Повышение пропускной способности линий электропередачи высокого напряжения

Для значительной части (до 65%) существующих воздушных линий электропередачи (ВЛ) 35, 110, 150 и 220 кВ, т.е. линий высокого напряжения (ВН), в силу их физического и морального старения не отвечающих в полной мере требованиям действующих норм и регламентов технического состояния, серьёзной проблемой является снижение реальной пропускной способности. Вследствие этого возникает необходимость ограничения токовых нагрузок, уменьшения перетоков энергии и мощности, которые могут надёжно и безопасно осуществляться в нормальных и послеаварийных режимах работы сетей. В организационном плане это приводит к тому, что ранее согласованные между сетевыми компаниями и региональными диспетчерскими управлениями (РДУ), являющимися филиалами ОАО «СО ЕЭС», режимные параметры работы ВЛ (в частности, величины максимально допустимых токовых нагрузок) требуют пересмотра и приведения в соответствие с актуальным техническим состоянием существующих линий ВН.

До того момента, когда техническое состояние ВЛ будет приведено в соответствие с требованиями норм и регламентов, ответственность за негативные последствия недопустимых перегрузок объектов существующей сетевой инфраструктуры должна в равной мере возлагаться как на предприятия электрических селей, так и на диспетчерские службы, обязанностью которых является осуществление своевременной корректировки режимных параметров элементов сетевой инфраструктуры с учётом их физического, морального старения и происходящей со временем деградации.

Технология верификации пропускной способности ВЛ хорошо известна [1,2], достаточно отработана и выполняется с применением таких последовательных операций, как сканирование ВЛ с применением воздушных носителей [3] или наземных устройств при условии обязательной регистрации метеорологических и режимных параметров, характеризующих состояние ВЛ, глубокой и высокоточной обработки данных съёмки, импорта всех имеющихся данных в систему (рис. 1) автоматизированного проектирования (САПР), построения объективно отражающих актуальное состояние линий 2D или 3D моделей как самих ВЛ, так и рельефа прилегающей местности.

Сформированные в результате применения САПР математические модели ВЛ могут быть использованы для разработки различных инженерных решений, всестороннего анализа и прогнозирования поведения объекта в любых метеорологических условиях и эксплуатационных режимах, отличающихся от условий в момент выполнения съёмки.

Одной из наиболее распространённых причин снижения пропускной способности линий ВН является фиксируемое при проведении аэросканирования несоответствие действующим нормативам [4] вертикальных габаритов проводов до земли, пересекаемых ВЛ низшего напряжения, до находящихся в охранной зоне ВЛ наземных объектов. Выполненные специалистами группы компаний (ГК) ОПТЭН в различных странах мира обследования более чем 100 тыс. км ВЛ позволили выявить существенное снижение габаритов проводов и, соответственно, пропускной способности как минимум 30% обследованных линий ВН, срок службы которых составляет 30—40 лет и более. В результате верификации установлено, что зафиксированные в исполнительной документации значения габаритов не учитывают влияния таких факторов, как происходящие со временем изменения рельефа, строительство новых и реконструкцию существующих коммуникаций, рост культурного слоя (особенно заметный на территории городов). К важным факторам влияния следует отнести происходящую с течением времени вытяжку алюминиевых и АС проводов, темп которой резко возрастает при воздействии на провода экстремальных ветровых, гололёдных нагрузок и их сочетаний.

На линиях электропередачи, техническое состояния которых удовлетворяет действующим требованиям [4], габарит до земли не должен быть нарушен при повышении температуры провода до максимально допустимого значения +70°С. На рис. 2 приведена характерная диаграмма, показывающая, что в большинстве пролетов одной из обследованных ВЛ 110 кВ, расположенной в г. Казани, необходимый габарит сохраняется при температурах провода +70°С и даже +90°С. Однако в ряде пролётов, которые следует отнести к числу критических, безопасный габарит нарушается при достижении температуры провода +40°С и даже +30°С, что создаёт значительные угрозы для самой ВЛ, населения и работы техники вблизи трассы ВЛ.

Выполнение расчётов с использованием применяемой в ГК ОПТЭН САПР PLS-CADD показало (табл. 1), что на данной линии по условиям безопасности (из-за наличия критических пролётов) должны быть введены значительные ограничения токовых нагрузок по сравнению с теми, которые до проведения верификации технического состояния ВЛ были согласованы сетевой компанией с РДУ (табл. 2).

Очевидно, что завышение в 2—3 раза токовых нагрузок, допускаемых РДУ, по сравнению с теми (см. табл. 2), которые могут быть признаны безопасными, создавало значительные риски для работы рассматриваемого сетевого объекта.

Выявленные нарушения были оперативно устранены ОАО «Сетевая компания» (г. Казань) путём выполнения регулировки тяжения проводов, нивелировки грунта под проводами и установки двух дополнительных промежуточных опор. Обследование линии с применением технологии лазерного сканирования, выполненное после завершения реконструктивных работ, показало, что на ВЛ не осталось ни одного критического пролёта, где существует опасность нарушения габарита проводов до земли при их нагреве до температуры +70°С (рис. 3).

