Проблемы повышенной вибрации и «пляски» проводов и грозотросов в Северном регионе и пути их решения

Масштабное освоение Северных регионов Тюменской области и массовое строительство ВЛ велось в 70-80 годы, когда регион был малоизучен, в год строилось и вводилось около тысячи километров воздушных линий. На стадии проектирования ВЛ не было учтено влияние климатических и геологических условий в период эксплуатации ВЛ из-за их слабой изученности, в связи с чем, проектные решения по Северному региону были идентичны решениям для юга Тюменской области. При проектировании, а потом и в строительстве использовался один и тот же тип опор, фундаментов, такие же или даже большие длины пролетов, в связи с малой плотностью населения и труднодоступностью территории, аналогичные стрелы провеса, закладывалось повышенное тяжение (30% от разрывного усилия в проводе вместо 25% используемой в зарубежной практике), марка проводов, тросов и арматура также были типовыми.

По проекту провода и тросы для районов Крайнего Севера рассчитывались для следующих климатических условий: температура наружного воздуха -55-65°C, ветер и гололед отсутствуют. Не было учтено фактическое влияние совокупности ветровых нагрузок, наличие гололедно-изморозевых отложений, возникающих на проводах и тросах по причине вымораживания обширных обводненных и заболоченных территорий, низких температур или их перепадов. В результате в период эксплуатации ВЛ возникли ряд проблем, таких как повышенная вибрация проводов и тросов, «пляска» проводов и тросов, пучение свайных фундаментов, низкая грозоупорность ВЛ.

Вибрация проводов и тросов

Причиной вибрации проводов являются чередующие срывы вихрей воздуха, создаваемых ветром с верхней и нижней стороны провода. Это явление создает условия для небаланса переменного давления, вызывающего движение провода вверх и вниз под прямым углом к направлению потока воздуха

Наиболее опасная вибрация возникает от воздействия на провод поперечно (или под углом) направленного аэродинамического потока со скоростью от 0,6 до 7 м/с (вызывает низкочастотные колебания с частотой от 3 до 10 Гц), так как при более высоких скоростях ветра поток становится турбулентным и энергия ветра, поступающая к проводу, значительно снижается. К тому же самодемпфирование провода возрастает за счет увеличения частоты колебаний провода.

Наиболее опасна вибрация проводов при отложении изморози. Изморозь обычно откладывается при очень спокойном воздухе, сохраняя цилиндрическую форму провода, но с существенным увеличением его диаметра. Увеличение диаметра провода происходит без заметного изменения его демпфирования, поэтому ветер той же скорости будет вызывать вибрацию с более низкой частотой. При таких условиях гасители в пределах своего нормального рабочего диапазона не справляются с повышенной воспринимаемой ветровой энергией. Со временем это приводит к усталостному разрушению провода, повреждению арматуры, аварийному отключению ВЛ.

Без должной защиты вопрос повреждения проводов и тросов от вибрации это только вопрос времени. Из опыта эксплуатации срок службы проводов и грозотросов в Северном регионе составляет 12-15 лет. Повреждение проводов  и грозотросов происходит в местах подвески и их соединения (поддерживающие и натяжные зажимы, соединители типа СОАС, САС), так как эти места являются концентраторами напряжений (по аналогии с курсом сопротивления материалов — местами заделки), а так же в тех местах, где разрушены гасители вибрации.

На следующих фотографиях представлены наиболее типичные повреждения элементов ВЛ, происходящие при повышенной вибрации, при многократном воздействии знакопеременных нагрузок малой амплитуды.

Опыт эксплуатации показывал, что типовые гасители вибрации типа ГВН, ГПГ, ГПС в т.ч. установка  двойных гасителей, не эффективны в борьбе с повышенной вибрацией. Все разрушения имели место вблизи поддерживающих зажимов, гасителей вибрации, а иногда в точках выхода провода из соединительных зажимов. Именно в этих местах знакопеременные механические напряжения от вибрации имеют наибольшую величину.

