Основы теории надежности. 2

           Содержание 

Введение…………………………………………………………………….…3

1. Общие вопросы состояния ВЛ………………………………………………4
2. Надежность опор и фундаментов ВЛ………………………………………..6
3. Надежность проводов, грозозащитных тросов ВЛ………………………..15
4. Надежность изоляторов ВЛ…………………………………………………20

Заключение…………………………………………………………………23

Список  используемой литературы…………………………………………25 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      ВВЕДЕНИЕ.

   Рассмотрены причины повреждения различных  элементов ВЛ (опор, линейной изоляции, фундаментов опор, проводов, линейной арматуры, грозозащитных тросов). Предложены основные мероприятия по повышению эксплуатационной надежности ВЛ, которые необходимо предусмотреть как на стадии проектирования воздушной линии электропередачи, так и на стадии эксплуатации. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1.ОБЩИЕ ВОПРОСЫ СОСТОЯНИЯ ВЛ. 

   Надежность  работы ВЛ обусловлена совокупностью ряда факторов. Выявить истинные причины отказов ВЛ и наметить пути их совершенствования можно только на основании статистических данных о повреждаемости элементов ВЛ. Отказы являются единственным критерием проверки правильности практических решений и теоретических предпосылок.

   Анализ  возникших проблем с передачей  электроэнергии в России показывает, что имеющиеся в последнее  время массовые повреждения ВЛ, вызваны в определяющей мере старением основных фондов. В настоящее время в эксплуатации находится около 500 тыс. км линий 35-500кВ на металлических, железобетонных и деревянных опорах. Основная масса этих линий была построена в 60-70 годах прошлого столетия. При их проектировании исходили из срока службы 30 лет. На основе этого они проектировались на нормативные нагрузки с повторяемостью 10-15 лет (расчетные 25-50 лет). Долговременность защиты от коррозии, износа от знакопеременных нагрузок, старение материалов, были рассчитаны на эти же сроки. Доля линий со сроком эксплуатации более 30 лет неуклонно растет, так как нового строительства и реконструкции ВЛ с 1991 года практически не ведется.

   Протяженность ВЛ на металлических опорах составляет 25%, на железобетонных -57% и на деревянных -18% от общей протяженности линий.

   Протяженность ВЛ 35-500 кВ по напряжениям и количеству цепей приведена в табл.1 

   Таблица 1.  

   Высоковольтные  линии имеют средний срок эксплуатации на 01.01.2001 г. на опорах: металлических - 36,6 лет; железобетонных - 25,1 года; деревянных - 41,4 года.

   Приведенные данные по срокам эксплуатации указывают  на масштабное старение высоковольтных линий, что ведет к недопустимому  их износу. Например, по данным «Института Энергосетьпроект» износ ВЛ составляет 36%, что привело к увеличению числа отказов. В настоящее время количество отказов по всем элементам ВЛ продолжает возрастать, и за последние 10 лет оно увеличилось в 1,6 раза. Состояние ВЛ 35-500 кВ за период с 1996 г. характеризуется данными, приведенными табл.2. 

      Таблица 2.  

   Данные, приведенные в этой таблице показывают:

   - с 1996 года по 2000 год наблюдался значительный рост отказов (в 1,6 раза);

   - в последующие годы, в результате активизации ремонтных работ, темп роста отказов начал постепенно снижаться, но достигнутый уровень снижения отказов недостаточен.

   Фирма ОРГРЭС с 50-х годов ведет анализ причин технологических нарушений  в работе энергосистем, который позволил классифицировать отказы ВЛ., и в  частности отказы, вызванные нарушением работоспособности отдельных элементов  ВЛ.

   Анализ  отказов элементов ВЛ показывает, что опоры являются достаточно надежным элементом линий электропередачи. Значительное число отказов ВЛ является следствием повреждения проводов, изоляторов, и отключения от грозовых перенапряжений. Только 913% случаев отказов связано с повреждением элементов опор. Однако разрушения опор имеют наиболее тяжелые последствия для линий электропередачи и приводят к большим затратам, связанным с восстановлением ВЛ и недоотпуском электроэнергии. Распределение отказов по элементам ВЛ приведены в табл.3. 

     Таблица 3. 

   2.НАДЕЖНОСТЬ  ОПОР И ФУНДАМЕНТОВ ВЛ.

