Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,279
ESTIMATE OF THE LEVEL OF ICE HAZARD FOR OVERHEAD POWER TRANSMISSION LINES
Введение
Надежность любой системы – это её характеристика, которая обеспечивает выполнение своих функций в необходимом объеме и установленного качества. Для электроэнергетики надежность – это способность обеспечивать потребителей стабильной и качественной электрической энергией. Одним из основных элементов электроэнергетических систем являются линии электропередачи (ЛЭП), которые предназначены для передачи электроэнергии от объектов генерации к преобразовательным и распределительным узлам, потребителям, а также для связи смежных энергосистем. В энергосистеме России преобладают воздушные ЛЭП, которые осуществляют передачу электрической энергии по проводам, находящимся на открытом воздухе. Воздушные ЛЭП относятся к наиболее повреждаемым элементам электрических сетей из-за их большой территориальной протяженности и подверженности влиянию природных воздействий, поэтому проектирование линий осуществляется с учетом карт климатического районирования [1-3].
В данной работе рассматривается влияние на надежность ЛЭП одного из самых опасных климатических факторов – образования гололедно-изморозевых отложений при различных значениях поперечной к линии электропередачи скорости ветра. Согласно данным ПАО «Россети Центр» за 2022 год, около 44% аварийных отключений в сетях напряжением 110 кВ и выше были вызваны природными факторами, такими как грозовые разряды, ветровые воздействия и гололедно-изморозевые отложения [4]. При этом наиболее тяжелые и сложные для устранения повреждения связаны именно с образованием гололеда на элементах линий электропередачи. Проведенный анализ многолетней статистики аварий на объектах электроэнергетики [5] показал, что повреждения, обусловленные гололедообразованием на проводах ЛЭП, составляют в среднем 11±3% от общего числа аварий. Обледенение линий электропередачи приводит к большому экономическому ущербу, так как на устранение последствий аварий требуются значительные временные и материальные ресурсы. Так, в декабре 2001 года в Сочинских электрических сетях вследствие гололедно-ветровых нагрузок произошла крупная авария: было повреждено около 2,5 тыс. км воздушных линий электропередачи напряжением 0,38–220 кВ, а без электроснабжения остались порядка 320 тыс. потребителей [6]. Аналогично, в 2008 году на острове Сахалин разрушения ВЛ привели к экономическим потерям, превысившим 200 млн рублей [7]. Тенденция увеличения числа случаев, продолжительности и веса отложения мокрого снега обнаружена на большей части России [8]. При этом метеорологические условия образования опасных гололедно-изморозевых отложений отличаются от условий образования отложений небольшого диаметра [9].
Предотвращение гололедных аварий обеспечивает повышение надежности электроснабжения и тем самым исключает экономические потери, к которым они могут привести. Поэтому в случае гололедообразования на проводах необходимо оперативное определение начала процесса гололедообразования и размеров отложений с учетом возможных ветровых нагрузок для своевременного принятия мер по их удалению.
Самым эффективным и распространенным методом удаления гололедно-изморозевых отложений является плавка, когда по закороченным проводам ЛЭП пропускают токи, достаточные для их нагрева [10]. Принятие решения о проведении мероприятий по удалению гололедно-изморозевых отложений производится на основе приблизительной оценки вида отложений, толщины их стенки, наличия ветра. Такая оценка гололедно-ветровой опасности приводит к перестраховке, и, по данным [11], в 85% случаях плавку можно было не производить и тем самым исключить повышенное старение проводов ЛЭП из-за нагрева, недоотпуск электроэнергии потребителям и её перерасход для самой плавки. Следовательно, проведение плавки гололеда целесообразно лишь при наличии реальной опасности возникновения аварийной ситуации. Для этого требуется достоверная информация о процессах формирования и нарастания гололедно-изморозевых отложений, а также о достижении ими критической толщины, а если плавка гололеда производится, то важен контроль за её процессом для управления режимами и продолжительностью [12, с. 84; 13].
Цель исследования – разработка метода численной оценки гололедно-ветровых нагрузок для определения степени опасности для воздушных линий электропередачи на основе расчета механического напряжения фазных проводов в пролете.
