Максимальное использование передающей способности ВЛ может быть достигнуто при наличии достоверной информации о состоянии линии (включая данные о габаритах проводов до земли, до пересекаемых линий и до древесно-кустарниковой растительности — ДКР), а также актуальных данных о температуре проводов и плотности протекающего тока. Воздушное лазерное сканирование (аэросканирование) относится к числу наиболее эффективных технологий верификации технического состояния элементов линий, трехмерного моделирования ВЛ и рельефа местности вдоль трасс линий.
Использование данных аэросканирования в сочетании с результатами мониторинга состояния проводов предоставляет менеджменту предприятия электрических сетей благоприятные возможности для повышения пропускной способности ВЛ до предельно допустимого уровня, определяемого состоянием электрооборудования подстанций, физическими свойствами провода и действующими нормативно-техническими ограничениями.
За период с 2003 г. по 2005 г. были проведены обследования с применением технологии аэросканирования [1] всех линий электропередачи, обслуживаемых сетевой компанией ЭЛИС (Словения). Результаты обработки данных сканирования структурированы и сохранены в специализированной информационной системе GRIDMC. Кроме того, в период 2005-2006 гг. были проведены работы по аэросканированию и обработке данных о состоянии ВЛ 110-220 кВ общей протяженностью около 900 км, обслуживаемых ОАО «Сетевая компания» (Татария).
База данных о техническом состоянии обследованных линий позволяет менеджерам и инженерному персоналу сетевых компаний в короткие сроки выявлять проблемные участки сети, а также управлять режимами работы ВЛ на основании оперативных данных мониторинга состояния проводов, получаемых благодаря прменению установленных на ряде ВЛ компании ЭЛИС и ОАО «Сетевая компания» разработанных на основе патента российских специалистов [2] датчиков ТМТ, предназначенных для телеметрического контроля температуры и тока провода.
Проектные параметры существующих воздушных линий включают номинальные и максимально допустимые токовые нагрузки, определяющие базовый рейтинг линии (пропускную способность). Как правило, номинальные параметры устанавливаются, исходя из так называемой экономической плотности тока Je, нормированная величина которой составляет в различных странах и сетевых компаниях 0,5 -1,0 A/мм2. Токовая нагрузка, соответствующая экономической плотности тока, может быть определена для известного поперечного сечения провода S мм2, исходя из формулы I = S•Je . (1)
Базовый рейтинг или токовая нагрузка, определенная, исходя из экономической плотности тока, являются достаточно консервативными и часто нуждаются в пересмотре с учетом реальных эксплуатационных условий. В процессе длительной эксплуатации ВЛ могут сложиться условия, требующие существенного повышения пропускной способности, например, вследствие повреждения или планового отключения одной или нескольких параллельных линий, а также при необходимости подключения новых энергоемких потребителей и т.д. Повышение пропускной способности линии и, соответственно, существенное увеличение токовой нагрузки неизбежно приводит к росту температуры нагрева проводов, к увеличению стрел их провеса, следовательно, к уменьшению габарита проводов до земли, растительности и пересекаемых объектов.
Обеспечение нормативных значений габаритов проводов до земли и пересекаемых объектов является одной из важных задач надежной и безопасной эксплуатации воздушных линий. Поэтому мониторинг температуры проводов и токовых нагрузок, оценку на основе данных мониторинга изменяющихся стрел провеса проводов и габаритов проводов до земли и пересекаемых объектов, выполняемую с учетом реальных метеорологических условий, следует рассматривать как одно из необходимых условий успешного решения задачи повышения пропускной способности существующих ВЛ.
Средство дистанционного мониторинга температуры и токовой нагрузки проводов ВЛ
Для анализа рейтинга ВЛ температура провода и ток должны контролироваться на критических участках линии электропередачи. Используя результаты такого контроля, диспетчерская служба получает возможность повысить токовую нагрузку ВЛ до максимально допустимогоуровня, выполнить оптимальное распределение нагрузки различных элементов сети.
Устройство «Телеметрического Мониторинга Температуры» (ТМТ) разработано [2] в качестве специализированного средства контроля тока и температуры проводов ВЛ. Данное устройство снабжено средством крепления к проводу (рис. 1). Питание устройства осуществляется посредством отбора мощности от провода действующей линии электропередачи.
