К вопросу о композитных опорах воздушных линий

УДК 621.311

Ю.Н.Бочаров, В.В.Жук

К ВОПРОСУ О КОМПОЗИТНЫХ ОПОРАХ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ Аннотация

В последнее время для строительства и ремонта ВЛ высокого и сверхвысокого напряжения предлагаются решения на базе опор из композитных материалов. Применение композитных опор может оказать влияние на грозоупорность линии и другие параметры. При их разработке необходимо учитывать отсутствие опыта эксплуатации и отличие электрических параметров композитных опор от параметров традиционных электропроводящих конструкций. Нельзя исключать возможности использования электрофизических преимуществ композитных материалов для получения более эффективных и нетрадиционных решений в линейном строительстве.

Ключевые слова:

воздушные линии, композитные опоры, грозозащита.

Y.N.Bocharov, V.V.Zhuk

TO THE QUESTION OF COMPOSITE TOWERS FOR OVERHEAD TRANSMISSION LINES Abstract

Recent solutions of high voltage overhead transmission lines construction and maintenance are mostly based on composite material towers. Construction of composite towers can affect lightning-proof of transmission lines and other parameters. In their design, it is important to take into account the lack of service experience and the difference between the electrical parameters of composite poles and traditional conductive structures. However, electro-physical advantages of composite materials can favour more effective and innovative solutions development in linear construction.

Keywords:

overhead transmission lines, composite towers, lightning protection.

Зарубежный опыт использования композитных опор. За рубежом композитные опоры применяются для сетей наружного освещения, а также распределительных сетей низкого, среднего и высокого напряжения. Опоры, как правило, выполнены из стеклопластика. Технология производства обеспечивает конструкциям определенную прочность и стойкость к внешним воздействиям [1]. На линиях высокого напряжения композитные опоры еще не нашли широкого применения и используются достаточно ограничено.

В Норвегии на ВЛ 132 кВ использованы композитные опоры канадского производства, основой которых являются стеклопластиковые стойки RStandard. Легкие, быстромонтируемые композитные конструкции позволили норвежской электросетевой компании в короткие сроки заменить несколько деревянных изношенных опор. Реконструкции подвергнуто около 2 километров воздушной линии. В итоге было смонтировано 6 композитных и 3 металлические опоры. В сумме это на 25% меньше, чем в исходном варианте. По результатам проекта сделаны выводы об эффективности использования опор на напряжение 132 кВ и рассмотрена возможность их применения в труднодоступной горной местности с суровыми климатическими условиями.

Высокая скорость монтажа во многом обеспечена модульной конструкцией стоек и их малым весом. Для установки композитной опоры RStandard не требуется сложная техника. Помимо всего прочего упрощается логистика и способы транспортировки.

Грозозащита и заземление на линии 132 кВ организованы по аналогии с ВЛ на деревянных опорах. Имеющиеся тросы заземляются спусками, выполненными из медного многопроволочного проводника. Высота опор составляет в среднем до 18 м. На отремонтированном участке в Норвегии установлены как портальные, так и одностоечные опоры. Грозоупорность таких линий можно анализировать, опираясь на опыт проектирования и эксплуатации деревянных опор. Согласно [2], производитель дает долгосрочную гарантию от повреждения композитных модулей разрядами молнии, а опоры разработаны для сетей до 330 кВ.

На одностоечных опорах в Норвегии используются изоляционные траверсы консольного типа. На портальных опорах в качестве траверс применяются композитные балки, к которым прикрепляются подвесные полимерные изоляторы, снабженные арматурой, защищающей от электрических воздействий.

В США композитные опоры RStandard удается эффективно использовать в сетях среднего напряжения 7.2 кВ. Авторы [2] указывают на достаточность чередования деревянных и композитных опор в определенной пропорции, что уже повышает эксплуатационные характеристики линий. Такие ограничения объясняются высокой стоимостью композитных стоек. Эксплуатирующая организация считает, что стоимость опор компенсируется низкими затратами на монтаж и обслуживание, а также высокой надежностью конструкций и снижением аварийности.

