Основы теории надежности

    Рис.10 Поддерживающий зажим типа ПОН 

   Глухое  крепление провода в лодочке  прошло опытную проверку на нескольких переходах, где показало высокую  эффективность.

   Критическое положение с надежностью проводов сложилось в Северных районах  России. Так например, за зимний период 1998-1999 г.г. в Северных сетях «Тюменьэнерго» имело место около 60 нарушений энергоснабжения из-за обрыва проводов ВЛ различных классов напряжения, причем подавляющее количество аварий было зафиксировано при понижениях температуры (ниже минус 40⁰С) и, соответственно, при повышенных натяжениях. Осмотры показали, что абсолютно все разрушения произошли в местах, где провод был уже ослаблен усталостными разрушениями от вибрации, как в алюминиевых так и в стальных повивах. Все разрушения имели место вблизи поддерживающих зажимов, гасители вибрации, а иногда в точках выхода провода из соединительных зажимов. Именно в этих местах знакопеременные механические напряжения от вибрации имеют наибольшую величину.

   Аналогичную картину имеем на проводах и тросах, эксплуатируемых в более благоприятных  климатических условиях. Например, провода с повышенной несущей  способностью (АЖС) и стальные троса, которые, как правило, смонтированы с повышенным натяжением (рис.11). 

    Так же отложение гололеда, изморози и  мокрого снега на проводах представляет большую опасность для нормальной эксплуатации воздушных линий электропередачи, как со стороны статических нагрузок, так и динамических, в виде различных  типов колебаний.

    Гололедные  нагрузки, в том числе и сверхрасчетные, обычно формируются при атмосферном процессе, действующем одновременно на территории 1-3-х энергосистем, вместо полосы шириной 1-2 км при ветровых нагрузках. Аварии при гололедно-ветровых нагрузках парализуют систему энергоснабжения потребителей на территории 1-3 административных областей, вследствие массовых обрывов проводов, разрушения арматуры, изоляции и поломок опор ВЛ. При гололедных отложениях, менее нормативных могут возникнуть колебания, в том числе, пляска при одностороннем отложении гололеда и низкочастотная вибрация при цилиндрической форме изморози (рис.12-13).

    Борьба  с обледенением проводов в течение  многих лет оставалась важной задачей, которая решалась различными способами. Эти решения искали главным образом  в повышении прочности элементов  ВЛ, или полной ликвидации гололеда (плавка гололеда). При этом практически не использовались способы активной борьбы по уменьшению его количества.

    Исследования  массовых аварий и отказов от гололеда показали, что невозможным оптимально спроектировать линию, сведя к расчету  и определению геометрических параметров ВЛ по прочности, без использования различных способов и устройств, позволяющих ограничивать величину гололедообразований. Защита ВЛ от пляски, вибрации и гололедообразования, а в необходимых случаях поступление информации о гололеде, превышающем допустимые значения, своевременно удалять его - вот основные аксиомы, обеспечивающие безопасную эксплуатацию линий.

    Приведенные выше примеры показывают, что ошибки, совершенные на стадии проектирования привели к невосполнимым потерям  в эксплуатации ВЛ. Необходимо в  кратчайшие сроки разработать конструктивные решения подвесок проводов и тросов с использованием арматуры второго  поколения с применением современной  защиты от вибрации и пляски проводов

    В этом направлении в России сделан технический прорыв, позволяющий  успешно вести борьбу за надежность проводов и грозозащитных тросов.

    ОРГРЭС  разработаны унифицированные конструкции:

    - для защиты одиночных проводов от всех видов колебаний и гололеда - ограничители типа ОГК. Ограничители устанавливаются в пролете в пределах 100 метров между ними с неравными интервалами ±30 м.

    для защиты от пляски расщепленной фазы на два и более провода предлагаются гасители пляски типа ГПП и ГПР  (рис.16). Их три типоразмера. Грузы гасителей имеют массу 2,4, 3,2 и 4,0 кг. Гасители типа ГПП устанавливаются на провод горизонтально в каждом подпролете между дистанционными распорками или же на плашки дополнительных горизонтальных дистанционных распорок. Гасители типа ГПР устанавливаются на плашки горизонтальных дистанционных распорок.

    для защиты от вибрации - гасители вибрации типа ГВУ (рис.17). 
 
