ГИС

Методика оценки технического состояния ВЛ на основе геоинформационных систем

В настоящее время на Украине остро стоит задача обеспечения определенного уровня надежности строительных конструкций, воздушных линий электропередачи. Связано это, прежде всего с недостатком финансовых средств, выделяемых на строительство новых линий, взамен отслуживших свой век. Проблема оценки надежности существующих линий также достаточно актуальна из-за того, что строительство ВЛ осуществлялось в соответствии с нормами бывшего СССР, которые в настоящее время не соответствуют применяемым на Украине.

Состояние воздушных линий электропередачи на Украине

В настоящее время на Украине эксплуатируются около 948 000 км ВЛ, 142 160 км из них напряжением 35-800 кВ (см. табл. 1). Причем эти данные остаются практически постоянными в течение последних 10 лет. Срок эксплуатации большинства ВЛ напряжением 110-220 кВ составляет в среднем 40-60 лет, а для некоторых объектов до 80 лет, из-за чего анализ аварийности данных конструкций представляет значительный интерес.

Таблица 1 Протяженность ВЛ в Украине

Напряжение ВЛ

Протяженность, тыс. км

Протяженность в %

Количество опор

Количество опор, разрушенных в ноябре 2000 года

В % к общему количеству опор, подвергшихся воздействию гололеда

0,3-0,5

472,65

49,86

11816250

187000

4,24

2-30

333,2

35,15

6664000

138000

5,55

35

70,78

7,47

615478

1583

0,69

110

39,15

4,13

166596

986

1,59

154

10,33

1,09

40669

-

-

220

4,14

0,44

14892

2

0,04

330

12,94

1,36

44621

168

1,01

500-400

0,64

0,07

2065

1

0,13

750

4,08

0,43

12750

69

0,50

800

0,1

0,01

250

-

-

Всего

948,01

100

19377571

327809

4,53

К сожалению после 1992 года централизованная система сбора данных по отказам ВЛ была уничтожена, и данные с 1992 по 2002 год несколько занижены, т. к. некоторые аварийные ситуации не зафиксированы.

Анализ полученных данных показывает существенный рост числа отказов элементов ВЛ, что свидетельствует об изношенности фонда. Значительное количество отказов в 2000 году связано с широкомасштабной гололедной аварией. Наибольшая природная катастрофа, которая постигла Украину за последнее столетие, парализовала жизнедеятельность почти пяти тысяч населенных пунктов 12 областей Украины. В ноябре месяце 2000 г. в течение недели почти четыре млн. людей оказались в экстремальных условиях, оставшись без света и тепла, газо - и водоснабжения. Обледенение привело к аварии 20931 линии электропередачи, было разрушено более 300 тыс. железобетонных и около 20 000 металлических опор ВЛ. Общий ущерб, нанесенный Украине стихией, составил 655 млн. грн.

Высокая аварийность железобетонных опор объясняется достаточно большим процентным содержанием, т. е. до 70 % ВЛ напряжением 35-110 кВ выполнено на железобетонных опорах. Однако аварийность железобетонных опор при действии сверхрасчетных нагрузок, в пересчете на 100 км ВЛ в 7 раз выше, чем аварийность металлических опор.

Распределение количества отказов в зависимости от причины

1. Масштабные гололедно-ветровые воздействия

2. Локальные гололедно-ветровые воздействия

3. Не установленные причины

4. Эксплуатационные недостатки

5. Ошибки монтажа

6. Ненадлежащее качество материалов

7. Дефекты изготовления

8. Ошибки проектирования

Проведенные в расчеты позволяют сделать выводы о необходимости совершенствования методик определения гололедно-ветровых нагрузок и методов предотвращения аварий, в частности путем плавки гололеда. Вторым аспектом является совершенствование методик оценки действительного состояния конструкций с учетом различных повреждений, таких как коррозионные и механические повреждения, осадки фундаментов и т. д.

Методология системы управления эксплуатационной надежностью ВЛ

При мероприятиях по определению остаточного ресурса опор ВЛ необходимо не только учитывать их техническое состояние, но и учитывать изменение нагрузок.