Для уточнённых габаритов проводов до земли с помощью САПР PLS-CADD был проведён ряд расчётов максимально допустимых токовых нагрузок рассматриваемой ВЛ после выполненных реконструктивных мероприятий. В табл. 3 приведены значения уточнённых допустимых токовых нагрузок для различных метеорологических условий. Величины максимально допустимых токовых нагрузок, как следует из этих данных, могут находиться в пределах от 253 до 1442 А, что даже превышает ранее согласованные сетевой компанией с РДУ значения.

Можно привести многочисленные примеры [2,3] несоответствия реальной пропускной способности ВЛ различных классов напряжения тем значениям, которые продолжают считаться допустимыми, хотя должны быть скорректированы с учётом значительных сроков службы линий и существенного изменения технического состояния как самих линий, так и их охранных зон. Так, в табл. 4 даны уточнённые по результатам контроля технического состояния одной из ВЛ 330 кВ реальные значения предельно допустимых токовых нагрузок в сравнении с теми данными, которые ранее были согласованы между предприятием электрических сетей и РДУ и не учитывают изменения состояния объекта.

На основании анализа результатов верификации состояния объектов сетевой инфраструктуры и выявления критических участков ВЛ, ограничивающих пропускную способность обследуемых линий, модели которых могут быть построены по данным аэросканирования и применения соответствующей САПР, формируются необходимые условия для выполнения комплекса работ по реинжинирингу, т.е. для разработки таких новых инженерных решений, которые позволяют спланировать и выполнить оптимальный объём реконструктивных мероприятий для наиболее значимых элементов существующей сетевой инфраструктуры с учётом их реального технического состояния. Выбор сроков, очерёдности обследования и выполнения работ по приведению элементов существующей инфраструктуры в нормативное состояние рекомендуется производить с использованием ранее разработанных [5] критериев определения приоритетности проведения комплекса работ по повышению пропускной способности ВЛ с учётом реальной ответственности линий.

Известны различные способы практического решения проблем устранения тех ограничений пропускной способности ВЛ, которые обусловлены недостаточными габаритами проводов до земли и пересекаемых объектов, в том числе упомянутые выше и успешно применённые в ходе реконструкции ВЛ 110 кВ в г.Казани [1]:
• регулировка тяжения проводов в ряде анкерных пролётов ВЛ;
• локальная регулировка тяжения проводов (рис. 4) в отдельных промежуточных пролётах, в том числе с применением саморегулируемых, адаптивных к температурным воздействиям промзвеньев [6];
• нивелировка рельефа;
• замена проводов на новые с малыми стрелами провеса, среди которых перспективны провода с сердечником из сплава Инвар (сплав стали и никеля), провода с композитным сердечником или сердечником из оксида алюминия (предлагаемые американской компанией 3М);
• установка дополнительных опор;
• увеличение высоты существующих опор (рис. 5), особенно эффективное в стеснённых условиях городской застройки [7];
• реконструкция изолирующей подвески проводов — замена поддерживающей гирлянды на Л-образную, применение подвески с меньшей строительной высотой;
• создание КВЛ — замена проблемных участков ВЛ кабельными вставками;
• применение устройств мониторинга состояния и положения проводов.

Применение устройств мониторинга состояния и положения проводов ВЛ создаёт необходимые условия для дальнейшего совершенствования систем автоматизированного управления режимами работы ВЛ в наиболее сложной оперативной обстановке и экстремальных метеорологических условиях — при работе на пределе максимально допустимой пропускной способности и в послеаварийных режимах. Наиболее эффективна совместная работа средств мониторинга с устройствами автоматического ограничения перегрузки линии (АОПЛ), которые осуществляют противоаварийное управление [8] посредством отключения части потребителей, изменения конфигурации сети или отключения перегруженной линии.

Разработанные и запатентованные в РФ устройства мониторинга состояния и положения проводов ВЛ (рис. 5) начиная с 2005 г. находят успешное применение как в отечественных предприятиях электрических сетей, так и в ряде других стран (Австралия, Словения, Хорватия, Эстония). Данные измерений, поступающие в режиме реального времени на пульт управления ВЛ, в сочетании с использованием уже имеющихся (комплекс «Макситок», зарегистрированный Роспатентом) и вновь разрабатываемых программных продуктов позволяют в режиме реального времени получить информацию о максимально допустимой пропускной способности контролируемого объекта с учётом влияния фактических метеорологических условий на трассе ВЛ. Вводя данные метеорологического прогноза, можно также планировать максимально допустимые токовые нагрузки на сутки вперёд и более.

Последние модификации устройства мониторинга состояния проводов ВЛ, поступившие в эксплуатацию, обладают способностью раннего предупреждения о нарастании гололёдных нагрузок, приближающихся к опасным пороговым значениям, а также о возникновении интенсивных колебаний и раскачиваний проводов, которые могут быть вызваны пляской или действием опасных для ВЛ сильных порывистых ветров.