Материалы и методы исследования
Для достижения поставленной цели выполнены расчеты механического напряжения провода воздушной линии электропередачи напряжением 110 кВ. Варьируемыми параметрами выступали толщина стенки гололедно-изморозевых отложений с учетом их различной плотности, а также перпендикулярная составляющая скорости ветра. Механическое напряжение провода ЛЭП описывается уравнением состояния провода в пролете, который имеет вид [12, с. 378; 14]:
(1)
где σ – напряжение в проводе при заданной температуре t, даН/мм2; σm – известное напряжение в проводе при tm; l – длина пролета; γ и γm – удельные нагрузки проводов для искомых и известных условий; t и tm – температура воздуха в искомых и известных условиях, °С; t = –2°С – расчетная температура; tm = 2,8°С – среднегодовая температура (для Казани); α – температурный коэффициент линейного удлинения провода, 1 /°С; β = 1 / Е – коэффициент упругого удлинения провода; Е – модуль упругости.
В качестве примера рассматривается ЛЭП напряжением 110 кВ с длиной пролета 220 м, маркой провода АС–120/19, имеющего максимальное (критическое) механическое напряжение σмах= 30,43 даН/мм2, при котором достигается паспортное значение усилия разрыва провода, диаметр провода – 15,2 мм, площадь сечения – 136,43 мм2, коэффициент линейного удлинения провода – 19,2 10-6 1/°С, модуль упругости – 8250 даН/мм2 [15]. Суммарная удельная нагрузка провода определяется как:
γ = [(γгол + γ0)2 + γ2вет]–0,5 [16] , (2)
где для рассматриваемого провода γ0=3,45 кг/(м мм2), γгол и γвет – удельные нагрузки гололеда и ветра при гололеде – γгол=Ргол/S , где Ргол – гололедная нагрузка на провода, S – сечение провода, мм2.
Гололедная нагрузка на провода определяется как:
Ргол = ρ.10–3πb (dп + b), (3)
где ρ – плотность гололеда, г/см3, b – толщина стенки гололеда, мм; dп – диаметр провода, мм. Удельная ветровая нагрузка при гололеде – γвет = Рвет/S. Ветровая нагрузка на провод при гололеде определяется как:
Рвет = W cx (dп+2b) 10–3, (4)
где W = v2 / 1,6 – ветровое давление; v – поперечная к ЛЭП составляющая скорости ветра; cх=1,2 –усредненный аэродинамический коэффициент при гололеде на проводах.
Результаты исследования и их обсуждение
В результате решения уравнения состояния провода (1) были определены зависимости механического напряжения в проводе от толщины гололедной оболочки при различных скоростях ветра для воздушной линии электропередачи напряжением 110 кВ. На рисунке 1 показаны зависимости механического напряжения провода от толщины стенки гололеда при различных скоростях ветра для двух различных видов гололедно-изморозевых отложений – гололеда с плотностью 0,9 г/см3 и изморози с плотностью 0,3 г/см3.
На графиках, представленных на рисунке 1, линии 1 и 2 отражают соответственно критическое и допустимое (принятое на уровне 60% от критического) значения механического напряжения провода для данной линии электропередачи. Из анализа видно, что с увеличением скорости ветра угроза целостности провода наступает при меньшей толщине отложений.
На основе значений толщины гололеда и скорости ветра, при которых механическое напряжение достигает допустимого уровня (в рассматриваемом случае 18,3 даН/мм²), были построены графики в виде изолиний допустимых напряжений (рис. 2) для гололедно-изморозевых образований с различной плотностью.
Из рисунка 2 видно, что с увеличением скорости ветра различие в значениях допустимого механического напряжения для гололедно-изморозевого отложения с разными плотностями уменьшается, т. к. ветровая нагрузка начинает превалировать над гололедной. Также из изменений кривых зависимостей рисунка 2 можно заметить, что чем меньше плотность гололедно-изморозевого отложения, тем при меньших скоростях ветра начинается его влияние. Это объясняется тем, что допустимое значение механического напряжения для отложений с меньшей плотностью достигается при больших значениях его стенки, что приводит к увеличению ветровой нагрузки. Так, для гололеда с плотностями 0,9 г/см3, 0,6 г/см3 ветер начинает оказывать заметное влияние при скоростях, больших 5 м/с, а для изморози с плотностью 0,3 г/см3 это заметно уже при скорости ветра 3 м/с. Допустимый 60%-ный уровень механического напряжения для гололеда плотности 0,9, 0,6, 0,3 г/см3 при отсутствии ветра достигается при толщинах стенки 17,1, 22,1, 33,8 мм соответственно, что совпадает с минимальными значениями толщины стенки отложений, являющихся опасными, приведенными в [17]. А при значениях скорости ветра, начиная с 10 м/с, допустимый уровень механического напряжения становится одинаковым для всех рассмотренных видов гололедно-изморозевых отложений, при этом допустимая толщина стенки отложений составляет 5 мм.
В уравнении состояния провода (1) параметрами, которые характеризуют конкретную ЛЭП, являются длина пролета и технические характеристики фазного провода, поэтому допустимое значение механического напряжения для различных линий будет отличаться [18].