   Анализ  причин отказов ВЛ, проведенный Донбасской Академией Строительства и Архитектуры и другими исследовательскими учреждениями показывают, что интенсивность отказов зависит от срока их службы. Эта зависимость для ВЛ 35-330 кВ на металлических опорах, которые в основном были сооружены в 60-70 годы в южной части СССР иллюстрируется графиком, приведенным на рис.1.

   Опоры ВЛ этого периода (до введения СНиП 11-В, 3-62, который в настоящее время отменен) характеризуются следующими техническими данными: конструкции опор выполнялись в основном сварными из кипящей стали, имеющую повышенную склонность к трещинообразованию и хрупкому разрушению при отрицательной температуре. Имелся и ряд других недостатков, например, в конструктивном решении стыков между сварными секциями в виде односторонних накладок, защита от коррозии выполнялась лакокрасочными покрытиями.

   Параметр  потока отказов для таких конструкций  за первые 4 года эксплуатации понижался, а между 4-12 годами (8 лет) повышался (период приработки конструкций ВЛ), а затем между 12-25 годами (13 лет) стабилизировался. В дальнейшем параметр потока отказов из-за износа и старения элементов ВЛ возрастал, вплоть до момента проведения капитального ремонта или реконструкции ВЛ. 
 
 

    Рис. 1.  Изменение потока откате во времени ВЛ на металлических опорах 

   После введения СНиП 11-В,3-62 и применения унификации опор, прежняя их конструкция была пересмотрена на основе применения сталей повышенного качества (спокойной  плавки), применения болтовых опор и  цинкования, изменения конструкции стыка (двойные накладки) и т. д.

   Распределение количества отказов опор ВЛ в СССР по данным ОРГРЭС, с учетом проведенных усовершенствований на стадии проектирования, приведено на рис.2. 
 

    Рис.2. Распределение числа отказов  электросетевых конструкций по годам (в знаменателе - параметры потока отказов). 

   На  период c 1981 по 1983 г. средний срок эксплуатации ВЛ составил примерно 20 лет, количество отказов строительных конструкций ВЛ на этот срок минимальный, в пределах 50-90 отказов, далее количество отказов увеличилось, и к 1990-1991 годам составило 170-175 отказов в год. К этому времени средний срок службы опор ВЛ составлял более 30 лет.

   На  период с 1958 по 1976 год средний срок эксплуатации не превышал 25 лет, и поэтому  в этом интервале не наблюдалось  характерного повышения потока отказов. В период с 1976 по 1982 год (6 лет) поток  отказов резко понижается. Эти  годы характеризуются массовым вводом в эксплуатацию новых линий (до 15 тыс. км в год против 1,5-2,0 тыс. км в  год в прежние годы). Затем с 1982 по 1992 год (10 лет) повышается до уровня периода начала приработки (1976 год), а затем продолжает постепенно расти  вплоть до 2000 года. В классическом графике (рис.1) он стабилизируется, так как  в этот период практически не проводились  капитальные ремонты и реконструкции. С 2000 года поток отказов начал  стабилизироваться, так как с  этого времени оживился процесс  ремонта и реконструкции ВЛ. Параметр потока отказов на начало 2000 г. от сверхрасчетных нагрузок составляет:

   для железобетонных опор со сроком службы 50-60лет - 0,0105:

   для металлических опор со сроком службы 30-35лет - 0, 0129

   для деревянных опор со сроком службы 10-15 лет - 0,11.

   Исходя  из графика, приведенном на рис.2, можно сделать следующие выводы:

   - повреждаемость опор носит износовый характер, ее величина определяется нормами проектирования, материалом из которого изготовлены опоры, уровнем обслуживания при эксплуатации (качеством оценки технического состояния и проведения необходимых ремонтов);

   - период до капитального ремонта металлических опор запроектированных по действующим СНиП и ПУЭ составляет порядка 30-35 лет;

   - уровень отказов очень высок, еще не стабилизировался и превышает установившийся уровень 60-70 годов в 1,9-2,0 раза.

   Результаты  анализа надежности опор на основе статистических данных, полученных за период с 1958 года по 1989 г. в зависимости  от материала, из которого они изготавливаются, приведены на рис.4 и 5. 
 
