-изолятор-провод», руб./кг; тъ и тн — массы этой системы в базовом и новом вариантах, кг.

Рассмотрим схему перемещения свободностоящей ж.б. опоры под действием нормативной горизонтальной сдвигающей силы и нормативного опрокидывающего момента (рисунок 1).

Под действием горизонтальной сдвигающей силы <2 опора движется поступательно, а под действием опрокидывающего момента М— вращательно. Совместно с опорой такое сложное плоско-параллельное движение совершают изоляторы и провода.

Применив теорему об изменении количества движения и теорему о движении центра масс к периоду изменения угла поворота опоры от вертикальной оси до предельно допустимого угла по нормативам рпред) при достижении которого требуется выправка опоры, получим

(3)

АК = а • (тн - тБ)

(4)

о

где т — масса системы «опора-изолятор-провод», кг;

усо и у« - скорости центра масс начальная и конечная соответственно за рассматриваемый промежуток времени, м/с; 5. — /-й импульс движущей силы, Нхс; .Р—движущая сила, Н; /1 — период действия импульса силы, с.

р - расчетный угол наклона при установке опоры, рад;

- предельный угол наклона, рад; к - глубина установки опоры в грунт, м; Н, — высота опоры, м;

Я- высота приложения нормативной горизонтальной сдвигающей силы, м;

2й - нормативная горизонтальная сдвигающая сила, кН;

у0 - начальная скорость перемещения верхнего конца опоры, м/с;

у(- конечная скорость перемещения верхнего конца опоры, м/с;

М1- нормативный опрокидывающий момент, кНм.

Рисунок 1 - Схема перемещения опоры при изменении угла наклона

Наработка между отказами представляет время поворота опоры от вертикальной оси до предельно допустимого угла. Рассмотрим уравнение (5) в отдельности для случаев перемещения верхнего конца опоры, установленной в грунт с ригелями и по предложенному типу закрепления, на пути 5 = Я, • Рпред. Выразив средние значения скоростей ув и ун перемещения верхнего конца опоры на этом пути через среднюю наработку между отказами ВЛ в базовом Тоъ и новом Гон вариантах, путем математических преобразований получим, что

т = т

1 он 1 об-

Щ

— Тп, ■ к,

(6)

где тв и тн - массы системы в базовом и новом вариантах соответственно;

К = - коэффициент, характеризующий увеличение

средней наработки между отказами ВЛ-35 кВ при изменении типа закрепления опор в грунте.

Согласно выражению (6), одним из способов повышения наработки между отказами ВЛ и, следовательно, повышения устойчивости опор, расположенных в обводненных грунтах, является увеличение массы системы «опора-изолятор-провод». Базовая масса складывается из масс стандартизированных элементов. Поэтому ее увеличение целесообразно осуществить за счет разработки нового типа закрепления стойки опоры в грунте.

Из уравнения (6) следует, что новая масса системы будет равна

•м

(7)

Выразим Гон из классической формулы для определения коэффициента готовности через Кт

т _ Кгд • ГВс °Н~ 1

(8)

Подставим его значение в формулу (7), получим выражение для определения рационального параметра типа закрепления:

1ОБ

К,

гн

1-к,

гн У

Преобразуем формулу (4) с учетом уравнения (9):

АК = а

Кг

^ОЕ^-^Гн)

■пи

(9)

(10)

Выражение (10) запишем как

Учитывая, что базовые капиталовложения Къ =а-тБ и нормативный коэффициент приведения капиталовложений к году Е, получим

у " -1

АК = КТ_

^ГН '^Вс

•Е,

(12)

ТоБ

где Кв - базовые капиталовложения.

Для оценки К^ целесообразно разработать модель надежности ВЛ-35 кВ системы электроснабжения с использованием теории марковских случайных процессов. Надежность работы каждого элемента системы характеризуется своими значениями интенсивностей отказов и восстановлений. При рассмотрении логической схемы основных элементов системы следует принять последовательное их соединение, так как отказ каждого элемента в отдельности приводит к отказу системы в целом.

Для разработки модели надежности ВЛ-35 кВ составлен граф состояний этой системы, представленный на рисунке 2.

А.12

Ц21

Я.13

Ц31

Я-14

Ц41

-Ш

0

Х.12 - интенсивность отказов опор; X, - интенсивность отказов изоляторов; X. - интенсивность отказов проводов;

14

ц21 — интенсивность восстановлений опор;

ц31 — интенсивность восстановлений изоляторов;

41

проводов

Рисунок 2 - Граф состояний линии электропередачи

Данная модель может находиться в одном из четырех состояний. В состоянии 1 система работоспособна, в состоянии 2 отказывает опора, в состоянии 3 - изолятор, в состоянии 4 - провод. Стрелками указаны направления переходов из одного состояния в другое. Отказы происходят соответственно с интенсивностями отказов \п, 114 и интенсивностями восстановлений ц21, ц31 и ц41.

" С позиции теории случайных процессов граф, представленный на рисунке 2, описывает марковский случайный процесс с дискретными

состояниями и непрерывным временем, обладающим свойством эргодичности. Чтобы найти стационарную вероятность Р1 нахождения ВЛ в состоянии готовности, воспользуемся теоремой, согласно которой, если эргодическая система находится в стационарном режиме, то для любого состояния сумма всех входящих потоков вероятностей должна быть равна сумме всех выходящих потоков. Эта теорема в применении к графу, изображенному на рисунке 2, приводит к следующей системе уравнений:

»ЧЛ+Мэ

¿2^21 = > (13)

Заменим первое уравнение нормированным условием

Р1+Р1+Р,+Р4=1. (14)

Получим

(15)

Р1+Р2+Р3+РА=1,

Р =рЪл.