 
 
 
 
 

    Рис.16 Гаситель пляски типа ГПР                  Рис.17 Гаситель вибрации типа ГРУ 

   Применяемые на линиях электропередачи провода  и грозозащитные тросы имеют  наружный диаметр от 8 до 47 мм, а диапазон опасных частот для них составляет от 4 до 150 Гц. Разработка гасителей, обеспечивающих эффективное демпфирование колебаний  провода в столь широком диапазоне  частот при минимальном количестве типоразмеров, представляет большие  трудности. Опыт применения гасителей  различных типов показывает, что  гасители с эксцентричными грузами, с разными плечами гибких элементов  и масс грузов, имеют более равномерное  распределение рассеивания энергии  по всему диапазону частот, что  позволяет значительно снизить  количество типоразмеров и на этой основе провести их унификацию. С учетом этого подхода и на основе расчетов многочисленных вариантов конструкций  гасителей с последующими их испытаниями, Фирмой ОРГРЭС были разработаны и  предлагаются для применения на линиях электропередачи пять типоразмеров гасителей вибрации с эксцентричными грузами типа ГВУ Основное преимущество таких многочастотных гасителей - их высокая эффективность, при сравнительно малой массе.

   Одним из методов борьбы с пляской проводов является увеличение расстояния между  ними или постановка межфазовых изолирующих  распорок, которые предотвращают  сближение (схлестывание) проводов, удерживая  их на проектном расстоянии при пляске. Применение изолирующих межфазовых распорок можно рассматривать как  смешанное решение по защите от пляски проводов, обладающее свойствами пассивных и активных средств защиты, так как межфазовые распорки одновременно повышают жесткость провода. При увеличении жесткости проводов снижаются гололедные нагрузки, что очень важно для обеспечения надежности ВЛ.

   Появление полимерных изоляторов позволило довольно быстро расширить область их применения как средство борьбы с колебаниями  при гололеде и ветре.

   Для предотвращения схлестывания проводов в пролете при вертикальном и горизонтальном расположении проводов достаточно установить две распорки на расстоянии от края пролета (0,43-0,45)L.

   Полимерные  межфазовые распорки практически реализованы  в изделиях вплоть до 500 кВ и их область применения расширяется по мере получения опыта их эксплуатации.

   Для увеличения надежности работы проводов и грозозащитных тросов необходимо:

   - использование конструктивных решений на основе арматуры второго поколения;

   - обязательное     применение     защитных     средств     от     вибрации,     пляски, гололедообразования и износа. 

   4.НАДЕЖНОСТЬ  ИЗОЛЯТОРОВ ВЛ. 

   Повреждаемость  изоляции на ВЛ составляет 23-31% от общего количества нарушений. Основными причинами повреждения изоляции являются атмосферные перенапряжения, которые составляют около 60% от всех отказов, связанных с перенапряжением изоляции. Начиная с 1969 г. повреждаемость изоляции не меняется, что достигнуто за счет технического перевооружения при переходе на стеклянные изоляторы, а так же применения современной защиты от знакопеременных нагрузок. Однако уровень повреждения изоляторов высок и вызван отсутствием в гирлянде изоляторов защитной арматуры по распределению напряжений, отсутствием защиты по внутренним и грозовым перенапряжениями низким качеством изоляторов.

   Остановимся более детально на характере работы гирлянды изоляторов. Гирлянда состоит  из отдельных изоляторов, вокруг которых  образуются емкости. Благодаря наличия  емкостей ответвленного и тока проходящие через собственную емкость изолятора вызовут разное падение напряжения и будет там меньше, чем дальше от провода находится изолятор. Аналогичная картина наблюдается на изоляторах находящихся у заземленного конца изоляторов.

   Падение напряжений будет меньше на тех изоляторах, которые будут дальше от заземленного конца гирлянды изоляторов. Емкость  на землю имеет наибольшую величину, чем емкость по отношению к  проводу и это оказывает влияние  на характер распределения напряжения по изоляторам. Наибольшее напряжение ложится на изоляторы около провода, наименьшее на изоляторы в середине гирлянды и несколько повышенное напряжение у заземленного конца.

   Распределение напряжений в гирляндах изоляторов при контроле измерительной штангой. Более благоприятные условия имеет место при расщеплении фаз на несколько проводов за счет увеличения емкости со стороны провода.