За зимний период 1998-1999 гг. в Северных ЭС имело место около 60 отказов ВЛ из-за обрыва проводов ВЛ различных классов напряжения. Подавляющее количество аварий было зафиксировано при понижениях температуры (ниже -40°С) и, соответственно, при повышенных тяжениях. Осмотры показали, что все разрушения произошли в местах, где провод был уже ослаблен усталостными разрушениями от вибрации, как в алюминиевых так и в стальных повивах.

Для решения проблемы в ОАО «Тюменьэнерго» начиная с 1999 года ведется работа по усилению проводов и грозозащитных тросов с использованием защитных спиральных протекторов типа ПЗС, разработанных в ЗАО «Электросетьстройпроект», навиваемых на провод в поддерживающем зажиме, далее ПЗС на соединители типа СОАС, САС. С разработкой в 2002 году многочастотных гасителей вибрации типа ГВ («пешка»), начато их опытное применение в филиале «Северные ЭС».

Дальнейшим логическим развитием удачной идеи спиральной арматуры, стало создание ЗАО «Электросетьстройпроект» полного спектра спиральной арматуры (поддерживающей, натяжной, соединительной, шлейфовой и пр.), которая незамедлительно стала применяться при реконструкциях и ремонтах ВЛ в ОАО «Тюменьэнерго».

С течением времени, предпринимаемые ОАО «Тюменьэнерго» усилия, позволили добиться качественного перелома в борьбе с вибрационным износом проводов и грозозащитных тросов.

Достигнута устойчивая тенденция к снижению повреждений проводов и грозотросов по причине вибрационного износа, что позволило практически полностью исключить аварийные отключения ВЛ по этой причине и перевести проблему из плоскости авральных ремонтов в плоскость планового техобслуживания.

Несколькими годами позже, подтверждая правильность выбранного ОАО «Тюменьэнерго» направления, выйдет информационное письмо ОАО «ФСК ЕЭС» №ЧА/29/173 от 28.12.07г., запрещающее применение 2-х частотных гасителей вибрации старого образца при ТПиР, КР и при новом строительстве ВЛ.

Цитата: «…Запрет связан с низкой эффективностью и недостаточной эксплуатационной надежностью, как всей конструкции гасителя вибрации, так и отдельных составляющих ее элементов. Низкая эффективность объясняется малым энергопоглощением в демпферном тросе, частотные характеристики гашения вибрации имеют две узкие зоны эффективного поглощения. Это приводит к невозможности подавления вибрации во всем спектре возникающих частот колебаний провода и его фактической незащищенности в широких диапазонах частот…»

На основании данного письма, с 2008 года ОАО «Тюменьэнерго» полностью официально отказалось от применения на всех своих объектах гасителей вибрации старого образца в пользу многочастотных гасителей вибрации типа ГВ, ГВП, ГВУ.

«Пляска» проводов и тросов

Несомненно, что возникновению «пляски» в Северном регионе Тюменской области способствует влияние ветровых нагрузок при отложениях на проводах и тросах изморози («куржака»). Возникновение изморозевых отложений на проводах и тросах ВЛ происходит большей частью не по причине налипания на них атмосферных осадков, а в результате вымораживания влагонасыщенной почвы (промерзания болот) и воздуха. Отложение изморози цилиндрической формы обычно сопровождается «пляской» проводов в виде стоячих волн с наиболее опасным видом колебаний с одной или двумя полуволнами или низкочастотной вибрацией. «Пляска» является одной из наиболее опасных разновидностей колебаний проводов ВЛ, при этом известны случаи, когда «пляска» происходит и без изморозевых отложений или гололеда, например, при косых ветрах, направленных под острым углом к трассе ВЛ.

«Пляской» проводов называются вызываемые ветром устойчивые периодические низкочастотные колебания, образующие стоячие волны с числом полуволн от одной до двадцати. «Пляска» является результатом воздействия на провод периодически изменяющейся подъемной силы, возникающей при крутильных перемещениях провода при его обтекании равномерным и поперечно направленным воздушным потоком скоростью от 6 до 25 м/с (из теории).