г2 Г1 ' р

*Ъ М '

Из.

р 4 1

Из уравнений системы (15) выразим вероятности Ру Р3 и Р4 через Ру Подставляя три нижних уравнения в верхнее, получим

1

РХ=КГ =

^12 | ^13 ! ^14 ^21 Из1 1*41

(16)

Уравнение (16) представляет модель надежности ВЛ-35 кВ. С помощью этого уравнения можно определить базовое значение коэффициента готовности этой линии.

Эффективность мероприятий по обеспечению работоспособности ВЛ-35 кВ оценивает годовой экономический эффект. Таким образом, с учетом выражений (2), (3) и (12) целевая функция оптимизации примет вид

^ _ Сер ' ^год

1 — К„- 1 — К„

к„

1 — К„. 1 —

к,

гн у

-к*

к . т

гн 1 вс

Т0в -(1-АГП1)

-1

■Е-

•шах.

(17)

Как следует из выражения (17), получение максимального годового экономического эффекта при эксплуатации ВЛ-35 кВ на обводненных грунтах возможно путем оптимизации коэффициента готовности Кт, позволяющего определить рациональное значение параметра предлагаемого типа закрепления опор по формуле (9).

Подтверждение целесообразности повышения устойчивости опор предложенным способом осуществлено в четвертой главе путем сравнения углов поворота опоры, установленной в грунт при различных типах закрепления.

В третьей главе «Методика проведения исследований» излагается методика оценки параметров целевой функции, включающая в себя оценку показателей экономичности и надежности, оценку коэффициента готовности, а также методика оценки параметра типа закрепления опоры, выбор технических средств, соответствующих параметру типа закрепления опор, сравнение углов поворота опор в базовом и новом вариантах. Описана методика определения сходимости результатов теоретических исследований и экспериментальных данных.

Экономические показатели находятся из литературных источников и данных бухгалтерского учета эксплуатационных организаций. Для определения параметра тп было использовано выражение (9), которое явилось исходным для выбора технического средства, направленного на обеспечение работоспособности ВЛ сельских распределительных сетей путем повышения устойчивости ж.б. опор при эксплуатации их в обводненных грунтах.

Дальнейшие исследования показали, что наиболее близким прототипом, обеспечивающим необходимое значение тн, является

типовой подножник ФС1-4 для особо слабых грунтов. После его модернизации был разработан новый тип закрепления конических центрифугированных стоек ж.б. опор взамен закрепления их с помощью ригелей. Суть предложенного типа закрепления заключается в установке нижней части стойки опоры в ж. б. фундамент, конструкция которого предложена в работе (рисунок 3). Новизна технического решения подтверждена двумя патентами Республики Казахстан. Фундамент состоит из опорной плиты 3 с размерами 2,7x3,5 м, трубчатой стойки 2, куда устанавливается стойка опоры с последующим бетонированием, и двух ребер 1, расположенных вдоль короткой стороны опорной плиты перпендикулярно стойке. Прочность ребра проверена расчетами на величину нормативной сдвигающей силы 10 кН. Ребра выполняют роль ригелей и совокупно с трубчатой стойкой образуют «опорную стенку», увеличивающую в 1,26-2,32 раза по сравнению с ригелями сопротивление горизонтальному смещению и повороту опоры. Высота фундамента - 3 м, глубина заложения в котлован — 3 м.

Рисунок 3 - Схема предлагаемого фундамента

Фундамент располагается в котловане длинной стороной опорной плиты параллельно траверсе опоры. В этом случае при действии горизонтальной сдвигающей силы устойчивость фундамента будет наибольшей.

Масса фундамента предложенной конструкции соответствует массе типового подножника ФС1-4 и составляет 6103 кг. Согласно расчетам, удельное давление на грунт на подошве фундамента для опоры ПБ35-3.1т на стойке СК22.1-1.1 с проводом АС95/16 на пролете 120 м не превышает предельно допустимого.

Таким образом, для оценки рационального параметра тн типа закрепления опор ВЛ-35 кВ в обводненных грунтах необходимо определить взаимосвязь между показателями надежности и экономичности; с помощью разработанной математической модели надежности ВЛ-35 кВ рассчитать К1Ъ; обосновать целевую функцию и на ее основе найти оптимизированное значение Кт; используя это значение, определить данный параметр тн.

Вибрация проводов, возникающая в результате скоростного напора ветра, приводит не только к усталостным разрушениям и обрывам проводов, но и к раскачиванию опор на обводненных грунтах в местах их закрепления в грунте и, как следствие, к нарушению их устойчивости. Согласно исследованиям, приведенным в литературных источниках, амплитуда и частота колебательного процесса проводов пропорциональны скорости ветра. При увеличении скорости ветра увеличиваются параметры колебательного процесса проводов, а соответственно, и опоры. Поэтому следующим техническим решением, направленным на обеспечение работоспособности ВЛ-35 кВ, является разработка аэродинамического гасителя колебаний проводов, снижающего ветровую нагрузку на провод (рисунок 4).

Рисунок 4 - Аэродинамический гаситель колебаний проводов ЛЭП

Новизна этого технического решения подтверждена патентом РФ. Аэродинамический гаситель состоит из корпуса 1, в состав которого входят две полуклеммы 2 и 3, облегающие провод 4. На верхней полуклемме 2 расположены симметрично друг другу сопла 5 в количестве от четырех до шести с насадками 6 в виде полых усеченных конусов. На нижней полуклемме 3 расположены сопла, повернутые насадками в сторону, противоположную насадкам сопел верхней полуклеммы. Узкая часть усеченного конуса сопла 5 на длине, равной диаметру меньшего основания, совместно с расширяющейся частью насадки 6 образует конфигурацию комбинированного сопла Лаваля.