Из-за значительной протяженности ВЛ возможна существенная вариация климатических нагрузок по профилю трассы, что не лучшим образом влияет на требования безопасности и экономичности, а также повреждения различного рода, типа коррозионных повреждений, пробоев изоляторов и т. д. не могут быть своевременно обнаружены, что также приводит к снижению надежности.

Для решения данной проблемы была разработана методология создания единой геоинформационной системы содержащей систему управления базами данных, структура, которой приведена на рис. 1.

Структура системы управления эксплуатационной надежностью ВЛ

Рис. 1. Структура системы управления эксплуатационной надежностью ВЛ

База данных «OLIS» содержит следующие блоки:

Блок содержащий данные о применяемых на ВЛ конструкциях (опоры, провода, тросы, изоляторы, система защиты от вибрации);

Блок учета несовершенств. Применительно к каждой конструкции содержатся данные об обнаруженных дефектах и повреждениях, сроках их устранения, действительных характеристиках материалов из которых конструкции выполнены;

Блок, содержащий техническую информацию, в т. ч. чертежи, сертификаты и т. д. (в настоящее время большинство информации представлено в бумажном варианте, что в некоторых случаях значительно замедляет работу системы);

Система сбора и учета информации об авариях и отключениях ВЛ;

Система сбора и обработки метеоданных, состоящая из данных метеостанций Росгидромета и специализированных метеопостов;

Система анализа данных.

Одним из основных достоинств данной системы является оперативность сбора и работы с информацией, распределенной на больших территориях, что особенно важно при аварийных ситуациях. Так информация с метеопостов может использоваться для оперативного реагирования и перевода линий в режим плавки гололеда.

Климатические нагрузки и воздействия.

Для определения климатических нагрузок на элементы ВЛ был предложен подход, основанный на использовании полученных в [1] значений климатических параметров. Исходными данными для построения трехмерных электронных карт климатических воздействий служили географические координаты, значения климатических параметров метеорологических станций и их координаты: широта j и долгота l.

Данные метеостанций по скорости ветра, ветровому давлению при гололеде и массе гололедных отложений аппроксимировалось функцией 1-го предельного распределения Гумбеля и собственно были получены исходные данные для районирования территории Украины, которые затем обрабатывались с учетом предложенной методики.

В процессе обработки метеоданных были выявлены погрешности, связанные с существующей системой сбора и обработки информации, это и влияние так называемого «человеческого» фактора, при измерениях параметров, и влияние места расположения измерительных приборов и т. д.

Построение электронных карт выполнялось при помощи программы Surfer.

Следующим этапом было нанесение на электронную карту трасс воздушных линий. В данном случае конкретная воздушная линия разбивалась на прямолинейные участки, привязка которых к карте осуществлялась по специализированным данным, предоставленным эксплуатирующими организациями, а также по результатам измерений при помощи систем глобального позиционирования (global positioning systems).

Далее проекция ВЛ накладывалась на различные трехмерные климатические карты и выполнялось построение продольного профиля нагрузки. На основании проведенных исследований подготовлен электронный атлас климатических нагрузок на воздушные линии электропередачи напряжением 220 -750 кВ, проходящих по территории Донецкой области.

Оценка технического состояния. Система анализа данных

Для получения данных о надежности ВЛ необходимо иметь данные о фактических нагрузках и повреждениях ее элементов. В процессе обследования фиксируются следующие параметры: для определения нагрузок – стрелы провесов проводов, габариты до земли, расстояния между опорами и крены опор; для получения фактического состояния конструкции – данные о фактической прочности элементов, данные о дефектах и повреждениях.

Данная периодичность обследований устанавливается для участков ВЛ, т. е. на одной линии могут быть участки с различными сроками проведения обследований, границы которых устанавливаются в соответствии с принципами зонирования ВЛ согласно.

Для получения данных о надежности элементов ВЛ используются расчетные программы, так, например, для расчета опор применяются программные комплексы СКАД и ЛИРА основанные на использовании метода конечных элементов, которые дают результаты достаточно близкие к результатам программы Tower компании Power Line Systems (www. powline. com) однако имеют не приспособленный для расчетов решетчатых башен интерфейс. На данном этапе производится учет влияния различных дефектов и повреждений, причем, учитываются, как правило, повреждения, ликвидация которых сравнима с заменой конструкции на новую, например, сплошная коррозия уголков стальной опоры ВЛ.