 
 

   Из  рис.4 видно, что железобетонные опоры  находятся в периоде стабильного  состояния, и повреждаемость в течение  последних 16 лет находится примерно на одном уровне. Металлические опоры (рис.5) к этому периоду находятся  под влиянием износового фактора. Повреждаемость их, начиная с 1974 года, постоянно увеличивается, и практически сравнялась с железобетонными опорами. В начальном периоде эксплуатации повреждаемость металлических опор в 1,5 раза ниже железобетонных опор.

   Основная  причина значительной разницы в  повреждаемости между металлическими и железобетонными опорами заключается  в сильной зависимости несущей  способности последних от качества заделки их в грунте. Часто железобетонные опоры под действием внешних  нагрузок приобретают крен. Это создает  дополнительный изгибающий момент в  стойке опоры, вызванный значительной собственной массой конструкции, способствующий дальнейшему увеличению наклона. В результате этого, несущая способность железобетонных опор резко снижается, что приводит к их разрушению. Доля изгибающего момента от вертикальных нагрузок достигает в гололедных районах порядка 35%, а при слабой заделке опор 50% и более. Влияние гололедных нагрузок на надежность железобетонных опор иллюстрируется табл.4, в которой отказы от гололедно - ветровых нагрузок превышают значения для металлических опор в 1,9 раза. К сожалению, эксплуатирующие организации мало уделяют внимание этому фактору. 

   Другая  причина пониженной надежности железобетонных опор в период приработки - большое число скрытых дефектов. К таким дефектам, в первую очередь, следует отнести обрывы арматуры, отклонения от проектного армирования, несоответствие классов бетона и стали расчетным, пустоты и раковины в теле бетона и др. Влияние этих дефектов показано в таблице 4, где отказы по этим причинам составляют 35,5%.

   Наличие трещин в стойках опор на надежность в настоящее время не сказывается, так как процесс коррозии арматуры не достиг критического значения. Судя по опыту применения железобетонных опор в Калининградской области (начало применения 1932 г.) влияние коррозии арматуры начнет сказываться после 50-60 лет эксплуатации. Поэтому ремонт по закрытию трещин является актуальным, так как в дальнейшем это скажется на надежности.

   Указанные недостатки снизили надежность железобетонных опор по сравнению с металлическими опорами в начальной стадии эксплуатации, а из-за большого срока службы в  конечном итоге увеличило их надежность. Мнение о недостаточной надежности железобетонных опор не подтверждается статистическими данными. Однако их применение в гололедных районах  и в лессовидных грунтах из-за слабой заделки должны быть ограничены. Актуально в настоящее время  применение новых технологий и конструкций  заделок опор на основе буронабивных и забивных свай. Такие конструкции  разработаны и находятся в  стадии опытного применения. 

Таблица 4. 

   Крен  металлических конструкций из-за неудовлетворительного закрепления  в грунте наблюдается весьма редко, а большинство дефектов и повреждений  выявляются в процессе профилактических проверок и осмотров. Поэтому основная причина разрушения металлических  опор это превышение реальных нагрузок и воздействий, и коррозионный износ  элементов при длительной эксплуатации. К вышесказанному необходимо добавить, что преобладают отказы износового характера при сверхрасчетных нагрузках. Об этом свидетельствует то, что число случаев, в которых причиной отказов является только ураганный ветер имеет срок эксплуатации 10-15 лет и при этом количество конструкций, которые эксплуатировались менее 10 лет не превышает 15% от общего.

   К наибольшему числу отказов ВЛ 35-500 кВ в расчете на 100 км трассы приводят повреждения деревянных опор. Количество нарушений в работе деревянных опор на порядок выше, чем у конструкций из других материалов. При практически одинаковых внешних воздействиях высокий уровень повреждаемости ВЛ на деревянных опорах может быть объяснен низким сроком службы (7-15 лет), вызванный значительной потерей прочности, вследствие загнивания и невозможностью своевременного его устранения.

   Утверждения о более высокой несущей способности  опор, создаваемых в странах Западной Европы, США, Канады, по сравнению с отечественными, запроектированными для аналогичных климатических условий не состоятельны. Опоры ВЛ и порталы ОРУ, изготовленные за рубежом, значительно менее металлоемки и, следовательно, менее прочны (даже с учетом применения высокопрочных сталей). Достаточная надежность при этом обеспечивается за счет применения мощной антикоррозионной защиты, в первую очередь цинкования и комбинированных покрытий, а также строгого соблюдения технологических норм на всех стадиях строительного производства и эксплуатации.