Численные значения измеренных температуры провода и тока передаются по каналам сотовой телефонии на приемное устройство, установленное на пульте управления предприятия электрических сетей. Точность измерения контролируемых параметров составляет 1 оC для температуры провода и 1 A для тока. ток провода может измеряться в диапазоне от 250 A до 2000 A. Устройство снабжено приемником сигналов системы глобального позиционирования (GPS). Благодаря этому данные измерения температуры и тока аннотируются точными временными показателями.
Установку устройств ТМТ рекомендуется выполнять в период планового отключения ВЛ. Использование переносного трапа, закрепляемого одним концом на траверсе опоры и другим на проводе, позволяет закрепить данное устройство на расстоянии 1,5-2 м от опоры. В тех случаях, когда имеются благоприятные условия для подъезда к трассе, устройство ТМТ может быть установлено в любой точке пролета с помощью гидравлического подъемного устройства.
Число устройств TMT, устанавливаемых на ВЛ, зависит от протяженности линии и от характера трассы. На прямых участках ВЛ, расположенных на ровной открытой местности, расстояния между датчиками могут составлять до 4050 км, то есть возможным вариантом является установка датчиков в начале и в конце линии. Установка дополнительных устройств рекомендуется в тех местах, где угол поворота трассы составляет 30 о и более. Для ВЛ со сложным рельефом предпочтительными для установки датчиков являются участки вблизи высоких строений, на лесных просеках, вблизи высоких холмов и в прочих местах, где провода ВЛ закрыты от воздействия ветров господствующих направлений. На ВЛ, проходящих по территориям со сложным рельефом, на холмистых и горных участках, устройства ТМТ рекомендуется устанавливать в тех пролетах, где характер местности резко меняется, а провода оказываются закрытыми от действия ветра различными препятствиями естественного или искусственного происхождения. Оптимальное число устройств ТМТ, рекомендуемых для установки на ВЛ, проходящей по местности со сложным рельефом, должно быть порядка 4-5 устройств.
На рис. 2 приведены реальные данные мониторинга тока и температуры провода ВЛ 400 кВ «Беричево – Подлог» (Словения), где с середины 2006 г., после установки первых экземпляров устройств ТМТ, ведется непрерывный контроль состояния проводов. Представленные на графике зависимости характеризуют состояние провода AC 490/65 за период продолжительностью двое суток. В этот период (начало сентября) от 0 часов до 16-00 согласно метеорологическим данным температура воздуха плавно повышалась от +10 оС до +23 оС с последующим постепенным понижением температуры до +12 оС к 24-00. В последующие сутки температура воздуха вновь плавно повысилась до 23 оС к 16-00 и плавно понизилась до 13 оС к полуночи. Скорость ветра достигала 2 м/с в полдень, снизилась до штиля к полуночи, вновь постепенно возросла до 9 м/с к 16-00 следующего дня. Редкий туман и переменная облачность не оказывали существенных препятствий для воздействия на провода солнечной радиации в дневные часы. Очевидно, что температура провода в указанный период в основном обусловлена влиянием метеорологических факторов. Ток, плотность которого изменялась от 0,27 А/мм2 до 0,49 А/мм2, в данном случае не оказывал существенного влияния на нагрев провода.
Проверка габаритов проводов
Сетевая компания ЭЛИС (Словения) эксплуатирует ВЛ 110, 220 и 400 кВ. Одним из важных условий успешной организации работ является, по мнению компании, обеспечение доступа менеджмента и технического персонала к актуальным данным, характеризующим техническое состояние элементов сетевой инфраструктуры. Для получения полноценной и актуальной информации о состоянии ВЛ в период с 2003 г. по 2005 г. компанией ОПТЭН Лимитед выполнены работы по верификации состояния всех обслуживаемых сетевой компанией воздушных линий [3]. Для моделирования поведения элементов ВЛ и анализа их состояния в различных метеорологических и эксплуатационных условиях пользователям полученных данных верификации предоставлена возможность интеграции цифровых данных о состоянии ВЛ с различными программными продуктами, которые могут быть как результатами оригинальных разработок компании, так и нашедшими широкое применение в инженерной практике пакетами программных продуктов (например софт PLS-CADD).
Интеграция сформированных информационных ресурсов с инженерными, аналитическими и проектнымикомплексами предоставляет персоналу сетевой компании возможность быстро и эффективно анализировать и устранять причины повреждений и аварийных отключений линий, прогнозировать последствия различных экстремальных воздействий (ураганы, штормы, торнадо, гололедные нагрузки и комбинированное воздействие гололеда и ветра, экстремально низкая или высокая температура воздуха, наводнения и т.д.).