Рассмотренный опыт является наиболее показательным, а опоры RStandard наиболее подходящими для реализации проектов ВЛ высокого напряжения. Другие производители предлагают решения в основном для сетей среднего и низкого напряжения. Электросетевые компании различных стран мира заинтересованы в подобной продукции. В частности, рассматриваются решения по замене деревянных опор на стеклопластиковые в классах напряжения до 220 кВ. Активно опоры RStandard используются и на территории Канады, где сосредоточено их производство.

Композитные опоры ВЛ 110-500 кВ в России и вопросы грозоупорности. Канадские модульные стойки применены для опор напряжением 110-220 кВ, а также 330 и 500 кВ, разработанных для России (рис.1) [3, 4]. Адаптацией зарубежных решений занимались специалисты ОАО «ПРОМиК». Новые конструкции имеют в основе стойки RStandard и типовые металлические траверсы. Портальные двухстоечные опоры имеют внутренние металлические связи, придающие конструкциям необходимую жесткость. Через эти же связи организовано заземление троса и траверс. В отличие от аналогичных железобетонной конструкции, каждая внутренняя связь композитной опоры представлена парой канатов. Опора IIIIRS 330-1 в 2011 г. была представлена ОАО «ФСК ЕЭС» на международном железнодорожном салоне «ЭКСПО 1520» и прошла механические испытания на полигоне.

На сегодняшний день опыт эксплуатации предлагаемых опор отсутствует. Применять зарубежный опыт было бы некорректно, учитывая его объемы и отличия в исполнении конструкций. Возникает очевидный вопрос о влиянии изоляционных стоек на грозоупорность линий и другие параметры. Существующая нормативная база и учебно-методические пособия опираются на опыт применения железобетонных, стальных и деревянных опор. Композитные опоры можно сравнивать с деревянными - для стоек применяются изоляционные материалы, а тросы заземлены тонкими проводниками. Наличие деревянных траверс существенно повышает импульсную прочность изоляции, что позволяет линиям с деревянными опорами иметь приемлемую грозоупорность при высокой индуктивности пути трос - земля. Очевидно, что индуктивность композитных опор типа RS будет не ниже, чем у портальных деревянных опор.

Рис.1. Опоры 110-500 кВ на стеклопластиковых модульных стойках RStandard: а - для ВЛ 110 кВ типа nRS 110-1.170-275-071; б - для ВЛ 220 кВ типа ПЯБ 220-1.160-292-0409; в - для ВЛ 220 кВ типа nRS 220-2.190-392-0311; г - для ВЛ 330 кВ типа nnRS 330-1.263-338-0309; д - для ВЛ 500 кВ типа nnRS 500-1.270-372-0411

Изоляционные свойства стеклопластика никак не использованы в новых конструкциях. В случае проводящих траверс и регламентированном ПУЭ числе изоляторов в гирлянде можно ожидать снижение грозоупорности ВЛ с опорами типа RS по сравнению с ВЛ на традиционных опорах.

В рамках предварительного изучения грозоупорности ВЛ с новыми опорами выполнены расчеты, отражающие разницу в числе отключений по сравнению с ВЛ на традиционных опорах. Проанализированы случаи поражения молнией опоры и троса в середине пролета. С целью более точного анализа переходных процессов модель участка линии выполнялась в программном комплексе ATP (Alternative Transient Program). Модель опоры, на которой отслеживалось перекрытие, выполнялась набором индуктивностей. Вероятность наступления опасных параметров молнии определена по методике [5], где кривая опасных токов описывается функцией с коэффициентами, определяемыми по характерным точкам. Полученные результаты несколько отличаются от справочных кривых [6] в сторону уменьшения числа отключений, но для сравнительного анализа данная методика вполне подходит.