   Возникший новый вид отказов от вандализма довольно сильно снизил надежность металлических  опор. В эксплуатации часто высказываются  предложения создавать опоры  ВЛ, которые могли бы воспринимать заданную нагрузку даже при демонтаже нескольких элементов. Однако задача проектировщика — разработать максимально экономичную конструкцию при соблюдении требований действующих нормативных документов, т.е. добиться минимума приведенных затратах и обеспечить минимально необходимую прочность. Многократное же резервирование и введение дополнительных элементов исключительно для обеспечения устойчивости сооружения при несанкционированном вмешательстве в его работу приведет лишь к увеличению стоимости ВЛ и едва ли предотвратит аварии и отказы. Однако переход на новые конструктивные решения позволят практически полностью исключить отказы ВЛ от вандализма. Так, например, применение железобетонных опор полностью исключил фактор вандализма (табл.4). К таким решениям можно отнести применение металлических многогранных опор.

   Указанные недостатки опор, в том числе и  других элементов ВЛ можно предотвратить только на основе современной диагностики их технического состояния.

   Диагностика является неотъемлемой частью технического перевооружения. Существующая система  диагностики состояния оборудования электрических сетей не эффективна, это связано как с отсутствием  на объектах электрических сетей  технических средств, так и недостаточностью нормативно методической базы по всему  спектру возможных систем диагностики. К решению этого вопроса необходимо привлечь ОРГРЭС, как организацию, имеющую обширный теоретический и практический опыт в этом направлении.

   Разрушения  элементов опор составляют:

   - ствол опоры - 60%;

   - узлы крепления с фундаментом и самих фундаментов, заделок железобетонных опор, оттяжек - 35%

   - разрушение деревянных опор - 5%, (от возгорания)

   Структура отказов показывает на очередность  проведения мероприятий по повышению  надежности:

   повышение нагрузок от ветра и гололеда на стадии проектирования нового строительства  и реконструкции старых сетей. Проведение перерасчета опор старой унификации на нагрузки ПУЭ 7-го издания и создания новой унификации опор.

   повышение качества эксплуатации на основе улучшения  диагностики состояния элементов  опор и проведения своевременного ремонта. Своевременное техническое перевооружение и реконструкция являются основой  повышения надежности на стадии эксплуатации.

   сооружение  опор, не позволяющих проведения актов  вандализма, что позволит снизить  аварийность на 17%.

   Повреждаемость  опор в первую очередь зависит  от срока их службы и применения прогрессивных технических решений  и современных технологий и материалов. Исходя из этого, в перечень первоочередных проектов, необходимо включить разработку унифицированных конструкций опор на базе многогранных опор, позволяющих  проводить сооружение новых линий  и реконструирование старых с учетом проведения технического перевооружения и реконструкции во всех климатических районах с необходимым уровнем надежности от внешних воздействий. Так же при проектировании опор необходимо обеспечивать стойкость к вандализму.

   Актуальность  и необходимость технического перевооружения ВЛ продиктовано физическим и моральным износом электрических сетей, необходимостью повышения их пропускной способности.

   Моральный износ вызван техническим старением  в результате научно-технического прогресса, а физический износ - отработкой ВЛ срока эксплуатации (рис.6-8). Проблемы морального износа решаются техническим перевооружением, а физического - реконструкцией и капитальным ремонтом.

   К настоящему времени назрела необходимость  в коренном обновлении электрических  сетей, создании линий нового поколения, отвечающих экономико-экологическим  требованиям и современному техническому уровню по долговечности и надежности.

   Одним из направлений развития электрических  сетей является применение новых  конструкций и материалов, позволяющих  довести срок службы вновь строящихся и реконструируемых линий до 70 и  более лет.

   Среди новых конструкций для ВЛ рассматривается применение стальных многогранных оцинкованных опор закрытого профиля, устанавливаемых на буронабивных, а в пучинистых грунтах - шпунто-забивных фундаментах. Многогранные опоры имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с решетчатыми металлическими и железобетонными конструкциями. Технологичны при изготовлении и монтаже, позволяют в короткие сроки строить и восстанавливать ВЛ. Долговечны за счет обтекаемой формы, отсутствия мест скопления влаги и невозможности проявления фактора вандализма.

   При проведении комплексного технического перевооружения предлагается создание унифицированных опор. 

   Применение  унифицированных многогранных стальных опор на базе модуля для ВЛ напряжением 35-750 кВ позволит:

   снизить расход металла до 20% по сравнению  с решетчатыми конструкциями  из-за применения в конструкции преднапряженных телескопических и фланцевых стыков, современной технологии гнутья листовой и фасонной стали;

   снизить стоимость сооружений новых ВЛ на 5 - 10% по сравнению с ВЛ с решетчатыми конструкциями опор;

   снизить объем запаса строительных конструкций  для ликвидации аварий на существующих ВЛ до минимума, который по количеству типоразмеров сведется к одному модулю с комплектующими деталями, обеспечить создание компактных складов аварийного резерва в любых МЭС или энергосистеме, не требующих полного набора всей номенклатуры установленных опор ВЛ 35-750 кВ;сократить время и трудозатраты на ремонтно-восстановительные работы, так как опоры собираются из готовых секций;обеспечить доставку опор в труднодоступные места, так как секции опор имеют небольшие вес и габариты;исключить затраты, связанные с временной установкой и последующей заменой опор, так как опоры рассчитаны на рабочие ветровые и гололедные нагрузки и устанавливаются в постоянную эксплуатацию;исключить ущерб от вандализма, который составляет 15 и более % от общего количества отказов ВЛ с решетчатыми опорами.

   При разработке проектов необходимо уделить основное внимание на защиту металлоконструкций от коррозии: применение горячего цинкования при сооружении новых линий и комбинированных покрытий при ремонте старых. Заделка железобетонных и узкобазых металлических опор должна быть мало деформируемой и осуществляться в основном на буронабивных и забивных свайных основаниях

   Работы  в этом направлении только начаты и необходимо их форсировать.

    3.НАДЕЖНОСТЬ ПРОВОДОВ, ГРОЗОЗАЩИТНЫХ ТРОСОВ ВЛ. 

     Как показывает распределение отказов по элементам ВЛ, приведенные в табл.3 технологические нарушения на ВЛ, связанные с выходом проводов и грозозащитных тросов составляет от 40% до 55% от общего количества всех нарушений.

   Основные  причины повреждения проводов и  грозозащитных тросов - превышение гололедных нагрузок, износ от действия вибрации, пляски и коррозии. Отказы, связанные с потерей несущей  способности проводов носят износовый характер и увеличиваются примерно на 3-5 % в год.

   Эти нарушения увеличились с 1955 года в 2,8 раза. Исключение составляют 70-80 годы, когда количество отказов несколько  снизилось, из-за вводимых в эксплуатацию новых линий, на которые износовый фактор проводов не успел сказаться. Применение в расчетах повышенного среднеэксплуатационного тяжения в проводах (30% от разрывного усилия в проводе вместо 25% используемой в зарубежной практике), а также использование проводов и грозозащитных тросов с повышенной несущей способностью потребовало 

проектирование  усиленной вибрационной защиты с  применением гасителей вибрации нового поколения и протекторов, устанавливаемых на проводах в местах подвески. Такие мероприятия при  проектировании ВЛ с повышенным натяжением не было выполнено, что привело к большим потерям при эксплуатации. Остановимся на наиболее характерных повреждениях и отказах проводов и грозозащитных тросов на линиях электропередачи России. Наиболее часто повреждаются провода на переходах ВЛ через водные преграды в местах установки в роликовых подвесах. Защита от вибрации на переходах выполняется в виде двух гасителей Стокбриджа и защитных муфт, устанавливаемых с зазорами между проводом и внутренней полостью 2-3 мм. Работа такой конструкции оказалась совершенно неэффективной и она спровоцировала интенсивный износ провода и самих муфт (рис.9).

   На 30-ти обследованных переходах ВЛ эти устройства приводили к разрушению провода и самих муфт после 8-10 лет эксплуатации, а в северных районах после 3-5 лет. В настоящее время разработан поддерживающий зажим - глухая лодочка, оборудованная ограничителем выхода провода из зажима при аварийных ситуациях за счет шпоночного устройства, работающего на срез. Данное устройство защищает опору от разрушения от нагрузок аварийного режима (рис.10).