Определение приоритетов обследования линий электропередачи

Значительное число воздушных линий электропередачи распределительного электросетевого комплекса РФ имеет длительный срок эксплуатации, высокий уровень износа и, как следствие, меньшую по сравнению с проектной пропускную способность. В большинстве случаев достоверная информация о фактической пропускной способности воздушных линий электропередачи (ВЛ) отсутствует и их эксплуатация осуществляется таким образом, как если бы они имели исходные проектные характеристики. Такая практика нередко является причиной технологических нарушений.

СТАТИСТИКА ПОВРЕЖДАЕМОСТИ

Как показывает статистика повреждаемости элементов ВЛ 110 кВ и выше (рис. 1), большинство технологических нарушений обусловлено повреждением проводов (53,1% от общего числа) и линейной изоляции (28,06%), являющихся в совокупности причиной 81,16% всех отказов на ВЛ высокого напряжения.

Анализ статистики аварийности говорит также о том, что ¾ всех технологических нарушений происходит на ВЛ, находящихся в эксплуатации до 40 лет, и 48,5% всех нарушений — на линиях, эксплуатируемых менее 30 лет.

О наиболее характерных причинах повреждений ВЛ свидетельствует диаграмма, представленная на рис. 2.

Главным образом такая ситуация складывается в результате воздействия в течение длительного времени ряда эксплуатационных факторов, приводящих, в частности, к увеличению стрел провеса проводов, уменьшению их габаритов до земли, до пересекаемых объектов и ДКР. При повышении токовой нагрузки и/или температуры окружающей среды, с учетом применяемых в настоящее время в организациях электроэнергетики недостаточно совершенных способов контроля состояния проводов ВЛ, предрасположенность к технологическим нарушениям только усугубляется.

Суть применяемых в настоящее время способов определения допустимости технологического режима работы ВЛ состоит в контроле принятых в ПУЭ допустимых токовых нагрузок для конкретного типа/сечения провода при различных температурах наружного воздуха. Такой способ контроля позволяет, как правило, не допускать технологических нарушений на линиях, находящихся в хорошем техническом состоянии, срок эксплуатации которых не превышает нормативного.

Следует отметить, что указанный способ контроля допустимых токовых нагрузок имеет ряд существенных недостатков: с одной стороны, он не позволяет использовать имеющиеся (скрытые) резервы пропускной способности ВЛ, находящихся в техническом состоянии, удовлетворяющем требованиям действующих нормативов; а с другой стороны, для линий с длительными сроками эксплуатации и невысокими показателями технического состояния использование применяемого в настоящее время способа контроля токовой нагрузки может привести к недопустимым перегрузкам ВЛ. Это может быть обусловлено недостаточно точным учетом возникших в процессе ее эксплуатации негабаритов, ухудшением состояния контактных соединений, снижением механической прочности проводов, опор или линейной арматуры, т.е. тех факторов, которые также могут привести к возникновению и (или) развитию технологических нарушений.

Для исключения указанных недостатков и снижения рисков возникновения технологических нарушений предлагается в качестве одного из важных параметров контроля (осуществляемого при определении допустимости уровня токовой нагрузки ВЛ) использовать фактическую температуру ее провода.

Вместе с тем вне зависимости от способа контроля допустимой токовой нагрузки для обеспечения надежного функционирования ВЛ и повышения ее пропускной способности необходимо располагать точными и актуальными данными о реальном техническом состоянии линии.

Переход к управлению технологическими режимами работы ВЛ с учетом их реального технического состояния и в соответствии с данными о фактической температуре проводов линии должен стать одной из приоритетных задач для компаний электросетевого комплекса. Сетевые компании владеют значительным количеством линий электропередачи, поэтому рассматриваемый комплекс работ на ВЛ требует привлечения серьезных средств и ресурсов, в связи с чем возникает вопрос об определении приоритетов в проведении подобных работ. Задача состоит в формировании, ранжированного перечня линий, которые планируется перевести на управление технологическими режимами с учетом реального технического состояния и в соответствии с данными температурного мониторинга.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИОРИТЕТОВ ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТ
ПО ИНСТРУМЕНТАЛЬНОМУ ОБСЛЕДОВАНИЮ ТЕХНИЧЕСКОГО
СОСТОЯНИЯ ГРУППЫ ЛИНИЙ СЕТЕВОЙ КОМПАНИИ

Подходы, используемые в подобной работе, должны быть простыми и прозрачными. Их применение должно позволить сетевым компаниям на основании имеющейся в доступе информации оперативно выстраивать приоритеты и формировать этапы работ по определению реального технического состояния элементов сетевой инфраструктуры и по внедрению на данных объектах систем температурного мониторинга.

Предлагается следующая последовательность операций по определению приоритетов проведения указанных работ.

1. Из всех объектов сетевой компании напряжением 35 кВ и выше формируется перечень линий, одиночное отключение которых может привести к отклонению технологического режима («N-1») работы другого (других) элемента электрической сети от допустимых значений, определенных оперативными инструкциями (далее — сетевые ограничения). Сетевые ограничения определяются расчетным путем при моделировании работы электрической сети в режиме «N-1» в нормальной схеме при расчетных максимальных нагрузках (зимний максимум).

2. Далее из сформированного на первом этапе перечня линий выделяются ВЛ с первым приоритетом в отношении планируемого проведения комплекса работ инструментального обследования и организации системы температурного мониторинга состояния проводов. ВЛ присваивается первый приоритет, если расчетные сетевые ограничения в режиме «N-1» не удается устранить путем оперативных схемно-режимных мероприятий без ввода аварийных ограничений потребителей на время проведения аварийно-восстановительных работ на этой ВЛ. Под аварийно-восстановительными работами понимаются технические мероприятия по ликвидации повреждений ВЛ, препятствующие ее включению в работу и снятию аварийных ограничений потребителей. Необходимо отметить, что аварийные ограничения потребителей для возможности определения приоритетов ВЛ являются расчетной величиной, определяемой в наиболее тяжелом с точки зрения режима случае, т.е., как правило, в режиме максимальных нагрузок (зимний максимум). В других режимах сетевые ограничения при отключении рассматриваемой ВЛ, могут и не возникать. Именно в такие периоды необходимо планировать работы по определению реального технического состояния ВЛ и внедрению системы температурного мониторинга, как и другие виды работ на ВЛ, требующие ее отключения.

3. Из перечня объектов, не попавших в группу линий с первым приоритетом, формируется перечень ВЛ, отключение которых в режиме «N-1» (т.е. уже «N-2») может привести к сетевым ограничениям.

4. Из сформированного таким образом перечня объектов, аналогично первому приоритету, определяются объекты со вторым приоритетом. ВЛ присваивается второй приоритет, если сетевые ограничения в режиме «N-2» не удается устранить путем оперативных схемнорежимных мероприятий без ввода аварийных ограничений потребителей на время проведения аварийно-восстановительных работ.

Для дальнейшего определения приоритетов ВЛ менее высокого уровня используется та же логика, что и для первых двух. Рассматриваются условия возникновения сетевых ограничений в режимах «N-1» и «N-2» в сочетании с возможностью их устранения. Порядок дальнейшего определения приоритетов в силу его относительной сложности и повторяемости вышеизложенной логики представлен на блок-схеме (позиции с 5 по 10, рис. 3). Последующее утяжеление режима «N-3» с целью определения приоритетов ВЛ нецелесообразно по причине значительно меньшей вероятности возникновения таких режимов в сравнении с ранее рассмотренными.

В итоге при рассмотрении ВЛ в режимах «N-1» и «N-2» по предложенному алгоритму определения приоритетов формируются 7 групп линий. При этом ВЛ первого, второго и третьего приоритетов, в отличие от ВЛ с более низким приоритетом, характеризуются следующим ключевым признаком, влияющим на их дальнейшее ранжирование внутри каждого приоритета, — сетевые ограничения, возникающие при отключении (режимы «N-1»/«N-2») указанных ВЛ, не удается устранить путем оперативных схемно-режимных мероприятий без ввода аварийных ограничений потребителей на время аварийно-восстановительных работ на таких ВЛ в режиме максимальных нагрузок энергосистемы (зимний максимум).