При воздействии ветровой нагрузки на провод 4 воздух, попадая в широкую часть сопла 5 с определенной скоростью, выходит через узкую часть сопла с увеличенной скоростью в отношении, обратно пропорциональном площадям большего и меньшего отверстий соответственно. На основе закона сохранения импульса выбрасываемого вещества создается импульс реактивной силы, способствуя затуханию колебательного процесса. Насадка 6 позволяет увеличить скорость истечения потока воздуха и, соответственно, увеличить реактивную силу. Размеры сопел и насадок определяются максимальной скоростью ветрового потока в регионе. В работе выполнен расчет этих размеров.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» представлены результаты оптимизации устойчивости свободностоящих ж. б. опор ВЛ-35 кВ при эксплуатации в обводненных грунтах.

С помощью математической модели (16) получен базовый коэффициент готовности на основании значений интенсивностей отказов и восстановлений элементов ВЛ-35 кВ, вычисленных по результатам наблюдений за работой ВЛ-35 кВ сельских распределительных сетей Костанайской области за 2008-2012 гг. на трассе протяженностью 948 км, приведенных к 100 км. Данные таблицы 1 являются исходными для получения базового коэффициента готовности.

Реализация методик оценки параметров целевой функции, входящих в формулу (17), позволила получить их значения, представленные в таблице 2.

Таблица 1 - Единичные показатели надежности элементов ВЛ-35 кВ, приведенные к 100 км линии по данным наблюдений за 2008-2012 тт.

Элементы системы Среднее число аварийных отказов Интенсивность отказов X, г1 Интенсивность восстановлений (о., г1

Опора 2,2 0,232 741,117

Изолятор 2,8 0,265 877,756

Провод 2,4 0,253 741,117

Таблица 2 - Параметры целевой функции

Твс'4 Ср,РУб. ( ,ч ГОД' Уо> руб./(кВт-ч) Р, кВт КБ, руб. Клъ Е

11,12 32 860 8 760 33,75 10 123,54 481 500 0,999011 0,15

Значения базового коэффициента готовности, средней стоимости восстановления работоспособности ВЛ, базовых капиталовложений приведены к 100 км трассы линии электропередачи.

Для оценки оптимизированного коэффициента готовности нового варианта Кш с помощью компьютерной программы МаШСАЭ на основании уравнения (17) построен график зависимости экономического эффекта от коэффициента готовности (рисунок 5).

Рисунок 5 - Зависимость экономического эффекта от коэффициента готовности ВЛ-35 кВ сельскохозяйственного назначения

Установлено, что оптимальное значение коэффициента готовности, полученное на трассе сельских распределительных сетей 948 км КП1 = 0,999658, будет соответствовать максимальному экономическому

эффекту на 100 км линии, равному 1 430 ООО руб. В соответствии с оптимизированным значением К^ получена величина параметра тн = 50,3-103 кг предложенного типа закрепления опор для обеспечения их устойчивости, выполненного на основе модернизированного типового подножника ФС1-4.

Сравнительная оценка устойчивости опор предложенного типа закрепления с существующими типами закрепления на ригелях проводилась расчетным и экспериментальным путями.

Расчетным путем выполнено сравнение углов поворота опор р. Опытным путем проведено сравнение между скоростями V перемещения верхнего конца опоры при различных типах закрепления в грунте, а также сравнение коэффициентов готовности Кт, полученных расчетным путем при реализации уравнения (16) и по результатам эксплуатационных наблюдений.

Графики изменения углов поворота опор при различных типах закрепления в зависимости от вида грунта, его удельного сцепления и уровня консистенции, характеризующей степень обводнения, приведены в диссертации. Для примера на рисунке 6 представлен график зависимости между углом поворота опоры Р, рад, и удельным сцеплением грунта с", кН/м2, при установке опоры в пески пылеватые.

Рисунок 6 - Зависимость между углом поворота опоры р, рад, и удельным сцеплением грунта сн, кН/м2, при установке опоры в пески пылеватые

Расчетами установлено, что угол поворота опоры в грунте по предложенному типу закрепления в 1,6-2,5 раза меньше, чем при

1 — Нормативный угол поворота при установке опоры на ригелях;

2 — Расчетный угол поворота при установке опоры на ригелях;

4 5 «

3 — Расчетный угол поворота при сн, нн/мг установке опоры в фундамент

установке на ригелях в диапазоне рассмотренных видов грунтов. Для предложенного типа закрепления опор в грунте средняя наработка между отказами ВЛ-35 кВ, вызванными нарушением устойчивости опор, увеличивается в 1,88-2,57 раза.

Опытным путем проводилась сравнительная оценка устойчивости опор путем сопоставления углов поворота рэ и скоростей V перемещения верхнего конца стойки опоры, установленной в грунт по предложенному типу ее закрепления, с типом закрепления АИ на ригеле АР-6. Наблюдения проводились с 2009-го по 2012 г. на песчаных грунтах протяженностью 50 км. При этом на данном участке в особо ответственных местах были установлены в грунт шесть ж.б. опор на стойках СК22.1-1.1 по предложенному типу закрепления (рисунок 7) взамен установки их на ригелях.

Вид спереди Вид сверху

Рисунок 7 - Экспериментальный фундамент

Результаты проведенных наблюдений приведены в таблице 3.