Явление «пляски» проводов и грозотросов в Северных ЭС наблюдается в большом диапазоне климатических условий:
• температура воздуха от – 2°С до –42°С;
• скорость ветра от 3 м/сек до 25 м/сек;
• гололедоизморозевые отложения.

Из опыта эксплуатации, наиболее опасна «пляска» проводов при:
• температуре воздуха от –30°С и ниже;
• скорости ветра 5-12 м/сек.

При таких условиях амплитуда колебаний проводов и тросов достигает величин от 1 метра до значений, равных стреле провеса с частотой от 0,2 до 2 Гц.

На провода и арматуру действует огромная динамическая ударная нагрузка, передаваемая от ветра.

Повреждаемость элементов ВЛ динамическими нагрузками при пониженных температурах, усиливается из-за хладноломкости арматуры и провода в целом.

Анализ «пляски проводов на ВЛ 35-110кВ за 2009г. показывает, что до 40% случаев «пляски» приводит к устойчивому нарушению работы ВЛ (НАПВ) на время от нескольких минут до нескольких часов, до 10% случаев к повреждению элементов ВЛ, требующих срочного ремонта, в 50% случаев нарушения ограничиваются кратковременными отключениями (УАПВ).

В процессе «пляски» провода и линейная арматура испытывает действия значительных циклических (пульсирующих) поперечных и продольных нагрузок, величина которых достигает 1–4 т и более. Следствием длительного воздействия таких нагрузок является разрушение подвесной и сцепной арматуры, повреждения междуфазных распорок, защитной арматуры, повреждения и обрывы проводов и грозозащитных тросов.

В первую очередь от циклических нагрузок разрушаются узлы, имеющие жесткую конструкцию и несущие большую нагрузку.

Способы борьбы с пляской проводов и тросов вытекают из физики данного процесса, описанной во многих пособиях.

Во время колебаний в воздушном потоке на провод воздействуют аэродинамические силы:
• аэродинамическая сила от изменения угла атаки при поступательных колебаниях пропорциональна скорости набегающего потока ветра;
• аэродинамическая сила от крутильных колебаний пропорциональна квадрату скорости набегающего потока ветра.

Отсюда возникает важный вывод о крутильных колебаниях, как об основном рычаге воздействия на «пляску» проводов. Аэродинамические силы, возникающие при «пляске» от крутильных колебаний, являются преобладающими по величине, и они являются решающими в количественной оценке «пляски» проводов, тем самым задавая одно из направлений в борьбе с пляской.

Борьба с «пляской» проводов и ее последствиями должна вестись как при помощи активных средств, так и пассивными методами за счет предотвращения сближения (схлестывания) проводов путем увеличения расстояния между ними или расположением проводов в горизонталь, либо постановкой межфазных изолирующих распорок (из теории).

Для борьбы с «пляской» проводов активными средствами, с целью наработки практического опыта эксплуатации различных типов гасителей «пляски», в филиале ОАО «Тюменьэнерго» Северные электрические сети начиная с 2003г. было установлено несколько типов гасителей «пляски»: разработанных ОАО «ВНИИЭ», принцип работы которых направлен на препятствование и уменьшение крутильных колебаний провода.

• ВЛ 110кВ «Ямбург-ЯГТЭС» отп.«ЯГП-2» пр.№1-14: МП-120-А, ГП-120 — 234 шт;
• ВЛ 110кВ «Ямбург-ЯГП-6» пр.№7-8: МП-120-А и ГП-120 — 9 шт.