Далее ранжирование ВЛ из первого, второго и третьего приоритетов осуществляется в рамках каждого приоритета последовательно по следующим критериям:
• последствия отказов в соответствии с величиной расчетных аварийных ограничений и категорией потребителей (социально-значимые объекты и объекты жизнеобеспечения), а также длительностью таких ограничений, определяемых объемом и сложностью аварийно-восстановительных работ на поврежденной ВЛ;
• вероятность возникновения отказов ВЛ в рассмотренных режимах работы сети «N-1» («N-2»).

Классификация ВЛ по приоритетам с четвертого по седьмой осуществляется практически аналогично процедуре формирования групп ВЛ, которым присваиваются приоритеты с первого по третий, но имеет два отличия:
• критерий вероятности отказов имеет более высокий приоритет при ранжировании, чем последствия отказа в силу их меньшей значимости при возникновении аварийных ситуаций (аварийные ограничения потребителей имеют место в короткий период времени, необходимый для проведения оперативных схемно-режимных мероприятий);
• дополнительно в качестве критерия ранжирования учитывается состав и оперативность схемно-режимных мероприятий, реализуемых для снятия перегрузки ВЛ. Порядок ранжирования внутри каждого приоритета представлен на блок-схеме рис. 4.

При проведении ранжирования ВЛ необходимо принимать во внимание следующие основные факторы, оказывающие существенное влияние на техническое состояние линий, которое, в свою очередь, является основным параметром, влияющим на вероятность отказа ВЛ:
• срок службы;
• данные о технологических нарушениях (статистика отказов);
• условия эксплуатации (наличие промышленных и естественных загрязнений среды, экстремально низкие/высокие температуры воздуха, интенсивность солнечной радиации, уровни ветровых и гололедных воздействий, включая экстремальные и сверхрасчетные воздействия, характер грозовой деятельности, учет вероятности подтопления);
• влияние орографических и геоморфологических факторов (равнинная, холмистая или горная местность, скалистые, мерзлотные, пучинистые или слабосвязные песчаные грунты, заболоченная местность и т.д.);
• особенности трассы ВЛ (наличие значительного числа естественных и искусственных препятствий и пересекаемых объектов, залесенность трассы).

Для количественного учета степени влияния каждого из приведенных выше факторов на возможность возникновения технологического нарушения или на снижение эксплуатационной готовности рассматриваемой ВЛ, т.е. для ранжирования приоритетности проведения исследования ее реальной пропускной способности, определяются показатели Q_ij , значения которых характеризуют весомость данного фактора в общей суммарной оценке ранга данной j-й линии в сравнении с другими ВЛ, подлежащими исследованию. Суммарный показатель R_j = ∑Q_ji определяет ранг ВЛ №j. Линии с более высоким рангом относятся к числу тех, которые имеют приоритет при планировании очередности проведения их исследования.

КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ФАКТОРОВ ВЛИЯНИЯ
НА ТЕХНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ВЛ

Срок службы ВЛ оказывает значительное влияние на все эксплуатационные показатели. В зависимости от срока службы ВЛ значения коэффициентов влияния Qj1 распределяются следующим образом (табл. 1).

СТАТИСТИКА ОТКАЗОВ
(аварийных отключений)

Количество аварийных отключений является одним из важнейших показателей надежности и эксплуатационной готовности ВЛ (табл. 2).

УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ
(метеорологические и другие внешние воздействия)

Техническое состояние отдельных элементов ВЛ и линий в целом в значительной степени зависит от частоты повторяемости и интенсивности таких внешних воздействий, как промышленные и естественные загрязнения среды, ветровые и гололедные воздействия, низкие температуры воздуха, интенсивность гроз (табл. 3).

Значения коэффициентов влияния Q_j3 определяются путем суммирования соответствующих условиям эксплуатации рассматриваемой линии субкоэффициентов Q^к_j3, т.е. Q_j3 = ∑Q^к_j3 (где к = 1,2,3,4,5). В зависимости от сочетания характерных для рассматриваемой линии условий эксплуатации коэффициенты влияния Q_j3 могут принимать значения в интервале от 0 до 25.