К числу важных элементов указанных информационных ресурсов следует отнести данные о минимальных габаритах проводов до земли и пересекаемых объектов. Использование методов математического моделирования позволяет выявить те токовые нагрузки и температуры нагрева проводов, при которых возникает опасность нарушения предписанных нормативно-технической документацией минимально допустимых габаритов. На основе подобного анализа выявляются те критические участки ВЛ, которые ограничивают повышение пропускной способности.
В качестве примера подобного критического участка, ограничивающего пропускную способность ВЛ, может быть рассмотрен пролет между опорами № 10-11 ВЛ 400 кВ «Беричево-Подлог». В соответствии с корпоративными стандартами, принятыми во многих странах, минимально допустимый габарит провода до земли Hmin составляет 7 м. Как показывают расчетные оценки, выполненные с использованием данных аэросканирования, для левой фазы указанное выше значение минимально допустимого габарита до земли нарушается при температуре провода T 41 оС, для средней фазы при условии T 50 оС (рис. 3), для правой — при T 58 оС.
Примеры повышения пропускной способности ВЛ
ВЛ 400 кВ «Беричево-Подлог» Полученные в результате верификации технического состояния ВЛ 400 кВ данные о габаритах проводов до земли свидетельствуют о необходимости выполнения определенных ограничений пропускной способности данной линии. Графическая зависимость, приведенная на рис. 4, показывает, что при средней температуре воздуха и малой скорости поперечного ветра нарушение минимально допустимого габарита провода до земли может возникнуть при протекании тока 800 A. Таким образом, консервативное значение базового рейтинга для данной линии составляет 800 А.
Величина рейтинга, определяемая на основе критерия экономической плотности тока (1), для данной ВЛ, где применены провода AC 490/65, составляет 278-555 А. Существенное увеличение пропускной способности ВЛ достигается в случае применения более прогрессивной идеологии динамического рейтинга. Температура провода существенным образом зависит от скорости ветра (от скорости поперечной по отношению к рассматриваемому пролету составляющей скорости ветра). 
Зависимость температуры провода рассматриваемой линии «Беричево-Подлог» от скорости ветра приведена на рис. 5. Нарушение габарита до земли наступает в критическом пролете (см. рис. 3) в условиях штиля при температуре провода 41 оC и нагрузке не более 700 А. Однако уже при скорости ветра 2,5 м/с указанная температура провода не будет превышена при нагрузке 1100 А, а при скорости ветра 5 м/с допустимой является нагрузка 1375 А (см. рис. 5).
Очевидно, что одним из непременных условий практической реализации динамического рейтинга ВЛ является организация мониторинга состояния проводов (температуры нагрева и тока) в режиме реального времени. В октябре 2006 г. на рассматриваемой линии были установлены устройства телеметрического контроля TMT, что создало благоприятные предпосылки повышения пропускной способности ВЛ.В зависимости от реальной оперативной обстановки и метеорологических условий ток провода повышается до 1200-1400 А, то есть токовая нагрузка расщепленного провода из двух составляющих может быть увеличена до 2,8 кA.
ВЛ 110 кВ «Беричево-Тробовле 1»
В октябре 2006 г. устройства мониторинга тока и температуры провода ТМТ были установлены также на ВЛ 110 кВ «Беричево-Тробовле 1». Для основания допустимых пределов повышения пропускной способности этой линии были выполнены расчетные оценки поведения линии для различных токовых нагрузок. Одним из критических (с точки зрения возможности повышения токовых нагрузок при условии сохранения безопасных габаритов проводов нижней фазы до земли) на данной линии является пролет между опорами 14-15. Габарит нижнего провода до земли (для указанного пролета) в зависимости от тока показан на рис. 6. Минимально допустимое значение габарита в соответствии с существующими требованиями для линий этого класса составляет 6 м (NESC США). Следовательно, величина базового рейтинга для данной ВЛ не превышает 900 А. Рейтинг, определяемый экономической плотностью тока (1), составляет для данной линии с проводами AC 240/40 140-280 А. Для рассматриваемой линии 110 кВ повышение пропускной способности ограничено как необходимостью обеспечения безопасных габаритов проводов до земли, так и пределом термической устойчивости, величина которой зависит от соотношения сечения алюминия и стали провода. Для ВЛ 110 кВ с проводами АС 240/40 предел термической устойчивости составляет 95 оС. Температуры нагрева провода в зависимости от поперечной для рассматриваемого пролета скорости ветра приведены на рис. 7. Согласно этим данным, максимальная пропускная способность составляет 1250 А при относительно небольшой скорости ветра 2,5 м/с и, соответственно, выше при скоростях ветра 5 -10 м/с. Как уже было отмечено, мониторинг температуры провода является весьма важным условием безопасного и надежного повышения пропускной способности существующих линий электропередачи.