Наблюдения показали: устойчивость опор, установленных в грунт по предложенному типу закрепления, значительно повышается. Эти опоры имеют значительный запас наработки до предельно допустимого угла поворота. Средняя скорость перемещения верхнего конца стойки опоры, установленной по предложенному типу, в 2,9 раза меньше, чем у опор, установленных на ригелях.

Завершающим этапом оценки параметра тн разработанного типа закрепления опор является сравнение теоретически оптимизированного коэффициента готовности со значением коэффициента готовности, установленным в результате эксплуатационных наблюдений за модернизированной линией длиной 50 км на обводненных песчаных грунтах за период 2009-2012 гг.

Таблица 3 - Результаты наблюдений за модернизированной линией (2009-2012 гг.)

Тип закрепления стойки опоры в фунте № опоры Р . рад Угол поворота, измеренный в 2012 г. Рэ, град/рад УК* % Средняя скорость перемещения верхнего конца опоры v, рад/год

Предложенный тип закрепления 220 0,02 0°13'45"/0,0040 20 0,00100

215 0,02 0°14'26"/0,0042 21 0,00105

205 0,02 0°14'47"/0,0043 21,5 0,00108

170 0,02 0°14'6"/0,0041 20,5 0,00103

147 0,02 0°19'8"/0,0044 22 0,00110

112 0,02 0°14'670,0041 20,5 0,00103

Тип АН с ригелем АР-6 218 0,02 0°35'42"/0,0102 51,0 0,00256

214 0,02 1°114070,0207 104 0,00518

198 0,02 0°38,1070,0111 55,5 0,00278

175 0,02 0°37'28"/0,0109 54,5 0,00273

141 0,02 0о38'3070,0112 56 0,00280

116 0,02 0°3 6*4770,0107 54,3 0,00268

Коэффициент готовности на модернизированной линии длиной 50 км, полученный по результатам наблюдений за отказами элементов этой линии, пересчитан на 100 км трассы и составил Кп{ = 0,99943. При этом оптимизированное значение этого коэффициента готовности в расчете на 100 км трассы, полученное из уравнения (17), составило Кга = 0,999658.

Сравнение по /-критерию Стьюдента оптимизированного и эксплуатационного значений коэффициентов готовности указывает на их несущественное различие.

Расчетами установлено, что применение предлагаемой конструкции аэродинамического гасителя колебаний проводов позволит обеспечить устойчивость опор ВЛ, расположенных в обводненных грунтах и в V районе ветровой нагрузки (нормативное ветровое давление = 1000 Па; скорость ветра v = 40 м/с), за счет создания реактивной силы. С увеличением числа сопел аэродинамического гасителя увеличивается реактивная сила противодействия ветровой нагрузке, действующей на провод, уменьшая амплитуду и частоту его колебаний и, следовательно, уменьшая раскачивание опоры в обводненных грунтах.

Согласно расчетам, в зоне расположения на проводе аэродинамического гасителя нагрузка от давления ветра на провод уменьшится на 43^65 % в зависимости от количества установленных на нем комбинированных сопел.

Экономический эффект внедрения предлагаемого типа закрепления железобетонных опор, разработанного на основе типового подножника ФС1-4 и апробированного в обводненных фунтах на трассе протяженностью 50 км, составляет 598 900 руб.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Выявлена взаимосвязь между показателями надежности и экономичности ВЛ-35 кВ сельскохозяйственного назначения. При этом к показателям экономичности отнесены: величина капиталовложений; затраты на проведение восстановительных работ и технологический ущерб, вызванный недоотпуском электроэнергии потребителям. К показателям надежности отнесены: коэффициент готовности; средняя наработка между отказами и среднее время восстановления ВЛ.

2. Разработана математическая модель надежности ВЛ-35 кВ для стационарного режима работы, позволяющая получить значение коэффициента готовности по данным интенсивностей отказов и восстановлений ее элементов. С помощью данной модели установлено базовое значение коэффициента готовности ВЛ-35 кВ на обводненных грунтах, которое для 100 км трассы составило = 0,999011.

3. Обоснована целевая функция, выходным значением которой являлся оптимизированный коэффициент готовности, обеспечивающий установление рационального параметра предлагаемого типа закрепления опор в обводненном грунте. Оптимизированное значение коэффициента готовности в расчете на 100 км линии составляет Кт = 0,999658.

4. Разработана методика установления значения параметра типа закрепления опор ВЛ-35 кВ сельскохозяйственного назначения на обводненных грунтах, его оптимальное значение составило

ш = 50,34-103 кг.

5. Разработано техническое средство для повышения устойчивости опор на базе типового подножника ФС1-4 для особо слабых грунтов, обеспечивающее рациональное значение параметра типа

закрепления опор тн = 51,98-103 кг. Расхождение с массой, соответствующей оптимальному значению коэффициента готовности, составляет 3,3 %.

6. Сравнительная оценка полученной теоретическим путем величины оптимизированного коэффициента готовности со значением этого коэффициента, установленного после внедрения в эксплуатацию технических средств на базе типового подножника ФС1-4 для повышения устойчивости опор ВЛ-35 кВ в обводненных фунтах, указывает на статистическую незначимость их расхождений. Внедрение данного мероприятия на линии протяженностью 50 км обеспечило получение годового экономического эффекта в размере около 600 тыс. рублей.

7. К повышению коэффициента готовности ВЛ в V районе по величине ветровой нагрузки может привести применение предложенной конструкции аэродинамического гасителя колебаний проводов. Расчетным путем установлено, что применение данного гасителя позволит снизить ветровую нагрузку на провод в зависимости от количества установленных на нем комбинированных сопел на 43^-65%.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Ляховецкая, Л. В. Определение надежности воздушных линий сельских распределительных сетей [Текст] / И. Б. Царев, Л. В. Ляховецкая, М. А. Малышев [и др.] // Механизация и электрификация сельского хозяйства.-2011.-№3.-С. 21-22.