Верификация технического состояния существующих линий электропередачи, выполняемая специалистами ГК ОПТЭН с участием привлекаемых квалифицированных подрядных организаций при условии применения современных технических средств, включает (рис. 6) следующие основные составляющие.

Как показывает практика выполнения верификации технического состояния ВЛ, выполняемая специалистами ГК ОПТЭН и привлекаемых специализированных организаций, недостаточно тщательный и детальный анализ всей совокупности названных выше работ может привести к серьёзным технологическим нарушениям. Так, например, проведённое в рамках комплексного обследования технического состояния предприятий Москвы и Московской области тепловизионное обследования (ИК-диагностика) позволило выявить ряд элементов ошиновки подстанций и высоковольтных аппаратов, состояние которых было оценено как предаварийное или аварийное, что даст возможность устранить выявленные недостатки к осеннее-зимнему периоду (ОЗП), когда технологические нарушения в работе сетей особенно чувствительны.

Существенным фактором, оказывающим заметное воздействие как на надёжность работы линий ВН, так и на их пропускную способность, является влияние древеснокустарниковой растительности (ДКР). Факты перекрытий воздушных промежутков между токоведущими проводами и элементами ДКР с успешными и неуспешными автоматическими повторными включениями (АПВ), падения деревьев и их ветвей на провода, грозозащитные тросы и опоры ВЛ, приводящие к серьёзным повреждениям, носят в ряде регионов РФ систематический характер. В зимнее время года число аварийных отключений из-за перекрытий на ДКР возрастает в результате приближений ветвей деревьев к проводам под действием гололёда и снега (рис. 7).

В летнее же время наблюдается обратная картина — под влиянием повышенных температур воздуха, солнечной радиации и Джоулева тепла, выделяющегося при протекании по проводникам электрического тока, происходит нагрев и температурное удлинение последних. При перемещении проводов вниз происходит уменьшение изолирующих воздушных промежутков до расположенных ниже элементов ДКР или непосредственный контакт с кроной дерева, приводящие к возникновению устойчивых коротких замыканий, продолжающихся до момента аварийного отключения ВЛ или до момента отгорания контактирующей с проводом ветви и восстановления изолирующего воздушного промежутка.

Воздушное лазерное сканирование является практически единственной эффективной технологией выявления всех участков трасс ВЛ, для которых характерна потенциальная опасность перекрытий на ДКР.

ВЫВОДЫ

1. Периодическое проведение верификации технического состояния ВЛ ВН с применением современных высокотехнологичных средств инструментального контроля технического состояния обследуемых объектов является основой для оценки их реальной пропускной способности, уточнение которой имеет особенное значение для элементов сетевой инфраструктуры со сроками службы 30—40 лет и более.

2. Использование результатов верификации ВЛ и их охранных зон в сочетании с применением наиболее современной САПР позволяет реализовать процедуры реинжиниринга и предложить наиболее рациональные и эффективные способы не только восстановления, но и повышения пропускной способности для большинства существующих линий электропередачи.

3. Одним из наиболее эффективных способов повышения безопасности и надёжности автоматизированных систем управления режимами работы электрических сетей в нормальных и послеаварийных условиях является широкое и планомерное распространение систем мониторинга состояния и положения проводов ВЛ, а также иных систем мониторинга состояния элементов ВЛ, их охранных зон и оборудования ПС.

ЛИТЕРАТУРА
1. Б.И. Механошин и др. Повышение эффективности использования существующих ВЛ на основе анализа их технического состояния и данных мониторинга температуры проводов, Электро, 2007, № 6.
2. К. Конаков, В. Шкапцов. Восстановление пропускной способности ВЛ, ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение, 2011, № 3(6), с. 102—103.
3. Мисриханов М.Ш. и др. Обследование ВЛ с применением лазерного сканера, Электрические станции, 2007, №3, с. 53—60.
4. Правила устройства электроустановок (ПУЭ 7), Изд. «ЭНАС», 2002 г.
5. Б. Механошин и др. Определение приоритетов обследования линий электропередачи, ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение, 2011, №1(4), с.
38—43.
6. Патент РФ №2428780. Промежуточное звено, компенсирующее изменение длины токоведущего провода в пролёте воздушной линии электропередачи (варианты), и пролёт воздушной линии электропередачи, снабжённый таким промежуточным звеном (варианты).
7. А.В. Рощин, В.И. Костиков. Некоторые аспекты реконструкции воздушных линий в стеснённых условиях, применение опор на МГС, Воздушные линии, 2010, №1, с. 46—53.
8. И.И. Левченко, Е.И. Сацук. Нагрузочная способность и мониторинг воздушных линий электропередачи в экстремальных погодных условиях, Электричество, 2008 г., №4.

По материалам доклада на семинаре в рамках выставки «Электрические сети России-2011»