Результаты расчетов представлены на графиках в виде зависимости числа отключений на 100 километров и 100 грозовых часов (рис.2). При низких сопротивлениях заземления опор число отключений возрастает в среднем до 2 раз для линий с композитными опорами типа RS. Наибольший интерес вызывает грозоупорность линий 220 кВ при использовании двухцепных композитных опор IRS 220-2. Аналогичных железобетонных конструкций в унифицированной серии нет. Расчет проводился в сравнении с металлическими опорами П 220-2т. Наличие двух траверс для крепления троса на опорах IRS 220-2 никак не аргументировано разработчиками [4]. Два троса могут быть необходимы для обеспечения требуемого защитного угла или снижения числа отключений при ударах молнии в опору. Расчет показал, что наличие второго троса на 45% уменьшает число отключений. Несмотря на это, общее число отключений линий с опорами IRS 220-2 возрастает почти в 8 раз по сравнению с металлическими опорами при сопротивлении заземления в 10 Ом. Для линий 330 кВ с опорами IIIIRS 330-1 число отключений возрастает почти в 2 раза при всех нормируемых сопротивлениях заземления по сравнению с опорами ПБ 330-7Н. Уже при сопротивлении заземления опор 10 Ом появляется вероятность обратных перекрытий на линиях с композитными опорами 330 кВ, чего не наблюдается для опор унифицированной серии.

Резкое снижение амплитуды опасного тока наблюдается в диапазоне фронтов

0.5...2 мкс. При длительности фронта 10 мкс индуктивность опоры мало влияет на результат поражения. Например, для опоры IRS 110-1 с сопротивлением заземления 10 Ом амплитуда опасного тока при временах фронта 0.5...2 мкс составляет 27-50 кА, а в случае железобетонной опоры 43-70 кА. В случае сопротивления заземления 20 Ом для композитной опоры эти же величины составляют 25-38 кА, а для железобетонной 36-46 кА. При сопротивлении заземления опор 30 Ом и выше влияние индуктивности опоры незначительно и наблюдается только при токах молнии с очень крутым фронтом.

Увеличение числа изоляторов в гирлянде на композитных опорах может оказаться малоэффективной мерой повышения грозоупорности. По результатам описанных выше расчетов для ВЛ 110 кВ на опорах IRS 110-1 необходимо применить 11 -14 изоляторов для достижения того же уровня грозоупорности, что у ВЛ с опорами ПБ 110-1 при стандартном числе изоляторов. Для ВЛ 220 кВ с композитными опорами может потребоваться в среднем 20 изоляторов.

si

N ОТЕЛ 16

14

12

10

3 б

4

2

N01131

110-1 —-

поп+птр

—-ПБ 1 10-1

/ ,

10

15

20

25 ЗО

Коп, Ом

Ї20-1——„

ПОП + Пір

'—" ПБ 20-1

10

15

20

25 ЗО

Н.ОП. Ом

Т*Готкл

3

7 б 5

4

З

2

1

0 10

ПЕВ 220-2

Поп+Птр П 2. Ю-2т

15

20

25 ЗО

Коп, Ом

Коткії 1,8

1,6

1,4

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0 10

у

/

ІМ з 330-1 - /

поп+птр

'"ПБЗ 30-7Н

15

20

25 ЗО

Е.ОП. Ом

Рис.2. Данные сравнительного расчета числа отключений на 100 км и 100 гр.ч для линий с композитными опорами и опорами унифицированной серии: а - 110 кВ; б - 220 кВ на одноцепных опорах; в - 220 кВ на двухцепных опорах; г - 330 кВ

в

г

Последние тенденции в строительстве и реконструкции ВЛ предполагают снижение числа отключений по грозовым причинам или удержание их на приемлемом уровне. Данные расчеты показывают общее снижение грозоупорности линий с новыми опорами и актуализируют необходимость изучения этого вопроса в дальнейшем. Кроме грозозащиты, есть и другие вопросы в части применения опор 110-500 кВ типа ЯБ. На первоначальном этапе они нуждаются в опытной эксплуатации по типу того, как это сделано в Норвегии на ВЛ 132 кВ.

Следует искать новые решения с максимальным использованием преимущества композитных материалов и повышать эффективность от их применения. Нельзя исключать принципиально новых решений по разработке изоляционных опор на высокие и сверхвысокие напряжения.