2. Ляховецкая, Л. В. Оценка капиталовложений и мероприятия повышения надежности сельских распределительных сетей 35 кВ [Текст] / В. А. Буторин, Л. В. Ляховецкая // Международный научный журнал. - 2012. -№3.-С. 67-69.

3. Снитко, Л. В. Мембранный фундамент как средство повышения устойчивости свободностоящих железобетонных опор ЛЭП [Текст] / Л. В. Снитко II Международный сельскохозяйственный журнал. - 2009. -№4.-С. 90-91.

4. Снитко, Л. В. Сравнительный анализ устойчивости свободносто-ящей железобетонной опоры ЛЭП-35 кВ [Текст] / Л. В. Снитко, В. М. Ля-ховецкий // Механизация и электрификация сельского хозяйства. — 2009. — №8.-С. 18-19.

5. Снитко, Л. В. Устойчивость опор линий электропередачи, расположенных на обводненных и слабых грунтах [Текст] / Л. В. Снитю // Вестник Иркутского государственного технического университета. - 2009. — № 4. — С. 175-179.

Публикации в других изданиях

6. Ляховецкая, Л. В. Аэродинамический гаситель колебаний проводов ЛЭП [Текст] / В. А. Буторин, Л. В. Ляховецкая // Materialy VII Mi?dzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Perspektywiczne opracowania s^nauk^i techi-kami-2011».-Белгород, 2011.-С. 89-91.

7. Ляховецкая, Л. В. Аэродинамический гаситель колебаний проводов [Текст] / Л. В. Ляховецкая // Сборник статей I междунар. науч.-техн. конф. «Современные проблемы электроэнергетики. Алтай-2013». - Барнаул, 2013. - С. 70-73.

8. Ляховецкая, Л. В. Количественная оценка надежности ВЛ сельских распределительных сетей для обводненных и необводненных районов [Текст] / В. А. Буторин, Л. В. Ляховецкая // Материалы L междунар. науч.-техн. конф. «Достижения науки - агропромышленному производству». -Челябинск,2011.-Ч. V.-C. 27-33.

9. Ляховецкая, Л. В. Надежность работы ЛЭП с учетом устойчивости опор в обводненных грунтах [Текст] / Л. В. Ляховецкая // Вестник ЧГАА. -2010.-Т. 57.-С. 24-27.

10. Ляховецкая, Л. В. Обеспечение работоспособности сельских распределительных сетей напряжением 35 кВ, расположенных в обводненных грунтах [Текст] / В. А. Буторин, Л. В. Ляховецкая // Материалы LI междунар. науч.-техн. конф. «Достижения науки-агропромышленному производству». - Челябинск, 2012. - Ч. V. - С. 49-54.

11. Ляховецкая, Л. В. Обеспечение работоспособности системы электроснабжения сельских распределительных сетей на обводненных грунтах [Текст] / В. А. Буторин, Л. В. Ляховецкая // Труды Всерос. конф. «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве». — Воронеж, 2013. — С. 225—226.

12. Ляховецкая, Л. В. Соответствие теоретических и экспериментальных исследований по обеспечению работоспособности системы электроснабжения на обводненных грунтах [Текст] / В. А. Буторин, Л. В. Ляховецкая // Материалы LII междунар. науч.-техн. конф. «Достижения науки - агропромышленному производству». - Челябинск, 2013. - Ч. V. - С. 122-128.

13. Ляховецкая, Л. В. Устойчивость опор линий электропередачи, расположенных на обводненных и слабых грунтах [Текст] / В. А. Буторин, Л. В. Ляховецкая И Материалы междунар. науч.-пракь конф. «Аграрная наука-основа инновационного развития АПК». — Курган, 2011.-Т. 1.-С. 307—311.

14.Ляховецкая, JI. В. Устройства для гашения колебаний проводов ЛЭП [Текст] / В. А. Буторин, Л. В. Ляховецкая // Вестник ЧГАА. - 2010. -Т. 57.-С. 19-23.

15.Снитко, Л. В. Анализ влияния увеличения площади контакта боковой поверхности мембранного фундамента с фунтом на отпор грунта горизонтальному смещению фундамента [Текст] / Л. В. Снитко // Materiály IV mezinárodni védecko-praktická konference «Kliékové asprkty védecké einnosti-2008. - Praha, 2008. - C. 57-58.

16. Снитко, Л. В. К вопросу о повышении устойчивости опор ЛЭП в обводненных и слабых грунтах [Текст] / Л. В. Снитко // Международный научный журнал «Поиск». — Алматы, 2008. —№ 2. -С. 307—310.

17.Снитко, Л. В. Сравнительный анализ устойчивости свободно-стоящей железобетонной опоры линии электропередачи напряжением 35-110 кВ [Текст] / Л. В. Снитко, В. М. Ляховецкий И Materialy V mi?-dzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Wschodnia spolka-2009». -Przemysl, 2009. - C. 31-34.

18. Снитко, Л. В. Устойчивость мембранных фундаментов [Текст] / Б. Б. Утегулов, Л. В. Снитко // Материалы междунар. науч.-практ. конф. «Наука и технологии: шаг в будущее». — Белгород, 2006. — С. 98-102.