   Неравномерность распределения напряжений увеличивается с увеличением длины гирлянды, так при этом увеличивается суммарная емкость гирлянды по отношению к земле. Неравномерное распределение напряжений приводит к тому, что на ближайших к проводу изоляторах уже при рабочем напряжении может возникнуть корона, создающие радиопомехи и приводящая к интенсивной коррозии. Корона на изоляторах появляется при напряжении на нем порядка 20-25 кВ. На первый изолятор от провода приходится всегда около 20% полного напряжения. Это значит, что при напряжении 150 кВ и выше, возникают условия для появления короны. В таких условиях необходимо применять защитную арматуру: металлические кольца, восьмерки или овалы, укрепляемые на конце гирлянды со стороны провода.

   До  недавнего времени на защитную арматуру, кроме выравнивания напряжений возлагалась  защита изоляторов от разрушении при перекрытии гирлянды. Если гирлянда не снабжена арматурой, то канал разряда, то канал разряда плотнее прилегает к поверхности изоляторов, а возникающая дуга при длительном горении сильно разогревает изолятор вместе касания. Установка в этом случае металлических рогов способствует тому, что бы дуга горела на безопасном расстоянии от гирлянды (рис.19).  
 

   Рис.19 Горение дуги на гирлянде изоляторов 

   Однако  в стержневых полимерных изоляторах характер изменения напряжений по длине  изоляторов несколько иной и он представляется следующим образом - на первую шапку  изолятора со стороны провода  более 30% падения напряжения, а на последнею со стороны тела опоры  около 0%. Такое распределение напряжения по изолятору хорошо иллюстрируется на рис.20, показывающий характер износа арматуры и изоляции на ВЛ 110 кВ.

Поэтому для выравнивания напряжения и исключения коронного разряда необходимо предусматривать кольцевую защитную арматуру. 
 

   Для ВЛ 35-400 кВ. в практических условиях России аналогичная защитная

арматура  используется на ВЛ 330-750 кВ. На рис. 22-24, 25-28, 29-32 и 33-35, соответственно показана арматура для ВЛ 35, 110, 220 и 400 кВ.

   На  указанных рисунках учтены особенности  работы защитной арматуры в зависимости  от номинального напряжения ВЛ и применяемого изоляционного материала. Имеющий опыт эксплуатации такой арматуры подтвердил их хорошие эксплуатационные качества в условиях центральной части Европы. Использование таких решений в условиях России,несомненно, повысит надежность работы изоляции в несколько раз.

   ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 

   1.Основной причиной, вызывающей резкое увеличение повреждаемости высоковольтных линий, является старение материала конструкции опор, проводов, арматуры и изоляторов. Линии электропередачи подвержены старении и износу от коррозии изнакопеременных нагрузок, при этом количество отказов увеличивается от 3-х до 5% в год.

   2.По количеству отказов на первом месте стоят, на втором месте изоляторы, на третьем месте опоры, на четвертом - арматура. Грозовые перенапряжения составляют 28%.

   3. По тяжести отказов, приводящими к серьезным последствиям для линий электропередачи (большие затраты на восстановление и недоотпуск электроэнергии) на первом месте стоят опоры, затем провода, арматура, изоляция.

   4.Для повышения эксплуатационной надежности ВЛ необходимо: 

     На стадии проектирования ВЛ:

   -использовать  прогрессивные технические решения  и современные технологии и  материалы, повышающие надежность  и долговечность линий электропередачи;разработать новые конструкции опор на базе многогранных стоек, позволяющих сооружать новые линии с большим сроком эксплуатации, проводить техническое перевооружение и реконструкцию во всех климатических районах с необходимым уровнем надежности, быстро восстанавливать опоры после аварий, не позволяющих проведения актов вандализма;уделить основное внимание применению горячего цинкования при сооружении новых линий и комбинированных покрытий при реконструкции и ремонте;использовать буронабивные и забивные свайные основания, которые обеспечивают ненарушенную структуру грунта и позволяют создать жесткую заделку опор;использовать эффективные средства защиты от климатических воздействий (многочастотные гасители вибрации, гасители пляски и ограничители гололедообразования);использовать конструктивные решения на основе арматуры с улучшенными электромеханическими характеристиками и повышенной надежности (95% от разрывной прочности провода);