Сравнение полученных усилий в элементах опор от действия внешней нагрузки с расчетными напряжениями выполняется обычно с использованием метода частных коэффициентов надежности. Однако в последнее время разработана методика определения вероятности непревышения нагрузки, которую исследуемая конструкция может выдержать.

Вероятность безотказной работы всей конструкции определяется как произведение вероятностей безотказной работы отдельных элементов соединенных последовательно. В данном случае общая вероятность получена путем произведения вероятности безотказной работы основных элементов опоры ВЛ (пояса и раскосы ствола и траверс) удаление которых из расчетной схемы ведет к лавинообразному разрушению конструкции.

В зависимости от полученного значения, напряжения и класса надежности элементы ВЛ относят к следующим категориям состояния:

нормальное (1) – состояние конструкции, отвечающее требованиям нормативных документов;

удовлетворительное (2) – присутствуют отдельные дефекты и повреждения которые непосредственно не влияют на надежность конструкции в определенный момент времени;

непригодное к нормальной эксплуатации (3) – состояние конструкции, при котором присутствуют отдельные дефекты и повреждения которые непосредственно влияют на надежность конструкции в определенный момент времени, однако возможно и экономически целесообразно производить ремонт конструкции;

аварийное (4) – состояние конструкции, при котором на основе проверочных расчетов и анализа дефектов и повреждений невозможно гарантировать целостность конструкций на период усиления, либо усиливать конструкцию экономически нецелесообразно.

Путем проведенных технико-экономических расчетов с учетом состояния строительных конструкций электрических сетей на Украине предложено следующее ранжирование категории состояния конструкции в зависимости от вероятности непревышения предельно допустимых нагрузок на металлические конструкции опор ВЛ (табл. 2).

Таблица 2 Классификация категорий состояния ВЛ в зависимости от напряжения и степени ответственности

Напряжение ВЛ

Категории состояния

1

2

3

4

400-750

P ≥ 0,95

0,9394 ≤ P ≤ 0,95

0,87 ≤ P ≤ 0,9394

P ≤ 0,87

220-330

P ≥ 0,85

0,812 ≤ P ≤ 0,85

0,629 ≤ P ≤ 0,812

P ≤ 0,629

35-110

P ≥ 0,61

0,534 ≤ P ≤ 0,61

0,123 ≤ P ≤ 0,534

P ≤ 0,123

Так конструкции, принадлежащие к 1-й категории состояния, имеют достаточную надежность и не нуждаются в ремонте. Конструкции 2-й категории нуждаются в ремонте для повышения показателей долговечности. Конструкции 3-й категории нуждаются в проведении мероприятий по капитальному ремонту и повышению надежности ВЛ в целом, таких как: усиление отдельных элементов, постановка дополнительных элементов (изменение расчетной схемы сооружения), резервирование линии, перевод на более низкое напряжение, установка элементов защиты: сбрасывающих зажимов, тарировочных скоб [7] либо демпфирующих узлов [8], которые вводятся в подвесные гирлянды изоляторов и при аварийной нагрузке препятствуют развитию каскадной аварии. Для конструкций 4-й категории состояния мероприятия аналогичны приведенным для 3-й группы, однако решение о дальнейшей эксплуатации данной линии должно быть обосновано экономически.

Данная методика наряду с положениями, которые разработаны, еще содержит положения, которые необходимо разработать. В настоящее время на территории Донецкой области предложенная система начинает функционировать, причем отдельные блоки, такие как, сбора и обработки климатических нагрузок, блок учета несовершенств, блок содержащий технические данные об эксплуатируемых конструкциях, и система анализа данных функционируют в течение 3-5 лет. Это позволило существенно повысить качество эксплуатации воздушных линий, своевременно выявить и устранить значительное количество несовершенств, прогнозировать места возникновения аварий в случае климатических перегрузок, т. е. значительно повысить надежность ВЛ.

В разделе рассмотрены вопросы надежной эксплуатации воздушных линий электропередачи. Предложена методика ранжирования технического состояния ВЛ в зависимости от повреждений и климатических нагрузок.

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить