Ледяной дождь: ночной кошмар для энергетиков

В начале января 1998 г. три следующие друг за другом теплые воздушные массы, перенасыщенные влагой, двинулись от Мексиканского залива к территории, простирающейся от южного американского штата Алабама до канадской прибрежной провинции Новая Шотландия. На юге выпали сильные дожди, вызвавшие наводнение. Эти огромные массы влаги столкнулись с неподвижным холодным зимним воздухом, пришедшим с Лабрадорского полуострова, и на огромную территорию, охватывающую юго-восток провинции Онтарио, юго-запад провинции Квебек и северо-восток США, обрушился ледяной дождь.

Бедствие продолжалось пять суток, выпало до 80 мм ледяного дождя. Это привело к серьезной аварии системы электроснабжения в Северной Америке. В результате, без преувеличения, пострадали миллионы людей, некоторые были лишены электричества в течение нескольких недель. Авария случилась в середине суровой зимы именно там, где до 80% жителей для отопления используют электричество.

Эта катастрофа относится к крупнейшим природным катаклизмам, случившимся в Северной Америке за несколько последних столетий.

Редакция журнала INMR в своем первом выпуске 2008 г. посвятила истории и урокам этой трагедии десятилетней давности две публикации (1, 2), краткое содержание которых приводится ниже.

Характер ледяной бури и ее последствия явились объектами тщательного анализа с целью выработки решений, которые могли бы снизить тяжесть последствий подобных катастроф в будущем. Представители государственной метеослужбы Канады считают, что нет прямых доказательств того, что этот шторм связан с глобальным потеплением. На южной территории провинции Квебек ледяные бури повторялись периодически — в 1941, 1961 и 1983 годах, хотя ни одна из них не носила такого катастрофического характера. В то же время ледяные бури, имевшие место в Китае, Восточной Канаде и на среднем востоке США не могут рассматриваться как капризы природы, которые наблюдаются только раз при жизни одного поколения.

Повреждения системы электроснабжения, вызванные этой природной катастрофой, привели аналитиков в области электроэнергетики к мысли о необходимости внести коррективы в существующие стандарты на строительство линий электропередачи для того, чтобы снизить риски их повреждения, возрастающие из-за продолжающегося изменения климата.

Последствия выпадения ледяного дождя оказались разными для различных компаний. Например, проектная допустимая ледяная нагрузка в компании N.B. Power соответствовала 12,5 мм ледяного покрытия. Реальная же толщина гололедного образования составляла 38 мм, и только благодаря принятому запасу прочности при строительстве линий электропередачи удалось предотвратить повреждения. Запас прочности для деревянных элементов с учетом прямой горизонтальной весовой нагрузки на провод был принят равным 4, для поперечной нагрузки — 3. Для стальных конструкций коэффициент запаса равен 3 для вертикальной нагрузки и 1,5 — для поперечной. Самые большие проблемы в компании были на линии электропередачи 2 кВ. Они возникли из-за падения деревьев и поломанных сучьев. Потребовалась неделя для восстановления более или менее нормальной работы линии.

В Западной Онтарио непрерывный ледяной дождь привел к обрушению более сотни опор на старой линии электропередачи 115 кВ. На новой линии, расположенной параллельно старой, было лишь небольшое повреждение, поскольку в ней использовались другие опоры, спроектированные иначе.

В Квебеке опоры ЛЭП были рассчитаны на радиальную ледяную нагрузку до 45 мм. Эта величина рассматривается как достаточно консервативная, поскольку метеорологи считают, что интенсивные ледяные дожди могут выпадать только один раз в 50—150 лет. Однако сочетание ледяной нагрузки, образующейся на опорах (что в некоторых случаях приводит к утроению их веса), с проводами, покрытыми льдом, привело к падению многих сотен опор ЛЭП и поломке десятков тысяч деревянных столбов.

Количество поврежденных опор крупнейшей электроэнергетической компании Hydro Quebec (HQ) на линиях передачи 230—735 кВ составило 300, а на 120-киловольтной линии — 800. Здесь осадки выпали в виде ледяного дождя, мороси и снега.

До 1973 г. компания Hydro Quebec принимала требования канадской Ассоциации стандартов, в соответствии с которыми при проектировании линий электропередачи допустимая норма на образование льда (по радиусу) была около 13 мм (при ветровой нагрузке 8 фунтов на квадратный фут).

Начиная с 1973 года эта компания изменила используемый при проектировании электросетей подход к предельной нагрузке. Линии электропередачи стали проектировать на нагрузки, которые могут возникнуть в период времени от 50 до 150 лет, но без использования дополнительного коэффициента запаса прочности. Таким образом, допустимая проектная радиальная ледяная нагрузка с плотностью 0,9 для региона долины Святого Лаврентия была принята 45 мм, и эта величина в дальнейшем использовалась как норма при проектировании ЛЭП. Данный проектный критерий был одним из наиболее жестких среди принятых в Северной Америке.

Компания HQ существенно изменила свой подход к проектированию ЛЭП. Была разработана более обоснованная процедура, которая обеспечивала сбалансированные нагрузочные и прочностные характеристики вдоль всей линии передачи. Раньше в линиях были как прочные, так и слабые компоненты.

На местах аварии рядом с поваленными опорами ЛЭП лежали гирлянды полностью разрушенных фарфоровых изоляторов. Известно, что изоляторы из фарфора обладают большой прочностью, поэтому такое состояние гирлянд изоляторов не могло быть результатом только их падения на землю. Они, вероятно, были повреждены еще до падения. Разрушение гирлянды изоляторов дает мгновенный и катастрофический эффект, в особенности когда проводная система находится под ледяной нагрузкой. Такая авария дает цепную реакцию, которая может положить на землю опору за опорой.

Причиной разрушения изоляторов может быть их плохое качество, например, клей содержит добавку окиси алюминия, который используется для сокращения времени затвердевания при изготовлении изоляторов. Вероятно, изоляторы начали терять механическую прочность еще на складе. Плохое качество изоляторов привело к падению линии 735 кВ всего лишь при половине номинальной нагрузки. Поэтому использование плохих анкерных изоляторов недопустимо.

В целом, все звенья ЛЭП в условиях повышенной ледяной нагрузки подверглись разрушению — опоры, гирлянды изоляторов и провода.

Детальный анализ последствий этой катастрофы, проведенный специалистами, в конечном итоге привел к изменению подхода к проектированию воздушных линий электропередачи.

ЛИТЕРАТУРА
1. Ice Storm in North America. 10 Years After the Great Ice Storm of 98. INMR, Q1, 2008.
2. Ice Storm Blackout of 98: Act of God or Act of Insulator? INMR, Q1, 2008.

Когда верстался номер

Свыше 375 тыс. потребителей лишились электричества из-за разгула стихии в США в ночь со 2 на 3 февраля. По данным местных властей, ветер и обледенение стали причиной обрыва линий электропередачи на территории от Техаса до штатов Новой Англии.

Как сообщили представители энергетических компаний, обслуживающих Техас, ледяной дождь и вызванное циклоном резкое понижение температуры привели не только к обрыву линий электропередачи, но и к выходу из строя нескольких электроподстанций. В результате без света и тепла остались около 3 млн жилых домов. Энергетикам удалось быстро восстановить работу электроподстанций, чего нельзя сказать о подаче электроэнергии всем потребителям.

Обрыв линий электропередачи привел к серьезным сбоям в работе железнодорожного транспорта на Восточном побережье США. Прервано железнодорожное сообщение между Нью-Йорком, Филадельфией и Бостоном. В Бостоне из-за снегопада не работает общественный транспорт.