Перспективы применения композитных опор на ВЛ 110-750 кВ В настоящий момент рентабельность сооружения ВЛ высокого и тем более сверхвысокого напряжения на композитных опорах остается под вопросом. Наиболее рациональным шагом стало бы создание ремонтных опор аварийного резерва из композитных материалов. В рамках такой работы можно будет изучить особенности линий с композитными опорами и найти новые способы оптимизации конструкций. Работа по данному направлению имеет научную новизну и практическую значимость.

Традиционно все расчеты опор выполняются, исходя из условия использования электропроводящих материалов, что определяет требования к габаритам, ограничению механических и электрических воздействий. Для эффективного применения композитных опор на ВЛ 110-750 кВ нельзя ограничиваться существующими решениями. Вероятно, удастся использовать не только массогабаритные, но и электрофизические преимущества композитных конструкций.

Новым материалом для опор может послужить базальтовый композит, который является главным конкурентом стеклопластика по механической прочности, химической стойкости и долговечности при схожей стоимости. Немаловажно, что в России существуют заводы, способные производить базальтовые изделия различной конфигурации. Определение области применения базальта для создания опор возможно после уточнения механических, электрофизических, химических и других свойств конструкций на его основе.

Базальт может послужить материалом для сопутствующих изделий ВЛ, например, изоляторов, сочетающих в себе электрофизические преимущества стеклянных и массогабаритные полимерных.

Изоляционные свойства материала могут позволить применять новые решения по грозозащите линий, в том числе и более простые, основанные на увеличении электрической прочности фазной изоляции. Оптимизация конструкции может заключаться в снижении габаритов опоры. Это потребует учета изменения электрических параметров участков линии - волнового сопротивления, емкости и индуктивности, что повлияет на уровни допустимых перенапряжений, напряженность электрического и магнитного полей и другие характеристики. Для ремонтных опор, устанавливаемых на существующих ВЛ, необходимо определить возможность разземления троса с целью оптимизации конструкции.

Для линий с изоляционными опорами важно обеспечить корректную работу систем РЗиА. Вынос потенциала земли на стойку может потребоваться для снижения числа междуфазных замыканий на опоре. Если на стойке между соседними фазами есть заземленные элементы, то изменение вероятности однофазных КЗ зависит только от электрофизических свойств нового материала, а вероятность междуфазных КЗ остается на том же уровне. В случае полностью изоляционных конструкций возможно резкое снижение вероятности однофазных КЗ и повышение вероятности междуфазных КЗ.

Количество металлических элементов на композитных опорах должно быть минимальным, необходимо исключать их применение для конструкционных целей. В идеале металлические элементы на опорах должны применяться только для обеспечения требуемого уровня грозоупорности и корректной работы изоляции, если это потребуется. Траверсы опор должны быть изоляционными. Это могут быть как траверсы консольного типа, так и нетрадиционные решения, где в качестве изоляции выступают элементы опоры. Например, провод может быть прикреплен непосредственно к композитной стойке.

Одна из особенностей конструкций на основе композитных материалов - их высокая эластичность. При учете опыта использования стеклопластиковых стоек RStandard можно заметить, что эластичность конструкций позволяет избежать каких-либо остаточных деформаций, однако для высоких опор данная особенность может быть расценена как негативная.

Сложным вопросом является обустройство фундаментов. Решения по фундаментам и закреплению опор в грунте должны быть максимально унифицированными, позволяющими выполнить монтаж в заболоченной, горной и других типах местности. При быстромонтируемой ремонтной опоре фундамент может быть элементарным, а для восстановления линии с упавшими опорами могут быть использованы старые фундаменты и оттяжки.

Выводы

Сравнительные расчеты грозоупорности линий 110 - 330 кВ с опорами nRS и nnRS. выполненными по аналогии с традиционными, показывают ощутимое влияние параметров композитной опоры на увеличение числа отключений. Данное обстоятельство указывает на необходимость учета электрических параметров опор. Новые конструкции должны пройти опытную эксплуатацию в ограниченном количестве на действующих или проектируемых ВЛ.