а) 
б) 
Рис. 1. Зависимости механического напряжения в проводе от толщины гололедно-изморозевых отложений при плотности 0,9 (а) и 0,3 г/см³ (б) для различных скоростей ветра, v = 0, 5, 7,5 и 10 м/с, прямые 1 и 2 – соответственно критическое и допустимое значения механического напряжения Источник: составлено авторами по результатам данного исследования
Рис. 2. Зависимость предельно допустимой толщины гололедно-изморозевых отложений (при которой механическое напряжение достигает допустимого уровня) от скорости ветра для различных значений плотности образования, ρ = 0,3, 0,6 и 0,9 г/см3 Источник: составлено авторами по результатам данного исследования
Имея точную информацию о толщине стенки и плотности гололеда, скорости и направлении ветра, можно оценить степень опасности для конкретной ЛЭП. Информация о скорости и направлении ветра содержится в метеосводках, и, как показали расчеты, ветер со скоростями менее 5 м/с не оказывает заметного влияния на механическое напряжение провода. В этих условиях актуальна информация только о наличии гололеда на проводах ЛЭП и его параметрах, которую можно получить измерениями.
Рис. 3. Визуализация результатов локационного зондирования проводов Источник: составлено авторами на основе источника [14]
Одним из аппаратных способов мониторинга состояния линий электропередачи, способным непрерывно предоставлять такую информацию, является метод локационного зондирования [19–21]. Его принцип заключается в измерении и последующей программной обработке параметров отражённых импульсных сигналов – их затухания и запаздывания при распространении по фазным проводам ЛЭП, которые определяются характеристиками гололедно-изморозевых отложений. При помощи локационного комплекса можно контролировать все ЛЭП, отходящие от подстанции, на которой он установлен. Кроме того, если производится плавка гололеда, то локационный комплекс позволяет отслеживать этот процесс в реальном времени и давать информацию, когда можно прекратить плавку и восстановить передачу электроэнергии по ней в штатном режиме. Локационные комплексы размещаются на подстанциях и подключаются к существующему высокочастотному тракту ЛЭП без необходимости его модернизации, поскольку он уже используется для организации ВЧ-связи, телемеханики, релейной защиты, автоматики и телефонной связи. Применение локационной технологии позволяет с помощью единого программно-аппаратного решения не только выявлять и отслеживать изменения гололедных отложений на проводах, но и определять места возникновения повреждений. Место повреждения на ЛЭП определяется по значению времени прихода отраженного сигнала. Одновременно можно определить и характер повреждения. Повреждение может быть в виде обрыва или короткого замыкания фазных проводов. Отраженные локационные импульсы от места обрыва фазного провода и места короткого замыкания имеют разные полярности, положительную и отрицательную соответственно. Точное и быстрое определение места повреждения линии электропередачи сокращает время, затрачиваемое на устранение аварии. Результаты локационного зондирования визуализируются на экранах мониторов диспетчерских пунктов. На рисунке 3 приведен один из способов визуализации [19] в виде таблицы, содержащей параметры гололедного отложения, расчетные значения допустимых значений стенки гололеда, для всех отходящих от подстанции ЛЭП, с цветовой индикацией, показывающей степень опасности. Определенный цвет индикации соответствует состоянию линии: черный – обрыв проводов контролируемой линии; красный – очень сильное обледенение, превышающее допустимое; оранжевый – сильное обледенение, необходима плавка гололеда; желтый – наличие гололеда в допустимых пределах; зеленый – гололед отсутствует.
Заключение
Предложенный подход, основанный на совместном использовании расчетных методов определения механического напряжения и аппаратного локационного контроля, позволяет повысить обоснованность решений о необходимости проведения плавки гололеда, что способствует снижению аварийности и оптимизации затрат сетевых компаний. Показано, что для каждой отходящей от подстанции линии можно в реальном времени определять механическое напряжение провода в зависимости от толщины стенки, плотности гололедно-изморозевых отложений и скорости ветра. Тем самым возможно оценить степень опасности для ЛЭП и своевременно предпринять меры по недопущению аварийной ситуации.
Conflict of interest
Financing
Библиографическая ссылка
Минкин А. С., Касимов В. А. ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ГОЛОЛЕДНОЙ ОПАСНОСТИ ДЛЯ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ // Современные наукоемкие технологии. 2026. № 5. С. 84-89;URL: https://top-technologies.ru/en/article/view?id=40779 (дата обращения: 01.06.2026).
DOI: https://doi.org/10.17513/snt.40779