ЗАО Научно-технический центр «Электросети»(г.Москва) разработал в 2008 году по заказу ОАО «Тюменьэнерго» математическую модель для расчета гасителей «пляски» спирального типа и систему измерения колебаний проводов, провел лабораторные испытания гасителей на стойкость к возникновению циклической продольной нагрузки и в ноябре 2008г. выполнил поставку новых экспериментальных гасителей пляски спирального типа: ГПС-15,2-01- 1П («бабочка») и ГПС-15,2-02-1П («полубабочка»), которые были установлены на линиях Ямбургского РЭСа. Сегодня новые гасители «пляски» и система измерения колебаний проводов проходят эксплуатационные испытания с целью сбора экспериментальных данных для дальнейшего совершенствования и развития идеи спиральных гасителей «пляски», а также создания новых образцов гасителей «пляски».

На ВЛ 110кВ «ЯГП-6-ЯГТЭС» отп.«ЯГП-2» ф.«С» в пролетах с №1-14 установлены: ГПС-15,2-01- 1П — 42 шт;
На ВЛ 110кВ «ЯГП-6-ЯГТЭС» отп.«ЯГП-2» ф.«А» в пролетах с №1-14 установлены: ГПС-15,2-02- 1П — 42 шт;

Для борьбы с «пляской» проводов пассивными средствами впервые в практике ОАО «Тюменьэнерго» в 2008г. применены межфазные изолирующие распорки, изготовленные предприятием ЗАО «Энергия+21» г. Южноуральск. Данные распорки установлены на линиях Ямбургского РЭСа в наиболее узких местах, где в 2006, 2007 и в начале 2008 года происходили отключения ВЛ именно по причине «пляски» проводов. Межфазные распорки применяются для удержания проектного расстояния между проводами фаз, проводами и грозозащитными тросами во время «пляски». Такая система призвана снижать амплитуду «пляски» проводов и связанные с нею динамические нагрузки на элементы ВЛ.

В 2008 году в Северных электрических сетях установлено:
ВЛ 110кВ «ЯГП-6-ЯГТЭС» пр.№206-207 — РМИ-110 — 4 шт.
ВЛ 110кВ «Ямбург-ЯГТЭС» пр.№114-116 — РМИ-110 — 8 шт.
ВЛ 110кВ «Ямбург-ЯГП-1В» пр.№75-76 — РМИ-110 — 2 шт.
ВЛ 110кВ «Ямбург-ЯГП-1В» отп.«ЯГП-1» пр.№2-3 — РМИ-110 — 2 шт.
ВЛ 110кВ «Ямбург-ЯГП-1» пр. №6-7 — РМИ-110 — 2 шт.

Мировой опыт показывает, что проблема такой разновидности колебаний проводов как «пляска», до сих пор до конца не изучена и не побеждена, хотя большинство причин ее вызывающих выявлено и описано. Тем не менее полностью избавить от проблемы «пляски» проводов на эксплуатируемых ВЛ сейчас не представляется возможным. В связи с этим, на сегодня основным направлением работы в данном направлении ОАО «Тюменьэнерго» считает отыскание способов уменьшения амплитуды и частоты «пляски» проводов до безопасных значений. Наряду с активными и пассивными способами борьбы с «пляской» проводов на эксплуатируемых ВЛ, описанных в докладе, ОАО «Тюменьэнерго» использует приемы упреждения этого явления еще на стадии проектирования, а именно, для ВЛ проектируемых в регионах с частой и интенсивной «пляской», помимо всех предусмотренных НТД требований, дополнительно закладывается уменьшенная длина пролетов и пониженное тяжение. Так например, для проектируемой ВЛ 220 кВ «Надым-Салехард» средняя длина пролета не превышает 300-320 м, в то время как в при стандартном подходе длина пролета достигала бы 400 и более метров.

Кроме того, в настоящее время в рамках НИОКР ведется работа с ЗАО «Электросетьстройпроект» (ЗАО «ЭССП»), по доработке существующих (типа ГПС «бабочка», «полубабочка») гасителей «пляски» или разработке новых конструкций гасителей «пляски». В декабре планируется установка экспериментальной партии ограничителей гололедообразования Фирмы «ОРГРЭС».