Авторские свидетельства, патенты

19. Инновационный патент № 19932 на изобретение. Фундамент опоры линии электропередачи [Текст] / В. Н. Ткаченко, Л. В. Снитко, А. К. Ал-дабергенов [и др.]. -№ 2007/0792.1 ; заяв. 08.06.2007 ; опубл. 28.05.2008, Бюл. № 8.

20. Инновационный патент на изобретение № 20240. Фундамент опоры линии электропередачи [Текст] / Т. И. Исинтаев, Л. В. Снитю, Б. Б. Утегулов [и др.]. — № 2007/0195.1; заяв. 09.02.2007; опубл. 25.08.2008, Бюл. № 11.

21. Пат. на изобретение № 2440650. Аэродинамический гаситель колебаний проводов линий электропередачи РФ [Текст] / В. А. Буторин, Л. В. Ляховецкая. -№ 2010144716/07 ; заяв. 01.11.2010 ; опубл. 20.01.2012, Бюл. № 2.

Подписано в печать 18.04.2014. Формат 60x84/16. Гарнитура Times. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № КЗ-7.

Отпечатано в ИТТЦ ЧГАА. 454080, г. Челябинск, ул. Энгельса, 83.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЧЕЛЯБИНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АГРОИНЖЕНЕРНАЯ

АКАДЕМИЯ»

ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ 35кВ СЕЛЬСКИХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ, РАСПОЛОЖЕННЫХ В

ОБВОДНЁННЫХ ГРУНТАХ

Специальность 05.20.02 Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

На правах рукописи

04201459710

ЛЯХОВЕЦКАЯ Людмила Владимировна

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В.А. Буторин

Челябинск - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................. 6

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования.............................. 11

1.1. Состояние энергетики в Казахстане................................................ ц

1.1.1. Состояние сельских распределительных сетей в Костанайской области Северного Казахстана........................................................................ ^

1.2. Существующие типы закрепления свободностоящих железобетонных

14

опор в грунте.................................................................................

18

1.3. Обзор повреждений изоляторов, проводов и причин их возникновения...

20

1.3.1. Причины возникновения колебаний проводов.................................

1.4. Существующие конструкции и принцип работы гасителей вибрации проводов........................................................................................ ^

1.5. Показатели надёжности воздушных линий электропередачи сельских

27

распределительных сетей..................................................................

38

1.6. Выводы и задачи исследования.......................................................

Глава 2. Теоретические предпосылки обеспечения работоспособности ВЛ-35 кВ сельских распределительных сетей...................................... ^

2.1. Экономический критерий обеспечения работоспособности ВЛ-35 кВ...... ^

2.2. Взаимосвязь показателей надежности и экономической эффективности функционирования ВЛ-35 кВ............................................................. ^

2.3. Вывод соотношения величин средних наработок между отказами ВЛ-35 кВ при различных типах закрепления стоек железобетонной опоры в обводнённых грунтах....................................................................... 45

2.4. Взаимосвязь дополнительных капиталовложений с новой массой системы ВЛ-35 кВ........................................................................... 51

2.5. Модель надежности ВЛ-35 кВ...................................................... 54

2.6. Целевая функция оптимизации коэффициента готовности ВЛ-35 кВ сельских распределительных сетей...................................................... 60

2.7. Выводы.................................................................................... 61

Глава 3. Методика проведения исследований...................................... 63

3.1. Методика оценки параметров целевой функции................................. 63

3.1.1. Методика оценки коэффициента готовности................................... 64

3.1.1.1. Методика оценки потока параметра отказов (интенсивности отказов)

и интенсивности восстановлений опор, изоляторов и проводов.................. 64

3.1.2. Методика оценки наработки между отказами и времени восстановления ВЛ-35 кВ.................................................................. 66

3.1.3. Методика оценки активной мощности........................................... 68

3.1.4. Методика оценки экономических показателей................................. 69

3.2. Конструкция предлагаемых технических средств для обеспечения работоспособности ВЛ-35кВ в обводнённых грунтах................................... 69

3.2.1. Обоснование нового типа закрепления в грунте свободностоящих железобетонных опор....................................................................... 69

3.2.2. Методика расчёта массы системы «опора-изолятор-провод» в базовом

и новом вариантах............................................................................ 72

3.2.3. Методика определения углов поворота железобетонной опоры ВЛ-35кВ при существующих типах закрепления в функции от вида грунта и его механических характеристик.............................................................. 75

3.2.4. Методика определения углов поворота железобетонной опоры ВЛ-35кВ, при предлагаемом типе закрепления в обводнённом грунте........................................................................................... 77

3.2.5. Анализ влияния увеличения площади контакта с грунтом боковой поверхности мембранного фундамента на отпор грунта горизонтальному смещению и повороту опоры в обводнённом грунте................................ 79

3.2.6. Обоснование конструкции аэродинамического гасителя колебаний проводов ВЛ-35 кВ.......................................................................... 80

3.2.7. Конструкция и принцип работы аэродинамического гасителя колебаний проводов........................................................................ 83

3.3. Методика оценки сходимости результатов теоретических исследований

и экспериментальных данных............................................................ 85

3.4. Выводы.................................................................................... 87

Глава 4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ....... 89

4.1. Результаты оптимизации параметра устойчивости опор....................... 89

4.1.1. Результаты оценки среднего времени восстановления ВЛ-35 кВ сельских распределительных сетей...................................................... 89

4.1.2. Результаты оценки интенсивностей отказов и восстановлений опор, изоляторов и проводов...................................................................... 91

4.1.3. Результаты оценки базового коэффициента готовности и базовой средней наработки между отказами ВЛ-35 кВ........................................ 92

4.1.4. Результаты оценки средней стоимости устранения отказов................ 93

4.1.5. Результаты оценки удельного ущерба........................................... 93