Сегодня для ВЛ напряжением 110 кВ и выше композитные материалы целесообразно применять для быстромонтируемых ремонтных опор аварийного резерва. Это позволит выявить особенности проектирования и эксплуатации композитных опор и определить перспективы их применения для строительства новых ВЛ. Необходимо изучить возможность использования электрофизических преимуществ композитных материалов для целей создания изоляционных опор. Это позволит оптимизировать конструкции и применять более простые решения по грозозащите.

Следует оценить возможность создания опор из базальтового композита, являющегося конкурентом стеклопластику по прочности, долговечности и химической стойкости при полном паритете остальных свойств. Изучение характеристик конструкций из базальтового композита определит перспективы его применения для изготовления изоляторов, траверс и прочих сопутствующих изделий ВЛ. Существование в России производств, способных выполнять практически любые конструкции из данного материала, придает поставленной задаче еще большую актуальность.

Литература

1. Sarmento M., Lacoursiere B. A state of the art overview composite utility poles for distribution and transmission applications // Transmission and Distribution Conference and Exposition. Venezuela, 2006. P. 1-4.

2. Колтарп С., Вайд Т. Стоя в полный рост наперекор погоде. Суровая погода подтверждает решение сетевой компании установить стеклопластиковые опоры // Воздушные линии. 2010. № 1. C. 60-64.

3. Готвянский В.В. Типовые технологические карты на установку свободностоящих портальных промежуточных опор типа ПБ 330-7Н, ПБ 500-5Н и ПБ 500-7Н и модификации базовой конструкции // Воздушные линии. 2011. N° 3 (4). С 16-18.

4. Дубина А.А. Новые конструкции полимерных стоек для опор ВЛ в РФ и У краине // Воздушные линии. 2011. № 3 (4). С 27-31.

5. Техника высоких напряжений: учебник для вузов / И.М.Богатенков, Ю.Н.Бочаров, Н.И.Гумерова, Г.М.Иманов и др.; под ред. Г.С.Кучинского. Спб.: Энергоатомиздат, Санкт-Петербургское отд-ние, 2003.

6. Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений / РД 153-34.3-35.125-99. СПб.: Изд. ПЭИПК, 1999.

Сведения об авторах

Бочаров Юрий Николаевич,

профессор Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, д.т.н.

Россия, 194251, г.Санкт-Петербург, ул.Политехническая, д.29

Жук Владислав Викторович,

студент 6-го курса Санкт-Петербургского государственного политехнического университета

Россия, 194251, г.Санкт-Петербург, ул.Политехническая, д.29

Тел. +7 (905) 218-43-32, эл. почта: keep1988@gmail.com

УДК 621.365

Н.Н.Клочкова, А.В.Обухова, А.Н.Проценко

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВУХЧАСТОТНОЙ ПРОХОДНОЙ ИНДУКЦИОННОЙ НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ СРЕДСТВАМИ ПРОГРАММНОГО ПРОДУКТА ELCUT

Аннотация

Описана численная модель индукционной установки непрерывного действия и методика расчета процесса двухчастотного нагрева стальных цилиндрических заготовок средствами конечно-элементной программы ELCUT. Представлены некоторые результаты численного моделирования.

Ключевые слова:

индукционный нагрев, двухчастотный, численное моделирование, перемещение, специальная методика, температурное распределение, программный продукт.

N.N.Klochkova, A.V.Obukhova, A.N.Protsenko MODELING DUAL INDUCTION HEATING UNITS PASS BY MEANS OF THE SOFTWARE PRODUCT ELCUT

Abstract

The numerical model of an induction installation of continuous process and method of calculating the two-frequency heating of a cylindrical steel billets-ray by means of finite element programs ELCUT are discussed. Some results of numerical modeling are presented.

Keywords:

induction heating, dual frequency, numerical simulation, displacementation, special technique, temperature distribution, software.