ВЛ 110 кВ ТЭЦ2 – ТЭЦ 3 (Казань)
Анализ результатов аэросканирования показывает, что для многих существующих ВЛ повышение пропускной способности ограничивается недостаточными габаритами до земли и пересекаемых объектов. Известны различные способы решения этой проблемы, однако одним из наиболее эффективных и рациональных является способ регулировки (повышения) тяжения проводов. Покажем это на примере рассмотренной выше ВЛ 400 кВ и двух ВЛ 110 кВ. Анализ данных обследования ВЛ 400 кВ показал, что в пролете между опорами 10 и 11 механическое напряжение растяжения провода при температуре + 19 оC составляет для левой, средней и правой фаз, соответственно, 11,3 %; 11,4 % и 11,4 % от предела прочности провода на разрыв. В соответствии с самыми консервативными подходами величина безопасного тяжения проводов составляет от 15 % до 20 % от предела прочности на разрыв. Таким образом, тяжение проводов на ВЛ 400 кВ «Беричево-Подлог» может быть без какого-либо риска повышено в 1,5-2 раза, что позволит решить все проблемы с недостаточными габаритами и рассмотреть возможность существенного повышения пропускной способности.
Аналогичная ситуация выявлена и на ВЛ 110 кВ «Беричево—Тробовле 1», где тяжение проводов в большинстве пролетов с недостаточными габаритами до земли составляет от 14,6% до 15,3 % от предела прочности на разрыв. Повышение тяжения до безопасного уровня 20 % от предела прочности на разрыв позволит радикально решить большинство проблем, связанных с недостаточными габаритами.
В РФ первым объектом для установки датчиков ТМТ является ВЛ 110 кВ «ТЭЦ2-ТЭЦ3» ОАО «Сетевая компания» (Казань). Установке датчиков предшествовало выполнение значительного объема аналитических исследований, результаты которых представлены на рис. 8.
Датчики устанавливаются в пролете между опорами 11 и 12 (рис. 9.). На снимке, сделанном с высоты 500 м, видно, что с одной стороны провода экранированы от воздействия ветра лесным массивом, что повышаетвероятность повышенного нагрева нижних проводов, расположенных ниже уровня древостоя.
Анализ изменения габаритов проводов ВЛ 110 кВ до земли для различных температур воздуха и различных нагрузок показал (см. рис. 8, а), что в летний период существуют значительные ограничения токовых нагрузок. В условиях безветрия безопасные габариты проводов до земли обеспечены при токовой нагрузке до 200-220 А. При действии ветра скоростью до 10 м/с, направленного поперек проводов, токовые нагрузки могут повышаться до 400-550 А в зависимости от температуры окружающей среды и интенсивности солнечной радиации.
Поскольку повышение токовых нагрузок на данной линии ограничено из-за недостаточных габаритов проводов до земли, был проведен анализ величин допустимых токовых нагрузок (при которых температура нагрева провода не превышает 70 оС), которые могут быть достигнуты после регулировки тяжения проводов и устранения существующих проблем с габаритами. Положение группы кривых на рис. 8, б показывает, что после регулировки (повышения) тяжения проводов токовые нагрузки могут быть повышены до 300-450 А в условиях полного безветрия (штиля). При действии ветра скоростью 8 -10 м/с максимально допустимыми являются нагрузки от 900 А до 1150 А.
ВЫВОДЫ
• В результате выполнения комплекса работ по верификации технического состояния ВЛ и организации постоянного мониторинга тока и температуры проводов обоснованы параметры повышения пропускной способности ВЛ 400 кВ и 110 кВ.
• По данным анализа состояния рассмотренных ВЛ показана перспектива дополнительного существенного повышения их пропускной способности в результате регулировки тяжения и увеличения габаритов проводов до земли и до пересекаемых объектов.