4.1.6. Результаты оценки активной мощности......................................... 94

4.1.7. Результаты оценки базовых капиталовложений............................... 94

4.1.8. Результаты теоретической оптимизации коэффициента готовности и параметра типа закрепления опор......................................................... 95

4.2. Результаты разработки средства для повышения устойчивости опор...... 96

4.2.1. Результаты обоснования нового типа закрепления опор в грунте на основе типового подножника ФС1-4.................................................... 96

4.2.2. Результаты расчёта новой массы системы «опора-изолятор-провод»..... 98

4.2.3. Результаты определения углов поворота железобетонной опоры ВЛ-35кВ при различных типах закрепления в грунте..................................... 99

4.2.4. Результаты расчёта коэффициента К, устанавливающего зависимость между средней наработкой между отказами ВЛ-35кВ по причине нарушения устойчивости опор при различных типах закрепления в грунте.................. 104

4.2.5. Результаты производственного эксперимента.................................. 105

4.3. Результаты оценки надёжности ВЛ-35 кВ после внедрения мероприятий

по обеспечению её работоспособности................................................. 107

4.4. Результаты оценки сходимости теоретических и экспериментальных исследований................................................................................. 108

4.5. Аэродинамический гаситель колебаний проводов как средство повышение надёжности ВЛ-35 кВ....................................................... 109

4.6. Экономическая эффективность внедрения предлагаемого типа закрепления железобетонных опор в обводнённых грунтах........................ 110

4.7. Выводы................................................................................... 111

Основные выводы.......................................................................... 114

Литература.................................................................................... 116

Приложения.................................................................................. 125

ВВЕДЕНИЕ

Растущие потребности экономики Казахстана и его населения в электроэнергии диктуют необходимость стабильной работы электроэнергетического комплекса [49]. Актуальность этих требований обострилась в связи с тем, что в последние годы в Казахстане на 10% упало количество капитальных и средних ремонтов оборудования систем электроснабжения. Особенно плохим состоянием отличаются энергетические сети в сельской местности - в предыдущие годы государство практически утратило здесь контроль над развитием электрификации. По словам экспертов, на селе необходимо построить 112,6 тыс. км высоковольтных линий напряжением 110-35 кВ [50].

Республика Казахстан, в частности Костанайская область Северного Казахстана, является одним из крупнейших производителей товарной пшеницы не только в Казахстане, но и во всём постсоветском пространстве СНГ. В настоящее время в обслуживании электроэксплуатационных предприятий Костанайской области находится более 5200 км линий электропередачи сельских распределительных сетей напряжением 35 кВ. Практика эксплуатации этих сетей показала, что на эффективность функционирования воздушных линий (ВЛ) основное влияние оказывает надёжность работы системы трёх элементов - опор, изоляторов и проводов.

Часть территорий, на которых расположены трассы ВЛ-35 кВ, смонтированные в 60-70 годах прошлого столетия, в настоящее время оказались в зоне обводнения. Обводнение вызвано непредвиденным подъёмом грунтовых вод даже в ранее засушливых районах области [2]. По данным ТОО «Костанайводпроект» в низменной местности грунтовые воды выходят на поверхность земли и сохраняются там до конца июня-начала июля месяцев, в других местах грунтовые воды длительное время сохраняются на уровне 0,15 м от поверхности земли.

В этих условиях нарушается устойчивость железобетонных (ж.б.) опор ВЛ вплоть до их падения. Потеря устойчивости опор создаёт аварийные ситуации, приводящие к значительному экономическому ущербу, вызванному нарушением электроснабжения потребителей и затратам на восстановление работоспособности ВЛ. Из-за воздействия на провода и опоры знакопеременных ветровых нагрузок потеря устойчивости опор в обводнённых грунтах, возникает с большей вероятностью.

Существующие способы закрепления свободностоящих ж.б. опор в грунте с помощью ригелей [19, 68] не обеспечивают их достаточную устойчивость. Число свободностоящих ж.б. опор ВЛ напряжением 35-110 кВ, по отношению к которым возникает необходимость восстановления их устойчивости, возрастает из года в год. Так по данным ЦЭС Костанайской области за 1997 год были выправлены 173 опоры, в 1998 году - 212 опор, а в 2011 году - 997 опор. Порядка 70% из них составили опоры ВЛ-35 кВ.

Нарушению устойчивости опор, их разрушениям и падениям способствует значительная ветровая нагрузка в V районе по величине скоростного напора и скорости ветра, присущая некоторым территориям Костанайской области [43; 59].

Таким образом, решение задачи по обеспечению работоспособности сельских распределительных сетей, трассы которых расположены на обводнённых территориях, путём повышения устойчивости ж.б. опор является актуальной, требующей дальнейшего развития и совершенствования.

На основании вышеизложенного сформулированы цели и задачи исследования.

Цель исследования. Обеспечение длительности сохранения работоспособного состояния ВЛ-35 кВ сельских распределительных сетей, расположенных на обводнённых территориях, путём повышения устойчивости их опор.

Объект исследования. Метод установления рационального параметра типа закрепления ж.б. опор ВЛ-35 кВ сельскохозяйственного назначения, расположенных в обводнённых грунтах.

Предмет исследования. Взаимосвязь параметра типа закрепления опоры с коэффициентом готовности и экономическими показателями функционирования ВЛ-35 кВ сельскохозяйственного назначения на обводнённых территориях.

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту

1. Установлена взаимосвязь между показателями надёжности и экономичности ВЛ-35 кВ. Обоснован параметр нового типа закрепления опор ВЛ-35кВ сельских распределительных сетей в обводнённых грунтах.

2. Разработана математическая модель надёжности ВЛ-35 кВ сельскохозяйственного назначения для стационарного участка её работы, позволяющая получать численные значения коэффициента готовности.

3. Предложена методика оценки рационального параметра типа закрепления свободностоящих ж.б. опор на конических центрифугированных стойках при их эксплуатации в обводнённых грунтах.

Практическая ценность работы и ее реализация

1. Разработанная модель надёжности позволяет получить значения коэффициента готовности с учётом интенсивностей отказов и восстановлений основных элементов ВЛ-35 кВ сельских распределительных сетей.

2. Полученная взаимосвязь между показателями экономичности и надёжности позволит принять обоснованное решение при выборе типа закрепления свободностоящих ж.б. опор в обводнённом грунте.

3. Разработан новый тип закрепления в обводнённом грунте свободностоящих ж.б. опор на конических центрифугированных стойках, позволяющий повысить коэффициент готовности ВЛ-35кВ сельскохозяйственного назначения за счёт обеспечения устойчивости опор их ВЛ. Новизна технического решения подтверждена двумя патентами РК.

4. Разработанная конструкция аэродинамического гасителя колебаний проводов способствует повышению устойчивости опор ВЛ-35кВ в V районе по величине ветровой нагрузки. Новизна технического решения подтверждена патентом РФ.

5. Предлагаемый тип закрепления ж.б. опор на конических центрифугированных стойках может быть использован проектно-конструкторскими и эксплуатационными организациями. Данный тип закрепления принят к внедрению в ТОО «ГиП Проект» и в ТОО «Межрегионэнерготранзит» г. Костаная.

6. Материалы теоретических и экспериментальных исследований по теме «Обеспечение работоспособности воздушных линий 35 кВ сельских распределительных сетей, расположенных в обводнённых грунтах» используется в курсе лекций по дисциплинам «Эксплуатация электрооборудования», «Эксплуатация систем электроснабжения» и «Надёжность электроснабжения» в ЧГАА.

Апробация. Основные положения и результаты исследований обсуждались на международных научно-технических конференциях: «Социально-экономические и экологические проблемы в сельском хозяйстве России и стран СНГ» (г. Оренбург 2006 г); «Сатпаевские чтения» (г. Павлодар, 2006 г.); «Наука и технологии: шаг в будущее 2006» (г. Белгород, 2006 г.); «Сто лет маслодельной кооперации» (г. Куртамыш, 2007 г.); «КПсоуе аБрекХу уеёеске стпоэй - 2008» (РгаЬа, 2008 г); «Современные направления теоретических и прикладных исследований 2009» (г. Одесса, 2009 г.); «\Vschodnia Бро1ка - 2009» (Рггетув1, 2009 г.); «Аграрная наука - основа инновационного развития АПК» (г. Курган, 2011 г.); «Актуальные проблемы энергетики АПК» (г. Саратов, 2011 г.); «РегБрек^ушюгпе оргасошаша эа пайка I 1есЬшкагш - 2011" (г. Белгород, 2011 г.), «Достижение науки - агропромышленному производству» (г. Челябинск, 20112013 гг.).

Публикация. По теме диссертации опубликовано 26 научных работ, в том числе пять в изданиях, рекомендуемых ВАК, и три патента на изобретение.

Объём работы. Диссертация изложена на 165 страницах машинописного текста, в том числе 124 страниц основного текста, содержит 31 рисунок, 19 таблиц, состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка

используемой литературы и приложений. Список используемой литературы включает в себя 96 наименований.

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 1.1. Состояние энергетики в Казахстане

Выход экономики Республики Казахстан на международный рынок, изменения в отношениях между поставщиком электроэнергии и потребителями, потребление электроэнергии совместными предприятиями и зарубежными фирмами предъявляют жёсткие требования к качеству электроснабжения, которое определяется в общем случае надёжностью электроснабжения.

Надёжное и бесперебойное электроснабжение потребителей наряду с эффективным функционированием и развитием генерирующих энергоисточников существенно зависит и от работоспособности электрических сетей [95]. Задача усиления Национальной электрической сети проблематична из-за прекращения процесса обновления основных фондов, их модернизации и реконструкции. Продолжается процесс стремительного старения основных фондов, более 50% которых физически устарело. До сих пор в эксплуатации находится оборудование, возраст которого превышает 60 лет (Карагандинская ГРЭС, Тентекская ТЭЦ и др.) [80]. Необходима модернизация электросетевого хозяйства. В настоящее время более 20% линий электропередачи напряжением 0,38-110 кВ не соответствуют требованиям эксплуатации и требуют срочного ремонта [55].

Износ оборудования большинства электростанций превышает расчетный ресурс его работы (средневзвешенный износ по мощности составляет более 60%). При такой продолжительности эксплуатации резко возрастает количество отказов опор за счет снижения их несущей способности ниже допустимого уровня из-за развития деструктивных процессов в бетоне и арматуре, хронического недофинансирования работ по их техническому обслуживанию и ремонтам, увеличения объемов отложенных ремонтов. Количество отказов опор ВЛ, по данным ОРГРЭС, составляет 13% от общего количества отказов по ВЛ, но по тяжести последствий они стоят на первом месте по затратам на восстановление и

недоотпуску электроэнергии. Необходима модернизация электросетевого хозяйства. В настоящее время около 10% системообразующих линий электропередачи напряжением 220-500 кВ и более 20% линий более низкого напряжения (0,38-110 кВ) не соответствуют требованиям эксплуатации и требуют срочного ремонта [70].

Перспективное развитие электроэнергетики Республики Казахст