ВЛИЯНИЕ ОРОГРАФИЧЕСКИХ
И ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

На техническое состояние воздушных линий электропередачи, а также на их ранг, определяющий приоритетность проведения исследования пропускной способности, значительное влияние оказывает ряд орографических и геоморфологических факторов (табл. 4). Наиболее существенными среди них являются следующие:
• трасса ВЛ или существенная ее часть проходит по равнинной, холмистой или горной местности;
• грунты по трассе линии являются преимущественно скальными породами, плотными и сухими, слабосвязными песчаными, сильно увлажненными и заболоченными, участки трассы проходят по большим водным пространствам — озерам или водохранилищам, грунты являются мерзлотными и пучинистыми.

Значения коэффициентов влияния Q_j4 определяются путем суммирования соответствующих условиям эксплуатации рассматриваемой линии субкоэффициентов Q^к_j4, т.е. Q_j4 = ∑Q^к_j4 (где к = 1,2). В зависимости от сочетания характерных для рассматриваемой линии условий эксплуатации коэффициенты влияния Q_j4 могут принимать значения в интервале от 0 до 8.

ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРА ТРАССЫ ВЛ
И ПЕРЕСЕКАЕМЫХ ОБЪЕКТОВ

Приоритетность обследования линии зависит от таких характеристик трассы, как ее доступность для проведения наземных обходов, работ по текущему обслуживанию и ремонту, а также от залесенности трассы и влияния древесной и кустарниковой растительности (ДКР) (2), числа перекрытий на ДКР, повреждаемости проводов падающими с края просеки высокими деревьями. На приоритетность исследования пропускной способности ВЛ оказывает влияние наличие значительного числа пересечений с линиями низшего класса, автомобильными дорогами различной категории, железнодорожными путями и пересечениями водных преград (табл. 5).

Значения коэффициентов влияния Q_j5 определяются путем суммирования соответствующих условиям эксплуатации рассматриваемой линии субкоэффициентов Q^к_j5, т.е. Q_j5 = ∑Q^к_j5 (где к = 1,2,3). В зависимости от сочетания характерных для рассматриваемой линии условий эксплуатации коэффициенты влияния Q_j5 могут принимать значения в интервале от 0 до 10.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАНГА ВЛ ПО КРИТЕРИЮ ПРИОРИТЕТНОСТИ
ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕАЛЬНОЙ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ

Ранг ВЛ №j определяется посредством суммирования значений всех описанных выше коэффициентов влияния:

R_j = ∑Q_ji (где i = 1,2,……,5). В зависимости от значений приведенных выше коэффициентов влияния ранг ВЛ №j может принимать значения в пределах от 1 до 60. Очевидно, что ВЛ с более высоким рангом подлежат инструментальному обследованию в приоритетном порядке. При равенстве рангов двух или более линий приоритет проведения обследования определяется путем сопоставления протяженности ВЛ — менее протяженные ВЛ обследуются в приоритетном порядке. Если при определении значений каких-либо факторов влияния возникают проблемы, связанные с недостаточностью достоверной информации, значения таких факторов рекомендуется назначать на основе экспертной оценки.

Предложенные способы определения рейтингов и определения приоритетов ВЛ по критериям их ответственности и технического состояния в сопоставлении с другими инфраструктурными объектами сетевой компании, а также с точки зрения приоритетности проведения исследования их реальной пропускной способности, актуальности ее повышения предполагают использование для их практического применения наличие минимального объема достаточно доступной исходной информации об объектах сетевой инфраструктуры. Вполне очевидно, что это не единственно возможные способы, которые могут и должны подлежать дальнейшему совершенствованию. Представляется, однако, что предложенные подходы являются вполне приемлемыми для простого, быстрого и достаточно объективного определения приоритетов при определении очередности обследования и последующей модернизации значительного числа ВЛ различного уровня ответственности, разных классов напряжения, разных конструкций и разных лет постройки.

ЛИТЕРАТУРА

1. CIGRE Technical Brochure “Guidelines for increased utilization of existing overhead transmission lines”. Part 1. WG B2.13, 2006.
2. NERC — North American Electric Reliability Corporation. Transmission Vegetation Management NERC Standard FAC-003-2 Technical Reference, 2009.
3. CIGRE Technical Brochure № 420. “Generic Guidelines for Life Tine Condition Assessment of Hv Assets and Related Knowledge Rules”. WG D1.17, 2010.